基于80C196的脈沖信號采集卡的設計

在雷達、聲納及工業(yè)控制領域中的故障監(jiān)測系統(tǒng)中，往往需要采集雷達、聲納的回波信號或故障監(jiān)測系統(tǒng)中的故障信號。由于這些信號是隨機出現(xiàn)的，并且這些信號的幅度、脈寬及形狀相差較大。有些信號脈寬可能很窄，有的可能較寬，且占空比不均勻。若采用傳統(tǒng)的固定采樣速率采集方式則不能滿足實時處理要求。因為，對窄脈沖采樣，要求采樣速率很高，若采用連續(xù)采樣方法，則采集數(shù)據量太大，采集數(shù)據不能及時處理，不能滿足采集信號的實時分析或故障的實時處理的要求。為此研制一種隨機脈沖信號采集卡，其基本工作原理為：隨機脈沖信號出現(xiàn)時，高速采集電路工作，無脈沖信號時，高速采集電路停止工作。由于在上述方面應用中要求采集的隨機脈沖的平均占空比很小，因此采用該隨機脈沖信號采集卡采集的數(shù)據量不是很大，能夠對采集的數(shù)據進行實時處理和分析，并滿足上述領域的特殊需要。

　　1 隨機脈沖信號采集卡

　　隨機脈沖信號采集卡硬件組成框圖如圖1所示，它主要分為輸入輸出接口、幅度采集和控制、單片機運行和控制、主機接口控制、信號重放等5個模塊電路。

　　1)輸入接口電路 該模塊電路主要包括隨機信號輸入及處理、高速A／D采樣、GPS信號輸入及分頻，其他數(shù)字信號輸入等電路。

　　2)隨機脈沖處理電路 該模塊電路可對隨機脈沖進行放大和限幅，放大倍數(shù)不小于200倍，確保大于25 mV的隨機脈沖信號通過放大后其峰值電平接近5 V，達到TTL電平信號的要求。該信號作為采樣控制電路、脈寬測量32位時鐘電路及80C196單片機的HIS輸入電路的觸發(fā)脈沖信號，控制脈沖的采集和停止及脈寬測量電路的計數(shù)。

　　3)幅度采集和控制電路 該電路主要包括高速A／D采樣電路和采樣控制電路等。此外80C196內部也含一個信號幅度采集電路。

　　4)高速A／D采樣電路 該電路對隨機脈沖進行高速采樣，其采樣頻率由單片機設置。

　　5)GPS信號輸入及分頻電路 該電路是為系統(tǒng)提供標準時間，同時也給脈寬測量的32位時鐘提供一個整點的復位脈沖信號。

　　6)脈沖重放電路 該電路可將采集的脈沖信號數(shù)據再轉化為對應的脈沖信號輸出，用于顯示或聽音。

　　7)其他數(shù)字信號輸入電路 該電路包括主機給單片機提供的一些控制參數(shù)(如高速A／D的采樣率)和其他輸入的一些數(shù)字信號(如雷達脈沖的方位和載頻等數(shù)字信號)。

　　8)輸出接口電路 該電路主要包括大深度的FIFO電路及狀態(tài)鎖存電路等，用于采集卡與主機接口。

　　2 工作模式

　　隨機脈沖信號采集卡有2種工作模式：一種是采用單片機完成的單一脈沖幅度的測量模式：一種是對特殊脈沖波形測量使用的脈沖幅度高速采樣模式。第1種工作模式下，脈沖幅度的測量由80C196單片機內部的A／D轉換電路完成，每個脈沖僅采樣測量一次。脈沖寬度及脈沖到達時間等雖然可由80C196單片機的HIS(高速輸入通道)電路等測量，但因為其測量精度達不到要求，因此，外加了一個32位時間計數(shù)器及其相應的2套鎖存器等電路用于脈沖寬度及脈沖到達時間的測量。第2種工作模式下，脈沖幅度的測量由外加的高速A／D轉換電路完成．高速A／D采樣測量電路由每個脈沖的上升沿啟動，由脈沖的下降沿觸發(fā)一個延時電路。延時一段時間后由延時電路的下降沿停止高速A／D采樣測量電路。高速A／D采樣測量電路的采樣率可由主機根據需要設定，最高采樣速率可設定為20 MHz。脈寬及到達時間的測量與第1種工作模式相同。

　　3 系統(tǒng)硬件電路設計

　　該系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機主系統(tǒng)中的隨機脈沖放大及限幅電路、脈沖幅度、脈沖寬度測量電路、高速信號采集及存儲電路及由EPLD等構成的控制信號電路等。

　　3．1 隨機脈沖放大及限幅電路

　　隨機脈沖放大及限幅電路完成脈沖信號的放大、限幅及整形，以滿足TTL輸入端信號的要求。圖2為隨機脈沖放大及限幅電路，采用高速運算放大器OPA603，其特點是頻帶寬且轉換速率較高，適用于脈沖放大類電路。輸入的脈沖信號通過兩級放大及限幅后。輸出的脈沖信號送到80C196的高速輸入器件的輸入端。

　　圖3為脈沖幅度及寬度測量電路示意圖。單片機(80C196)內置的10位A／D轉換電路完成脈沖幅度的測量。由74LSl61構成的脈沖計數(shù)電路測量脈寬。主系統(tǒng)電路負責整個系統(tǒng)的控制、采樣頻率的設置及相關的數(shù)據處理及控制傳送等。其工作原理為：隨機脈沖信號(Vin)送入80C196的模擬信號輸入端ACH6，然后由80C196的內部的10位A／D轉換器進行采樣和轉換同時該隨機脈沖信號經放大、限幅并整形后的脈沖信號(Vout)送高速輸入器件的HSI0、HSIl端，作為脈沖前后沿的觸發(fā)事件，啟動中斷處理程序。HSI0輸入端作為脈沖信號的前沿(上升沿)事件觸發(fā)輸入端，用于讀出并記錄脈沖前沿到達的時刻及啟動A／D轉換器進行采樣和轉換；HSIl輸入端作為脈沖信號的后沿(下降沿)事件觸發(fā)輸入端，用于讀出并記錄脈沖后沿到達的時刻及讀取A／D轉換器的值。另外整形后的脈沖信號(Vout)有一路信號(CLKl)送到一組7415374(4片)的CLK端，用于鎖存74Lsl61計數(shù)器的計數(shù)值(即脈沖前沿到達的時刻)。通過反相器輸出的另一路信號(CLK2)送到另74LS374(4片)的CLK端，用于鎖存74LSl61計數(shù)器的計數(shù)值(即脈沖后沿到達的時刻)。脈沖信號的寬度即為2個計數(shù)值的差值。