一種PC104溫度采集卡的設計

　摘要：介紹了一種用于12路通道溫度采集的PC104采集卡的設計。重點(diǎn)描述了實(shí)現通道校正、采集數據的控制器的設計過(guò)程。該控制器提供了一定的數據緩沖能力和多種參數的工作方式，使得PC104采集卡的功能比較強大和全面，并且非常靈活。其設計思路值得以后類(lèi)似的采集卡借鑒。實(shí)際運行結果表明，該采集卡的設計是成功的，并且工作可靠。
　　關(guān)鍵詞：溫度采集 AD7711 PC104 控制器 CPLD
　　PC104總線(xiàn)是一種出現已久的棧式總線(xiàn)，基本上屬于ISA總線(xiàn)的變型。模塊尺寸很?。?0mm×96mm），多個(gè)模塊通過(guò)針孔結構堆疊而成，形成的系統結構緊湊、抗沖擊性能好，加上現在廣泛應用的低功耗技術(shù)，使PC104總線(xiàn)特別適于用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)特殊應用產(chǎn)品。
　　對于低速率、高精度的測量系統而言，A/D芯片AD7711是個(gè)功能完事的模擬前端。它直接從傳感器接收信號，通過(guò)一個(gè)可編程的增益控制后將信號送到模擬調節器，再經(jīng)濾波后輸出一個(gè)16位的串行數字字。它的主要結構特點(diǎn)是：內部包含有一個(gè)∑-Δ A/D轉換器，具有非常高的轉換精度；兩個(gè)通道的可編程增益前端；帶內部SRAM的校正控制器，使得校正因子可讀可寫(xiě)；時(shí)鐘發(fā)生器；低通數字濾波器，具有可編程的通阻帶分截點(diǎn)；一個(gè)雙向串行通信端口，能較方便地與微處理器接口；可以單電壓或雙電壓供電，具有較低的功耗。
對于RTD（電阻式溫度檢測）傳感器的應用，AD7711是一款很不錯的選擇。本文介紹的PC104采集卡主要用于分布式溫度點(diǎn)采集測量，上面集成了12個(gè)AD7711，形成12個(gè)通道，每個(gè)通道可以輸入兩路模擬信號，其中一路為單極性輸入，另一路為雙極性輸入。

　　1 電路原理
　　PC104溫度采集卡主要由12個(gè)AD7711、通道控制器、PC104棧式連接器組成，其原理框圖如圖1所示。板卡地址輸入由撥盤(pán)開(kāi)關(guān)完成。串口E2PROM用來(lái)保存每個(gè)通道的校準參數和一些板卡工作參數。另外還提供了配置ROM EPC2。
　　通道控制器采用Altera公司的CPLD器件FLEX10K50QC240來(lái)實(shí)現。PC104主機首先初始化通道控制器，通過(guò)板卡命令對板卡進(jìn)行操作，如啟動(dòng)、停止、設置工作參數（如中斷選擇、每分鐘采校次數、輸出因子等）。然后通道控制器對各個(gè)AD7711通道進(jìn)行操作，如寫(xiě)AD7711的控制寄存器、讀寫(xiě)其校準寄存器里的校正因子、讀取每個(gè)通道的采樣數據。通道控制器的另一個(gè)功能是模擬PC104主機的指示對串口E2PROM進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并提供結果。
　　采樣頻率有1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz等，指定每個(gè)通道每分鐘等間隔采樣次數。板卡的控制器提供數據緩沖能力，每個(gè)采樣周期都將12個(gè)通道的數據保存在緩沖器里。在存儲了若干個(gè)采樣周期的數據后，向主機發(fā)出中斷，讓PC104總線(xiàn)讀走數據，輸出因子則指定每次中斷采樣周期的個(gè)數。板卡提供八個(gè)ISA中斷，主機可以選擇其中一個(gè)。
　　AD7711每次采樣16位數據，所以主機PC104總線(xiàn)從通道控制器讀取數據時(shí)，使用16位I/O訪(fǎng)問(wèn)，因此/IOCS16和SBHE信號應當被驅動(dòng)，而IOCHRDY則被用來(lái)插入等待周期。由于通道控制器和AD7711都采用10MHz時(shí)鐘，所以對于CPU主頻比較快的PC104總線(xiàn)，其ALE、/IOW、/IOR、AEN等信號的有效電平脈寬是與時(shí)鐘周期有關(guān)系的，此時(shí)它們的脈寬可能比板卡的時(shí)鐘周期100ns要小，故不能用它們直接作為時(shí)鐘使能，而應當利用它們的沿來(lái)鎖存地址，并觸發(fā)得到寬脈沖信號完成使能，鎖存數據。
　　AD7711采用自時(shí)鐘方式。SCLK提供串行時(shí)鐘輸出；SDATA是串行數據位；/DRDY的下降沿表明數據字準備好，當傳送完畢時(shí)恢復到高電平；/TFS、/RFS是發(fā)送和接收數據幀同步信號；A0是地址輸入，表明是對AD7711控制寄存器操作，還是對AD7711數據或校準寄存器操作。

2 通道控制器的設計
2．1 邏輯框圖
　　這里采用CPLD器件FLEX10K50QC240來(lái)實(shí)現通道控制器的所有邏輯。其內部邏輯原理框圖如圖2所示。主要的功能有：①包含有若干個(gè)控制或狀態(tài)寄存器，主要用來(lái)設置工作參數和對AD7711通道進(jìn)行控制；②對AD7711的數字界面提供接口；③提供足夠的數據緩沖能力；④具有可編程的采樣時(shí)鐘發(fā)生器；⑤具有內部RAM和控制讀取片外串口E2PROM的能力。
　　當主機的PC104總線(xiàn)地址被驅動(dòng)時(shí)，則在A(yíng)LE的下降沿鎖存地址。當選中板卡地址時(shí)（這里以0x280～0x28f為例），則利用/IOW的上升沿鎖存數據，并根據地址譯碼的不同，鎖存到不同的寄存器里。這里有四個(gè)控制寄存器，即通道操作寄存器（CtlReg,0x282）、板卡命令寄存器（CmdReg,0x286）、用于串口E2PROM和內部RAM的存儲器操作控制寄存器（EepReg，其中包括用于控制的16位寄存器0x288和數據寄存器0x289）及參數寄存器（ParaReg,0x280）。由于通道操作寄存器是32位，主機對同一個(gè)口地址（如0x282）連續進(jìn)行兩個(gè)16位寫(xiě)操作，因此利用兩個(gè)連續的/IOW寫(xiě)數據。通道操作寄存器低24位是寫(xiě)入AD7711的數據，即24位控制字或校準數據。高8位的含義如下：
R/W F1 F0 CH CH3 CH2 CH1 CH0

R/W：0表示寫(xiě)，1表示讀。
　　F1，F0：00表示對AD7711控制寄存器操作，11表示對AD7711校準寄存器操作，01則是讀取數據。
CHCH3CH3CH1CH0：1xxxx表示全通道操作，0xxxx表示某單通道操作。