基于PC104 总线的实时信号采集处理系统

　　0 引言

　　PC104是嵌入式工控机的一种，其外部总线接口为PC104 总线.使用堆叠的方式可以将多个PC104 主板结合到一起，并通过螺栓固定，保证系统的牢固可靠，应对恶劣的使用环境.由于PC104具有功耗低，体积小，扩展性高，功能强大等优点，其已经在航空航天.军用武器装备.工业控制等领域得到了广泛的使用.

　　在对武器装备进行测试维护时，经常需要对设备中的各类模拟信号进行分析，从而对武器系统的运行情况做出判断.目前常见的测试设备往往实时性不高，无法更多地进行人机交互.同时由于测试设备体积过于庞大，并不方便在外场对武器装备进行直接的测试和维护.随着现阶段军用装备外场测试的信息化程度逐渐提高，迫切需要研制出体积小.结构紧凑的便携式实时测试设备.

　　目前主流的实时信号采集方式是通过高速A/D 转换器件来完成的，其优点是信号精度高，实时的信号采集带来了大量的数据需要处理，对后端的信号处理系统提出了较高的要求.因此本文搭建了基于PC104总线的实时信号采集处理系统，凭借FPGA的高速处理能力控制A/D转换器完成数据的采集，并通过PC104总线将数据提供给上位机完成用户对实时信号的监测.

　　1 总体设计方案

　　本文的实时信号采集处理系统主要包括信号采集板和上位机控制板2部分，两者之间通过PC104总线进行通信.上位机控制板以CPU 为核心，扩展出VGA,RJ45等人机交互所需要的外围设备接口.信号采集板主要包括了FPGA 逻辑控制.A/D 转换器.通道选择开关.前端信号调理器等.实时信号采集处理系统的总体结构图如图1所示.

　　信号采集处理系统进行工作时，上位机控制板的CPU通过PC104总线向底层信号采集板发送命令，对其工作参数进行设置.CPU 与FPGA 之间通过地址和数据总线完成命令及数据的交互.多通道选择开关对外部输入的模拟信号进行通道选择，在信号调理芯片对模拟信号进行相应的预处理之后，在FPGA的逻辑控制下由A/D转换器完成信号的采集.FPGA通过PC104总线实时地将采集的信号数据传输给CPU,通过运行在上位机控制板的应用程序完成数据的最终分析和处理.信号采集处理系统可以通过FPGA 逻辑控制模块灵活地调整采样速率，来满足多种信号不同速率的采样要求.

2 硬件系统设计

　　2.1 上位机控制板

　　本系统采用深圳盛博公司的PC104 模块SCM9022作为上位机控制系统硬件平台，其处理器为英特尔凌动N455 处理器，使用了1 GB 的DDR3 内存，支持2 GB 的SSD 和1 路SATA 接口，支持2 个100 Base-T 以太网口，具有8路GPIO接口和6个串口，4个USB 2.0接口，标准鼠标键盘接口，支持18 位的LVDS 和VGA 显示.

　　SCM9022的硬件资源可以满足对所需要采集信号的处理，用户可以方便地使用其通用的外设接口完成必要的人机交互.上位机控制板包括了64 针脚的双排单列插针J1 和40 针脚的双排单列插针J2,总共104 根信号总线.上位机控制板是标准的PC104模块，其尺寸为96 mm×90 mm?当工作在8 b数据模式下时，J2的针脚信号无效，只有J1针脚有效；当工作在16 b数据模式下时，J1和J2所有针脚都有效.在104个针脚中，包括了16个数据针脚，7个锁存地址针脚，20个地址针脚，32个控制针脚，14 个地线和电源线，1 个14 MHz 的OSC,1 个8 MHz 的BCLK?其中，SA[011]为地址总线；SD[07]为数据总线；IOR 为输入/输出接口的读控制，低电平有效；IOW 为输入/输出接口的写控制，低电平有效；DATA 为串行数据；BALE 为地址锁存信号；CLK 为移位脉冲；SY-CLK 为总线时钟；IOCHADY 为输入/输出接口的准备就绪信号，该信号由集电极开路门或三态门驱动，低电平时处于无效状态，表示输入/输出接口设备需要将总线的周期延长.时序如图2所示.

　　2.2 信号采集板

　　为了能快速高效保证上位机控制板与信号采集板之间的PC104总线数据通信，底层的信号采集板使用了Altera公司的Cyclone Ⅲ系列FPGA芯片EP3C25F256C7N,通过控制逻辑来按照PC104总线的时序进行数据传输.该芯片具有200 Kb逻辑单元.8 Mb嵌入式存储器以及396个嵌入式乘法器能够在控制信号采集芯片的同时，将采集的信号数据传输给上位机.需要注意的是，由于PC104总线的针脚都是5 V电平，而FPGA芯片采用了3.3 V的电平信号，所以在信号采集板上使用了74LVH162245芯片对电平进行转换，调整电气特性，完成由TTL电平向LVTTL电平的转换，并增强驱动能力.在信号的采集过程中，由于外部的多路模拟输入信号往往比较微弱，其电平的幅度很小，为了保证A/D转换模块采集到足够强的信号幅度，在信号采集板中使用了放大器INA103把输入信号进行调理放大到0~10 V之间.INA103是由BB公司生产的低功率增益可调通用仪器放大器，其具有高精度宽带宽的特点.在增益为100时，对应的带宽仍达到200 kHz?该芯片采用了可调电阻调整放大倍数，具体公式如式（1）所示：

　　本系统在信号采集板中采用了R = 6 Ω，故得到的放大倍数在0~1001 之间，保证了该芯片输出给A/D 转换器的信号电平在0~10 V之间.信号采集板的多路选择开关采用了AD 公司的ADG508A 八选一高速选通开关.系统通过2 片ADG508A 并行控制模拟信号的输入，实现了对16路信号的实时采集.多路开关的输入通断是通过控制使能引脚EN以及CH0,CH1,CH2来完成的，FPGA 输出的地址的最高位分别接到2 片ADG508A 的使能端，地址低3 位分别接入ADG508A 的A0,A1,A2?信号采集板的A/D 转换芯片采用了BB 公司的ADS7805,其具有高速.低功耗的特点.在5 V 的工作电压下其最高的转换频率达到了100 kHz?该芯片内部自带有时钟.电压基准和采样保持等电路，极大的简化了用户的电路设计，并且提高了系统的稳定性.