基于单片机和CPLD实时数据采集显示系统设计

基于单片机和CPLD实时数据采集显示系统设计

1 引言
    数据采集是分析模拟信号量数据的有效方法。而实时显示数据是自动化检测系统的现实需求。在测试空空导弹导引头的过程中，导引头的响应信号包括内部二次电源信号和模拟量电压信号。检测过程中要求检测系统实时显示导引头的工作状态，显示二次电源和模拟量响应电压信号，判断导引头性能，同时保证在非常情况下人为对导引头做出应急处理，保护导引头。对于模拟量电压信号，通常采用模数转换、事后数据标定的方法实现。根据现实需求，研制相应检测系统可作为导引头日常维护和修理的重要工具。这里介绍一种基于单片机和CPLD的实时数据采集显示系统设计方案。

2 系统构成
    该系统中待采集显示电压信号共16路，动态电压范围为－22~+27 V。由于这些电压信号变化频率较低，或者认为频率无变化，且检测系统只关心其电压值，所以在低采样率下就可满足系统要求。根据需求，系统设计的采样率即显示刷新速率在1．56 k／s以上。
    采用单片机80C196KB和可编程逻辑器件EPM7128SLC为核心控制器，以80C196KB内部集成A/D转换器作为模数转换器实现16路电压信号的实时数据采集、显示、控制。该系统总体设计结构框图如图1所示。

    整个系统主要由信号预处理、信号选通、单片机采集、双机数据传输以及数据处理显示等模块构成。其中，信号选通模块由CPLD和多路模拟选择器组成。

3 系统硬件威廉希尔官方网站 设计
3．1 信号预处理威廉希尔官方网站
    由于待采集电压信号输入动态范围较宽，且极性各异，对于单片机A／D转换器来说，需要调理到能够采集的电压范围闱0~5 V，所以要统一调理采集信号，如图2所示。

    图2中运放LM224和MC1556均采用双电压供电，以提高动态信号输入范围；电阻均采用精度为0．1％的精密型金属膜电阻，以提高电压转换精度。
    在二级电压凋理过程中，MC1556同相输人端采用稳压威廉希尔官方网站 以减少长时间通电情况下温度升高对系统产生的不良影响。南于电压跟随器具有输入阻抗大和输出驱动能力强的特点，故在预处理威廉希尔官方网站 的输入端和输出端均采用电压跟随威廉希尔官方网站 。
3．2 信号选通威廉希尔官方网站
    ADG508A是一款8通道CMOS模拟多路选择器，具有高速转换速度和低内阻特性，通道切换具有防短路功能。在CPLD控制下，它可对采集信号进行有序通道切换，配合单片机进行数据采集。
    EPM7128SLC是一款Ahera公司生产的CPLD，其容量为128个宏单元，采用硬件描述语言VHDL对CPLD编程设置实现信号的选通控制。首先编写分频器模块对1 MHz晶体振荡器进行20分频，输出2路相位相错、周期为20 μs的矩形同步信号。其中一路信号经D触发器进行2分频，得到占空比50％、周期为40μs的方波信号；然后编写信号选通控制模块。此模块根据方波信号和另一路同步信号循环输出控制信号，两模块都在MuxPlus-II环境下开发，CPLD控制信号时序仿真结果如图3所示，其中，信号FRM和ROAD是单片机主程序运行的勤务信号；CS1和CS2是2片ADG508A的片选信号：A0、A1和A2则是ADG508A通道选通控制信号。
3．3 单片机采集威廉希尔官方网站
    80C196KB是Intel公司生产的一款16位CMOS单片机，片内集成有8路A／D转换器，该转换器包括一个8通道多路模拟开关，采样保持威廉希尔官方网站 和10位A／D转换器。由于该系统外部有多路选择器，故内部无需通道转换，采用一个ACH0通道即可完成数据采集。对于采用12 MHz晶振的单片机系统，完成一次A／D转换需22μs。80C196KB的A／D转换器采用逐次逼近的方法完成模拟量到数字量的转换，基准电压设定非常关键，内部阻容网络将基准电压Vref等分为1 024个阶梯，每级为Vref／1 024 V。通过与基准电压比较，可得到10位数据转换结果，其中基准电压的精度以及稳定度直接影响到测量结果的绝对精度。因此在威廉希尔官方网站 中Vref采用单独电源供电并通过基准稳压源如LM136的5 V提高精度及稳定度。
    80C196KB通过判断ROAD信号在其上升沿读取上次A／D转换结果，同时启动A／D转换器转换下一路信号，该单片机用FRM信号作为非屏蔽中断使计数器DXL归零，主程序循环一次，保证对16路通道信号的时分复用采集。单片机80C196KB程序流程如图4所示。

3．4 双机数据传输
    为达到采集数据的实时可控性，系统设计双机通信接口作为单片机A／D转换数据向计算机传输的通道。计算机采用WDM下的EPP模式通信，速度达500 KB／s～2 MB／s。使用双端口RAM IDT7130作为主要元件，通过通信接口，单片机将A／D转换数据存入双端口RAM中，计算机则实时显示从双端口RAM中读取的数据。单片机通过双端口RAM IDT7130的A端口进行写操作，计算机则通过B端口进行读操作。握手信号由单片机通过对ROAD信号计数产生，二者可异步读写操作，实现数据交换。图5为单片机与计算机接口威廉希尔官方网站 。

4 系统软件设计
4．1 数据标定
    在给定Vref=5 V，设单片机采集端口输入电压为Vin与之相对应的A／D转换数字量为X，则X=1 024 Vin/5V。对于线性变换预处理威廉希尔官方网站 可采用Y=5KX／1 024，其中，Y表示电压实测值，X表示与Y对应的A／D转换值，K为放大器增益。令K=Ymax/5 V，其中Ymax表示待测量电压的最大值。为保证采集精度，应先计算Ymax，以保持足够的A／D转换有效数字。以待采集电压0~27 V为例，预处理威廉希尔官方网站 增益为27／5=5．4。
4．2 实时显示
    读数及显示软件在VC++6．0环境下编写，使用对话框模式，并口采用WDM驱动方式。软件运行时直接打开驱动设备，同时使用AfxBeginThread()函数生成一个新线程，其控制线程函数实时更新读取并显示数据。由于单片机采用1O位A／D转换器，所以一次转换结果分两次传输，分别为高位和低位传输。并口数据传输也采用8位方式。上位机在读取数据后，2组数据经移位、加法运算后得出一个完整数据，标定后在计算机界面显示。

5 结论
    实践证明，该实时采集显示系统完全满足导引头的检测需求。采集电压精度可达mV级，刷新率在1．56 k／s以上。该系统采用单片机和CPLD技术，威廉希尔官方网站 设计结构简单，实际应用可靠性高、通用性强、使用灵活，且采集通道具有扩展性。但在威廉希尔官方网站 设计过程中应注意：由于系统既有模拟威廉希尔官方网站 又有数字威廉希尔官方网站 ，所以合理布线对系统至关重要，应采取合理布线措施以保证基准地线的稳定性，从而提高采集精度。