基于單片機和CPLD實時數據采集顯示系統設計

1 引言
??? 數據采集是分析模擬信號量數據的有效方法。而實時顯示數據是自動化檢測系統的現實需求。在測試空空導彈導引頭的過程中，導引頭的響應信號包括內部二次電源信號和模擬量電壓信號。檢測過程中要求檢測系統實時顯示導引頭的工作狀態，顯示二次電源和模擬量響應電壓信號，判斷導引頭性能，同時保證在非常情況下人為對導引頭做出應急處理，保護導引頭。對于模擬量電壓信號，通常采用模數轉換、事后數據標定的方法實現。根據現實需求，研制相應檢測系統可作為導引頭日常維護和修理的重要工具。這里介紹一種基于單片機和CPLD的實時數據采集顯示系統設計方案。

2 系統構成
??? 該系統中待采集顯示電壓信號共16路，動態電壓范圍為－22~+27 V。由于這些電壓信號變化頻率較低，或者認為頻率無變化，且檢測系統只關心其電壓值，所以在低采樣率下就可滿足系統要求。根據需求，系統設計的采樣率即顯示刷新速率在1．56 k／s以上。
??? 采用單片機80C196KB和可編程邏輯器件EPM7128SLC為核心控制器，以80C196KB內部集成A/D轉換器作為模數轉換器實現16路電壓信號的實時數據采集、顯示、控制。該系統總體設計結構框圖如圖1所示。

??? 整個系統主要由信號預處理、信號選通、單片機采集、雙機數據傳輸以及數據處理顯示等模塊構成。其中，信號選通模塊由CPLD和多路模擬選擇器組成。

3 系統硬件電路設計
3．1 信號預處理電路
??? 由于待采集電壓信號輸入動態范圍較寬，且極性各異，對于單片機A／D轉換器來說，需要調理到能夠采集的電壓范圍闈0~5 V，所以要統一調理采集信號，如圖2所示。

??? 圖2中運放LM224和MC1556均采用雙電壓供電，以提高動態信號輸入范圍；電阻均采用精度為0．1％的精密型金屬膜電阻，以提高電壓轉換精度。
??? 在二級電壓凋理過程中，MC1556同相輸人端采用穩壓電路以減少長時間通電情況下溫度升高對系統產生的不良影響。南于電壓跟隨器具有輸入阻抗大和輸出驅動能力強的特點，故在預處理電路的輸入端和輸出端均采用電壓跟隨電路。
3．2 信號選通電路
??? ADG508A是一款8通道CMOS模擬多路選擇器，具有高速轉換速度和低內阻特性，通道切換具有防短路功能。在CPLD控制下，它可對采集信號進行有序通道切換，配合單片機進行數據采集。
??? EPM7128SLC是一款Ahera公司生產的CPLD，其容量為128個宏單元，采用硬件描述語言VHDL對CPLD編程設置實現信號的選通控制。首先編寫分頻器模塊對1 MHz晶體振蕩器進行20分頻，輸出2路相位相錯、周期為20 μs的矩形同步信號。其中一路信號經D觸發器進行2分頻，得到占空比50％、周期為40μs的方波信號；然后編寫信號選通控制模塊。此模塊根據方波信號和另一路同步信號循環輸出控制信號，兩模塊都在MuxPlus-II環境下開發，CPLD控制信號時序仿真結果如圖3所示，其中，信號FRM和ROAD是單片機主程序運行的勤務信號；CS1和CS2是2片ADG508A的片選信號：A0、A1和A2則是ADG508A通道選通控制信號。
3．3 單片機采集電路
??? 80C196KB是Intel公司生產的一款16位CMOS單片機，片內集成有8路A／D轉換器，該轉換器包括一個8通道多路模擬開關，采樣保持電路和10位A／D轉換器。由于該系統外部有多路選擇器，故內部無需通道轉換，采用一個ACH0通道即可完成數據采集。對于采用12 MHz晶振的單片機系統，完成一次A／D轉換需22μs。80C196KB的A／D轉換器采用逐次逼近的方法完成模擬量到數字量的轉換，基準電壓設定非常關鍵，內部阻容網絡將基準電壓Vref等分為1 024個階梯，每級為Vref／1 024 V。通過與基準電壓比較，可得到10位數據轉換結果，其中基準電壓的精度以及穩定度直接影響到測量結果的絕對精度。因此在電路中Vref采用單獨電源供電并通過基準穩壓源如LM136的5 V提高精度及穩定度。
??? 80C196KB通過判斷ROAD信號在其上升沿讀取上次A／D轉換結果，同時啟動A／D轉換器轉換下一路信號，該單片機用FRM信號作為非屏蔽中斷使計數器DXL歸零，主程序循環一次，保證對16路通道信號的時分復用采集。單片機80C196KB程序流程如圖4所示。

3．4 雙機數據傳輸
??? 為達到采集數據的實時可控性，系統設計雙機通信接口作為單片機A／D轉換數據向計算機傳輸的通道。計算機采用WDM下的EPP模式通信，速度達500 KB／s～2 MB／s。使用雙端口RAM IDT7130作為主要元件，通過通信接口，單片機將A／D轉換數據存入雙端口RAM中，計算機則實時顯示從雙端口RAM中讀取的數據。單片機通過雙端口RAM IDT7130的A端口進行寫操作，計算機則通過B端口進行讀操作。握手信號由單片機通過對ROAD信號計數產生，二者可異步讀寫操作，實現數據交換。圖5為單片機與計算機接口電路。

4 系統軟件設計
4．1 數據標定
??? 在給定Vref=5 V，設單片機采集端口輸入電壓為Vin與之相對應的A／D轉換數字量為X，則X=1 024 Vin/5V。對于線性變換預處理電路可采用Y=5KX／1 024，其中，Y表示電壓實測值，X表示與Y對應的A／D轉換值，K為放大器增益。令K=Ymax/5 V，其中Ymax表示待測量電壓的最大值。為保證采集精度，應先計算Ymax，以保持足夠的A／D轉換有效數字。以待采集電壓0~27 V為例，預處理電路增益為27／5=5．4。
4．2 實時顯示
??? 讀數及顯示軟件在VC++6．0環境下編寫，使用對話框模式，并口采用WDM驅動方式。軟件運行時直接打開驅動設備，同時使用AfxBeginThread()函數生成一個新線程，其控制線程函數實時更新讀取并顯示數據。由于單片機采用1O位A／D轉換器，所以一次轉換結果分兩次傳輸，分別為高位和低位傳輸。并口數據傳輸也采用8位方式。上位機在讀取數據后，2組數據經移位、加法運算后得出一個完整數據，標定后在計算機界面顯示。

5 結論
??? 實踐證明，該實時采集顯示系統完全滿足導引頭的檢測需求。采集電壓精度可達mV級，刷新率在1．56 k／s以上。該系統采用單片機和CPLD技術，電路設計結構簡單，實際應用可靠性高、通用性強、使用靈活，且采集通道具有擴展性。但在電路設計過程中應注意：由于系統既有模擬電路又有數字電路，所以合理布線對系統至關重要，應采取合理布線措施以保證基準地線的穩定性，從而提高采集精度。