便攜式數(shù)據(jù)采集分析儀的研制
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時(shí)間：2012-11-07
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(4) A/D 程控濾波、程控放大功能
根據(jù)不同的采樣頻率，對(duì)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(hào)輸出范圍不一樣，為保證A/D 轉(zhuǎn)換精度必須對(duì)輸出范圍小的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，具體倍數(shù)可由程序控制。
(5) 差分應(yīng)變放大器選擇功能
對(duì)于壓力溫度或磁電式傳感器需要應(yīng)變放大，我們?cè)O(shè)計(jì)了五路應(yīng)變放大器，這樣省掉了外加應(yīng)變放大器，為試驗(yàn)帶來(lái)方便，可用程序控制硬件電路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)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(yàn)要求數(shù)據(jù)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(tǒng)自檢功能
在系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)2.5V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)參考源和一個(gè)100HZ 標(biāo)準(zhǔn)脈沖方波，可以通過(guò)外部端子線輸入相應(yīng)的模擬或脈沖通道，這樣可不用外加標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，或?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)采集功能進(jìn)行檢測(cè)，可以查出某一個(gè)模擬或數(shù)字輸入通道是否有故障。
(8) 信號(hào)示波器跟隨監(jiān)視功能
可對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器信號(hào)輸入情況及量程合適與否，減少試驗(yàn)的重復(fù)性，顯著提高試驗(yàn)效率。
比如說(shuō)有一速度信號(hào)，插頭接觸不良或連線斷了，從前只能是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理之后，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)或結(jié)果曲線才能發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)必須從頭做，這不僅浪費(fèi)了時(shí)間而且也提高了試驗(yàn)成本。
(9) 單一工作電源，反向保護(hù)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(guó)外最新研發(fā)的逆變器電源DC1550，它體積小、功率大，實(shí)現(xiàn)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(dá)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(jí)管實(shí)現(xiàn)反相接入保護(hù)功能。
3.2 系統(tǒng)研發(fā)路線及總體方案確定
為了達(dá)到系統(tǒng)滿(mǎn)足上述新型數(shù)據(jù)采集分析儀的研發(fā)目標(biāo)，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(tǒng)研發(fā)路線及總體方案：
3.2.1 采用商用筆記本電腦作數(shù)據(jù)采集儀主控計(jì)算機(jī)
車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主控機(jī)的只能用便攜式計(jì)算機(jī)，共有兩種兩種可供選擇：一種是工業(yè)級(jí)便攜式計(jì)算機(jī)，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(jí)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(yàn)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(tái)灣產(chǎn)WINBOOK380 微型筆記本電腦，它具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，抗振動(dòng)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
3.2.2 開(kāi)發(fā)打印機(jī)并行口總線數(shù)據(jù)采集接口板
我們這次迫切開(kāi)發(fā)新型系統(tǒng)采集儀，就是因?yàn)樵瓉?lái)那種ISA 擴(kuò)展總線的筆記本電腦已經(jīng)淘汰了。當(dāng)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)迫切許多單位等著使用，由于USB 接口協(xié)議非常復(fù)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(qū)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(diào)試，工作量至少得需要二人年；另一方面需要購(gòu)置USB接口板，由于兩年前USB接口開(kāi)發(fā)資料非常少當(dāng)時(shí)自行開(kāi)發(fā)不了。盡管市場(chǎng)上有了一些現(xiàn)成的USB接口采集板，但象有24 路模擬通道、帶有應(yīng)便放大采樣保持，5 路16 計(jì)數(shù)器、內(nèi)/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(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀冇昧可俣辉父桑蛟敢飧梢獌r(jià)也太高，我們難以接受，而且這些板對(duì)于我們使用、維護(hù)都不方便。所以我們決定采用EPP 打印機(jī)并行口，它具有8 位雙向數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)并行通訊功能。一般來(lái)說(shuō)它是做兩個(gè)設(shè)備之間的高速雙向通訊接口，但通過(guò)對(duì)該接口功能及時(shí)序分析，我們認(rèn)為經(jīng)過(guò)一定的改造和特殊設(shè)計(jì)，完全可以變成一個(gè)類(lèi)似ISA 總線的接口，所以決定開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)打印機(jī)并行口總線數(shù)據(jù)采集接口板。
3.2.3 信號(hào)輸入通道及穩(wěn)壓/逆變電源的集成面板總成設(shè)計(jì)
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(wěn)壓電源和數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展板都是單獨(dú)模塊，把他們裝到機(jī)箱里會(huì)導(dǎo)致散熱不好，而且連線多而亂，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(jié)構(gòu)性緊湊優(yōu)化設(shè)計(jì)和安裝。將整個(gè)儀器所用全部輸入信號(hào)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(hù)和拆裝帶來(lái)方便，而且散熱良好，提高了系統(tǒng)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(qū)動(dòng)程序和試驗(yàn)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(zhǎng)；最重要的是由于WINDOWS 是多任務(wù)系統(tǒng)，直接控制EPP 接口最高采樣頻率只能達(dá)到2K，若設(shè)計(jì)帶有大緩存的數(shù)據(jù)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(yàn)要求。
由于更換了總線，系統(tǒng)采集程序需要全部重新編制，對(duì)以往的數(shù)據(jù)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(tǒng)研發(fā)方案實(shí)施的技術(shù)關(guān)鍵
4.1 EPP 打印機(jī)并行接口的工作時(shí)序研究
無(wú)論是臺(tái)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(jī)設(shè)計(jì)的，數(shù)據(jù)只能單向傳輸，且速度非常慢，只能達(dá)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(jī)并行口數(shù)據(jù)傳輸能力，使打印機(jī)打印速度明顯提高；同時(shí)EPP 并行接口可作兩個(gè)設(shè)備的高速通訊接口，如并口光驅(qū)、軟驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)控制等信號(hào)外，最大的不同是將原來(lái)8 位數(shù)據(jù)線由原來(lái)的單向變成了雙向；而且增加了主機(jī)向外圍設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)的控制信號(hào)以及外設(shè)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的中斷請(qǐng)求信號(hào)。
4.2 并行接口的“總線化”電路設(shè)計(jì)
通過(guò)上述分析， EPP 口可以實(shí)現(xiàn)雙向高速并行通訊，但這是兩個(gè)獨(dú)立的智能設(shè)備之間的通訊，如兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與另一個(gè)智能單片機(jī)控制的設(shè)備之間的通訊。如計(jì)算機(jī)控制打印機(jī)，打印機(jī)本身內(nèi)部就有一個(gè)嵌入式單片機(jī)，象PC 機(jī)讀取光驅(qū)數(shù)據(jù)都是通過(guò)并口控制光驅(qū)內(nèi)單片機(jī)完成的。因?yàn)樗鼪](méi)有地址信號(hào)，從而不能產(chǎn)生多個(gè)片選信號(hào)，從而只能帶一個(gè)非智能擴(kuò)展接口。而我們開(kāi)發(fā)的A/D 數(shù)據(jù)采集板，不僅有A/D 轉(zhuǎn)換器，還有多片定時(shí)計(jì)數(shù)器及多片 IO 接口，那么就得需要多個(gè)片選信號(hào)。而EPP 并行口只有8 位數(shù)據(jù)信號(hào)，沒(méi)有地址信號(hào)就不能產(chǎn)生片選信號(hào)，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(jī)來(lái)控制這些芯片，才能滿(mǎn)足系統(tǒng)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(shù)據(jù)/地址復(fù)用電路”，成功地實(shí)現(xiàn)了并行接口的“總線化”，解決了EPP 并行口沒(méi)有地址信號(hào)而不能擴(kuò)展多個(gè)接口芯片的難題。
4.3 解決信號(hào)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(shù)目，提高A/D 轉(zhuǎn)換效率，我們采用了一個(gè)計(jì)數(shù)器與比較器硬件電路，實(shí)現(xiàn)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(jī)可對(duì)比較器一個(gè)輸入端設(shè)定通道個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出端同模擬開(kāi)關(guān)和比較器的另一輸入端相連，轉(zhuǎn)換完成信號(hào)與計(jì)數(shù)器觸發(fā)脈沖端相連，當(dāng)計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)器設(shè)定值相等時(shí)，比較器將計(jì)數(shù)器清0，使系統(tǒng)自動(dòng)按通道號(hào)由小至大順序依次往復(fù)轉(zhuǎn)換。同理在轉(zhuǎn)換零通道號(hào)時(shí)，各通道開(kāi)始執(zhí)行保持功能。
4.4 解決程控計(jì)數(shù)器在線飛讀高低位互置問(wèn)題
一般擴(kuò)展板使用的計(jì)數(shù)器采用的都是價(jià)格便宜、便于擴(kuò)展的常用芯片8253。它是一個(gè)16 位計(jì)數(shù)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(qū)別。一般是在計(jì)數(shù)器停止時(shí)讀取它的數(shù)據(jù)是非常準(zhǔn)確的，但是我們讀取速度等計(jì)數(shù)值時(shí)芯片始終處理計(jì)數(shù)工作狀態(tài)，也就是所謂的“飛讀”。
這樣實(shí)際讀取的結(jié)果容易產(chǎn)生高位低位互換情況，造成整個(gè)計(jì)數(shù)值錯(cuò)誤。國(guó)外設(shè)備一個(gè)16 位計(jì)數(shù)器是采用一個(gè)單片機(jī)完成的，這樣要增加了成本和復(fù)雜度。我們經(jīng)過(guò)反復(fù)探索和試驗(yàn)，最后設(shè)計(jì)了采用初始化“零復(fù)位”原理，采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)方式組成一個(gè)16 位計(jì)數(shù)器，成功地解決了高低位互換問(wèn)題。
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