PC104控制模塊和C8051F06x單片機實(shí)現AD檢測板

由PC104控制模塊和Cgnal C8051F06x單片機組成的控制檢測板可用于高端檢測設備中，充分利用PC104控制模塊和單片機豐富的軟硬件資源，可用于各種檢測應用中。

在開(kāi)發(fā)檢測設備的過(guò)程中，可采用核心板加底板的設計方法來(lái)降低技術(shù)難度，實(shí)現可編程、高性能、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、擴展性強的設計方案，并且稍加改動(dòng)就可以很容易地應用到其他領(lǐng)域。

核心板采用PC104控制模塊，利用其強大的處理能力來(lái)處理數據，如數據存儲、數據分析、數據評估，尤其是友好的GUI簡(jiǎn)化了用戶(hù)的使用難度。底板采用Cgnal8051F06x、雙口RAM和緩沖寄存器，利用C8051F06X單片機豐富的軟硬件資源來(lái)實(shí)現可編程，可設置的各種復雜功能。核心板與底板之間只有一個(gè)通信路徑PC104總線(xiàn)，可以分開(kāi)設計，分別實(shí)現，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)難度。

系統硬件結構及工作原理

• 系統結構及特點(diǎn)
  
  系統有核心板PC104控制模塊與底板Cgnal C8051F06x為核心的AD檢測板組成，兩板之間通過(guò)PC104總線(xiàn)相連，分別供電，任何一個(gè)電路板出現問(wèn)題都不會(huì )影響另一塊電路板的工作。
  
  系統硬件框圖如圖1所示，主要包括核心板、底板兩部分。核心板主要包括PC104模塊、液晶、觸摸屏、其他擴展模塊，以及電源和與底板相連的PC104總線(xiàn)。底板主要包括C8051F06X控制核心單元、數字電路、模擬電路、雙口RAM、緩沖寄存器和專(zhuān)用電源等。
  
  
  
  圖1 系統硬件原理框圖
  
  
  下面介紹系統工作原理。底板上電復位后讀出存儲在單片機內部閃存中的設置值，并按照設置值初始化相關(guān)的數字電路和模擬電路部分，然后將雙口RAM的控制權交給核心板。進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，不斷查詢(xún)雙口RAM的協(xié)議區和緩沖寄存器。按接收到的核心板的命令來(lái)執行，并將執行結果通過(guò)雙口RAM反饋給核心板，然后核心板再根據底板的反饋數據進(jìn)行相應的處理。上電后，核心板首先初始化相關(guān)硬件，如PC104控制模塊、液晶、觸摸屏和其他擴展模塊。啟動(dòng)完畢后開(kāi)始查詢(xún)底板的工作狀態(tài)，當底板準備好接收控制字時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)GUI程序，并將觸摸屏的輸入權交給用戶(hù)，此時(shí)用戶(hù)就可通過(guò)觸摸屏和液晶顯示的GUI界面來(lái)控制整個(gè)系統來(lái)完成相應的功能。
  
  控制核心PC104控制模塊具有豐富的軟硬件資源，包括專(zhuān)用的顯卡控制器、GUI軟件、多種操作系統的支持、多功能的電子盤(pán)存儲方案、鐵電存儲器或電池后備的512K SRAM存儲器、用于擴展外設的ISA總線(xiàn)接口、以太網(wǎng)控制器。在BIOS中集成的虛擬顯示技術(shù)可以使用戶(hù)在虛擬顯環(huán)境中進(jìn)行編程和調試，可以充分利用現有PC上大量的優(yōu)秀軟件作為開(kāi)發(fā)工具。
  
  顯示器采用TFT 640X480 6.3英寸256色的LCD。采用觸摸屏做為輸入設備，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現用觸摸屏的輸入，代替標準的鍵盤(pán)輸入和鼠標輸入，還可實(shí)現手寫(xiě)筆收入。系統還可以增加GPRS模塊、紅外模塊或其他無(wú)線(xiàn)通信模塊，提供無(wú)線(xiàn)通信功能。
  
  底板的控制核心是C8051F06X單片機，由單片機可以實(shí)現各種外設在CPU引腳上的配置，實(shí)現各種復雜的檢測模式，如采樣頻率、采樣長(cháng)度、采樣闞值電壓和采樣范圍均可設置，除此之外還要實(shí)現各種狀態(tài)的指示，以及其他外設的配置。
  
  為解決底板和核心板之間的通信問(wèn)題，在設計中采用雙口RAM加緩沖寄存器的解決方案。
  
• 底板實(shí)現
  
  因為要用于手持設備，所以在供電上使用12V的電池供電。為提高系統的穩定性，在電源模塊上使用3個(gè)DC/DC分別為底板、核心板和模擬電路供電，電路如圖2所示。
  
  
  
  圖2 底板電路電源部分原理圖
  
  
  POWER為電源的輸入端，即電池供電的輸入端。DC0核心板供電電路，主要向核心板提供電源。DC1為模擬電路供電電源。DC2為外接傳感器供電。L0為5V電源指示燈。
  
  底板電路模擬電路部分如圖3所示。
  
  
  
  圖3 模擬電路部分
  
  
  AIN為傳感器的接入插座。電阻R04和R08，R12和R10分別與LF357構成反向比例放大電路，將傳感器弱電信號放大到CPU可以處理的信號。R03和R11為此放大電路的匹配電阻，阻值的計算公式為R03=R04//R08，R11=R12//R10。C10和C13為隔直電容，C11和C14為濾波電容用來(lái)濾除信號中的噪聲。
  
  底板的核心部分電路如圖4所示。
  
  
  
  圖4 底板的核心電路
  
  
  U1底板的核心CPU C8051F06X為整個(gè)底板的核心，底板的所有操作均由其控制實(shí)現。U4為地址鎖存器373。U9為總線(xiàn)驅動(dòng)器，實(shí)現3.3V到5V的轉化。本部分電路均為3.3V器件。
  
  底板核心器件的供電電路及其他部分電路如圖5所示。
  
  
  
  圖5 底板核心器件的供電電路和其他電路
  
  
  U10為1117用來(lái)實(shí)現將5V輸入變成3.3V輸出。L3為工作狀態(tài)指示燈。FMQ1為蜂鳴器。C30～C36為去偶電容。R26、R27、C21和C22構成上電和按鍵復位電路。L1、L2為電源指示燈。JTAG則為JTAG調試端口。
  
  PC104總線(xiàn)電路原理圖如圖6所示。
  
  
  
  圖6 PC104總線(xiàn)的電路原理圖
  
  
  由于底板與核心板的連接方式是通過(guò)PC104總線(xiàn)相連，并且由于核心板是5V供電，而底板核心器件均是3.3V，所以在原理圖上U5、U7、U8、U11、U12都是將5V輸入轉化成3.3V輸出。

軟件設計

• 底板部分程序
  
  底板是本方案中檢測部分，所有與信號有關(guān)的檢測部分均在此板上實(shí)現。因此在底板程序設計上采用模塊化設計，所有模塊均可通過(guò)邏輯宏加載卸載。
  
  對不使用的功能可以使用#undef宏指令或用//將其注釋掉均可。采用這種編程的優(yōu)勢是，當系統增加功能時(shí)只需加載相應的模塊即可，對不需要的模塊可以將其關(guān)閉，即可節省閃存空間，又可加快執行效率。
  
• 核心板部分PC104控制模塊
  
  核心板是本方案設計中控制核心，AD檢測底板的所有功能均由其控制。在其上主要實(shí)現GUI界面，編程開(kāi)發(fā)環(huán)境可以使用VB、VC、BC、C++Builder。主要流程為AD板檢測、GUI界面設計和數據處理，等等。在本方案中使用Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)。
  
  設置選項主要管理與所有與系統有關(guān)的設置，例如AD采樣方式設置(差分、單端)、采樣頻率、采樣長(cháng)度、采樣闞值電壓、采樣窗口電壓、系統時(shí)鐘設置等等；文件管理主要管理存儲器如CF卡上的存儲空間，例如存儲空間有多大，占用了多少，還剩下多少，等等；顯示屬性則主要顯示整個(gè)系統的所有屬性設置值和出廠(chǎng)的默認值等；現場(chǎng)檢測是將現場(chǎng)檢測的數據用曲線(xiàn)的形式表現出來(lái)，并可存儲成圖形文件的形式為以后分析使用；數據分析則是將現場(chǎng)檢測的數據、曲線(xiàn)與理想狀態(tài)的數據、曲線(xiàn)進(jìn)行比較，并給出產(chǎn)生數據、曲線(xiàn)差異的可能原因和解決方法。

提高可靠性

為提高本系統的可靠性，除在硬件電路上加電源層、地面層、每個(gè)IC都加去藕電容外，在軟件設計上也采用了一些獨特的設計來(lái)增加系統的可靠性。

1. 在雙方的RAM通信協(xié)議上使用規范化的協(xié)議標準，包括數據塊頭、數據塊有效字節數、數據塊控制命令碼、數據塊命令碼模式、數據塊命令碼參數列表長(cháng)度、數據塊命令碼參數列表、數據塊數據長(cháng)度、數據塊數據和較驗數據。在不太復雜的應用中可以使用簡(jiǎn)化的形式，例如較驗數據可以使用奇較驗、偶較驗、和校驗和CRC校驗，在一般的應用中采用和校驗即可。
   
2. 存儲區分區管理。將通信使用的雙口RAM分為協(xié)議區和數據區，既增加了雙口RAM的使用效率又使軟件編程結構清晰，同時(shí)增加了系統操作的可靠性。
   
3. 軟件看門(mén)狗的使用。在核心板和底板都使用了各自的軟件看門(mén)狗，即分別保證核心板和底板的可靠性外，還使它們發(fā)生故障時(shí)相互的影響降到最低。

本設計方案具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，可用電池進(jìn)行供電，可以當作一個(gè)手持設備使用。