便攜式數據采集分析儀的研制
加入技術(shù)交流群
(4) A/D 程控濾波、程控放大功能
根據不同的采樣頻率，對一些高頻噪聲進(jìn)行低通濾波，濾波截止頻率可由程序控制選擇；不同傳感器信號輸出范圍不一樣，為保證A/D 轉換精度必須對輸出范圍小的模擬信號進(jìn)行放大，具體倍數可由程序控制。
(5) 差分應變放大器選擇功能
對于壓力溫度或磁電式傳感器需要應變放大，我們設計了五路應變放大器，這樣省掉了外加應變放大器，為試驗帶來(lái)方便，可用程序控制硬件電路自動(dòng)實(shí)現是否放大選擇。
(6) A/D 輸入通道同步采樣/保持的選擇功能
許多道路試驗要求數據采集過(guò)程中各通道采樣點(diǎn)相位一致，所以要求A/D 各通道具備采樣/保持性能。是否使用采樣/保持可由程序控制選擇。
(7) 系統自檢功能
在系統中，我們設計了一個(gè)2.5V 標準信號參考源和一個(gè)100HZ 標準脈沖方波，可以通過(guò)外部端子線(xiàn)輸入相應的模擬或脈沖通道，這樣可不用外加標準信號源即可對系統進(jìn)行標定，或對整個(gè)系統采集功能進(jìn)行檢測，可以查出某一個(gè)模擬或數字輸入通道是否有故障。
(8) 信號示波器跟隨監視功能
可對采集的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示，可及時(shí)發(fā)現傳感器信號輸入情況及量程合適與否，減少試驗的重復性，顯著(zhù)提高試驗效率。
比如說(shuō)有一速度信號，插頭接觸不良或連線(xiàn)斷了，從前只能是經(jīng)過(guò)數據分析處理之后，通過(guò)讀取數據或結果曲線(xiàn)才能發(fā)現，試驗必須從頭做，這不僅浪費了時(shí)間而且也提高了試驗成本。
(9) 單一工作電源，反向保護功能
筆記本電腦工作電源是+15V，那么外部輸入就需要+24 V，以往用的是由兩個(gè)12V 電瓶串起來(lái)組合電瓶，如果只使用一個(gè)+12V 電瓶供電，那么就得外加一個(gè)逆變電源給筆記本供電，但市售逆變電源體積和重量都非常大，這兩種方式都非常麻煩。這次開(kāi)發(fā)使用了一個(gè)國外最新研發(fā)的逆變器電源DC1550，它體積小、功率大，實(shí)現了整個(gè)采集儀共用一個(gè)+12V 電瓶即可工作的目的。由于該逆變電源價(jià)格昂貴達四千余元，電源極性不能接反，否則會(huì )立即燒毀。我們加了一個(gè)大功率二級管實(shí)現反相接入保護功能。
3.2 系統研發(fā)路線(xiàn)及總體方案確定
為了達到系統滿(mǎn)足上述新型數據采集分析儀的研發(fā)目標，并滿(mǎn)足上述采集儀具體性能的要求，我們制定了如下系統研發(fā)路線(xiàn)及總體方案：
3.2.1 采用商用筆記本電腦作數據采集儀主控計算機
車(chē)載數據采集系統中的主控機的只能用便攜式計算機，共有兩種兩種可供選擇：一種是工業(yè)級便攜式計算機，不僅價(jià)格昂貴而且非常笨重，可靠性高一些是唯一的優(yōu)點(diǎn)。另一種是我們常用的商用筆記本電腦，價(jià)格是工業(yè)級筆記本電腦的1/3，而且輕巧、攜帶移動(dòng)非常方便，只是在車(chē)上使用可靠性差一點(diǎn)，但廣大試驗人員喜歡用這種，所以以往并非完全考慮價(jià)格問(wèn)題，采用的都是這種性能價(jià)格比較高的商業(yè)筆記本電腦，所以我們這次采用臺灣產(chǎn)WINBOOK380 微型筆記本電腦，它具有體積小，結構緊湊，可靠性高，抗振動(dòng)，抗干擾能力強等特點(diǎn)。
3.2.2 開(kāi)發(fā)打印機并行口總線(xiàn)數據采集接口板
我們這次迫切開(kāi)發(fā)新型系統采集儀，就是因為原來(lái)那種ISA 擴展總線(xiàn)的筆記本電腦已經(jīng)淘汰了。當今流行的筆記本電腦只有串口、并口和USB 接口。串口只是一個(gè)通訊接口，USB 是一種流行接口，但這次開(kāi)發(fā)我們沒(méi)有采用，主要是兩個(gè)原因：一是開(kāi)發(fā)任務(wù)迫切許多單位等著(zhù)使用，由于USB 接口協(xié)議非常復雜幾乎不能在DOS 環(huán)境下使用，這樣必須得在WINDOWS 環(huán)境下編制驅動(dòng)程序，而原有的分析處理軟件也必須得在WINDOWS 環(huán)境下全部重新編制調試，工作量至少得需要二人年；另一方面需要購置USB接口板，由于兩年前USB接口開(kāi)發(fā)資料非常少當時(shí)自行開(kāi)發(fā)不了。盡管市場(chǎng)上有了一些現成的USB接口采集板，但象有24 路模擬通道、帶有應便放大采樣保持，5 路16 計數器、內/外部時(shí)鐘觸發(fā)的USB 接口采集板是根本沒(méi)有的。如果外委專(zhuān)業(yè)公司設計，因為我們用量少而不愿干，或愿意干要價(jià)也太高，我們難以接受，而且這些板對于我們使用、維護都不方便。所以我們決定采用EPP 打印機并行口，它具有8 位雙向數據實(shí)現并行通訊功能。一般來(lái)說(shuō)它是做兩個(gè)設備之間的高速雙向通訊接口，但通過(guò)對該接口功能及時(shí)序分析，我們認為經(jīng)過(guò)一定的改造和特殊設計，完全可以變成一個(gè)類(lèi)似ISA 總線(xiàn)的接口，所以決定開(kāi)發(fā)設計打印機并行口總線(xiàn)數據采集接口板。
3.2.3 信號輸入通道及穩壓/逆變電源的集成面板總成設計
以往開(kāi)發(fā)的采集儀所用的筆記本逆變電源、采集板用的穩壓電源和數據采集擴展板都是單獨模塊，把他們裝到機箱里會(huì )導致散熱不好，而且連線(xiàn)多而亂，拆裝非常不方便。我們決定充分利用儀器面板正反兩面，進(jìn)行結構性緊湊優(yōu)化設計和安裝。將整個(gè)儀器所用全部輸入信號端子插座、電源模塊和采集接口板都裝到面板上，不僅為維護和拆裝帶來(lái)方便，而且散熱良好，提高了系統可靠性。
3.2.4 采集、分析處理程序及仿WINDOWS 界面的集成界面的DOS 環(huán)境開(kāi)發(fā)
如果使用WINDOWS 環(huán)境，就得需要全部編制驅動(dòng)程序和試驗采集和分析處理程序。前面也講過(guò)利用WINDOWS 環(huán)境開(kāi)發(fā)程序得需2 人年，時(shí)間太長(cháng)；最重要的是由于WINDOWS 是多任務(wù)系統，直接控制EPP 接口最高采樣頻率只能達到2K，若設計帶有大緩存的數據采集板，這又要增加了開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本。為了保證研發(fā)進(jìn)度我們決定還是采用DOS 環(huán)境，由于DOS 所需資源少，硬件控制速度完全能夠滿(mǎn)足試驗要求。
由于更換了總線(xiàn)，系統采集程序需要全部重新編制，對以往的數據采集分析處理程序進(jìn)行了優(yōu)化移植，并利用一些特殊的軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)了一些新的功能模塊。為了與WINDOWS 接軌，又開(kāi)發(fā)了完全可以以假亂真的、用戶(hù)非常滿(mǎn)意的仿WINDOWS 界面，為用戶(hù)操作帶來(lái)方便。
4 系統研發(fā)方案實(shí)施的技術(shù)關(guān)鍵
4.1 EPP 打印機并行接口的工作時(shí)序研究
無(wú)論是臺式還是筆記本電腦，最初的25 個(gè)插針的并行口都是為打印機設計的，數據只能單向傳輸，且速度非常慢，只能達到200K。1997 年INTEL 公司發(fā)起制定了EPP 并行接口協(xié)議，極大地提高了PC 機并行口數據傳輸能力，使打印機打印速度明顯提高；同時(shí)EPP 并行接口可作兩個(gè)設備的高速通訊接口，如并口光驅、軟驅等。通過(guò)資料分析研究明，EPP 協(xié)議除了保留了原來(lái)的SPP 標準控制等信號外，最大的不同是將原來(lái)8 位數據線(xiàn)由原來(lái)的單向變成了雙向；而且增加了主機向外圍設備發(fā)出數據的控制信號以及外設向主機發(fā)送數據的中斷請求信號。
4.2 并行接口的“總線(xiàn)化”電路設計
通過(guò)上述分析， EPP 口可以實(shí)現雙向高速并行通訊，但這是兩個(gè)獨立的智能設備之間的通訊，如兩臺計算機之間或計算機與另一個(gè)智能單片機控制的設備之間的通訊。如計算機控制打印機，打印機本身內部就有一個(gè)嵌入式單片機，象PC 機讀取光驅數據都是通過(guò)并口控制光驅內單片機完成的。因為它沒(méi)有地址信號，從而不能產(chǎn)生多個(gè)片選信號，從而只能帶一個(gè)非智能擴展接口。而我們開(kāi)發(fā)的A/D 數據采集板，不僅有A/D 轉換器，還有多片定時(shí)計數器及多片 IO 接口，那么就得需要多個(gè)片選信號。而EPP 并行口只有8 位數據信號，沒(méi)有地址信號就不能產(chǎn)生片選信號，這樣EPP 并行口根本不能直接與采集板的各種接口芯片相聯(lián)。按正常邏輯和方法就得用一個(gè)高性能的單片機來(lái)控制這些芯片，才能滿(mǎn)足系統最高200K采集頻率的需要。我們歷經(jīng)三次修改方案，創(chuàng )造性地開(kāi)發(fā)了“EPP并行口數據/地址復用電路”，成功地實(shí)現了并行接口的“總線(xiàn)化”，解決了EPP 并行口沒(méi)有地址信號而不能擴展多個(gè)接口芯片的難題。
4.3 解決信號輸入通道模擬開(kāi)關(guān)及及同步采樣/保持器的自動(dòng)控制問(wèn)題
為了簡(jiǎn)化程序控制指令數目，提高A/D 轉換效率，我們采用了一個(gè)計數器與比較器硬件電路，實(shí)現了模擬開(kāi)關(guān)及及同步采樣/保持器的自動(dòng)控制功能。主機可對比較器一個(gè)輸入端設定通道個(gè)數，計數器輸出端同模擬開(kāi)關(guān)和比較器的另一輸入端相連，轉換完成信號與計數器觸發(fā)脈沖端相連，當計數值與計數器設定值相等時(shí)，比較器將計數器清0，使系統自動(dòng)按通道號由小至大順序依次往復轉換。同理在轉換零通道號時(shí)，各通道開(kāi)始執行保持功能。
4.4 解決程控計數器在線(xiàn)飛讀高低位互置問(wèn)題
一般擴展板使用的計數器采用的都是價(jià)格便宜、便于擴展的常用芯片8253。它是一個(gè)16 位計數器，但由于它的高8 位和低8 位共用一個(gè)地址，只是用讀寫(xiě)先后順序來(lái)區別。一般是在計數器停止時(shí)讀取它的數據是非常準確的，但是我們讀取速度等計數值時(shí)芯片始終處理計數工作狀態(tài)，也就是所謂的“飛讀”。
這樣實(shí)際讀取的結果容易產(chǎn)生高位低位互換情況，造成整個(gè)計數值錯誤。國外設備一個(gè)16 位計數器是采用一個(gè)單片機完成的，這樣要增加了成本和復雜度。我們經(jīng)過(guò)反復探索和試驗，最后設計了采用初始化“零復位”原理，采用兩個(gè)計數器級聯(lián)方式組成一個(gè)16 位計數器，成功地解決了高低位互換問(wèn)題。
評論