一種PC104溫度采集卡的設(shè)計

　摘要：介紹了一種用于12路通道溫度采集的PC104采集卡的設(shè)計。重點描述了實現(xiàn)通道校正、采集數(shù)據(jù)的控制器的設(shè)計過程。該控制器提供了一定的數(shù)據(jù)緩沖能力和多種參數(shù)的工作方式，使得PC104采集卡的功能比較強大和全面，并且非常靈活。其設(shè)計思路值得以后類似的采集卡借鑒。實際運行結(jié)果表明，該采集卡的設(shè)計是成功的，并且工作可靠。
　　關(guān)鍵詞：溫度采集 AD7711 PC104 控制器 CPLD
　　PC104總線是一種出現(xiàn)已久的棧式總線，基本上屬于ISA總線的變型。模塊尺寸很小（90mm×96mm），多個模塊通過針孔結(jié)構(gòu)堆疊而成，形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊性能好，加上現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的低功耗技術(shù)，使PC104總線特別適于用戶自行開發(fā)特殊應(yīng)用產(chǎn)品。
　　對于低速率、高精度的測量系統(tǒng)而言，A/D芯片AD7711是個功能完事的模擬前端。它直接從傳感器接收信號，通過一個可編程的增益控制后將信號送到模擬調(diào)節(jié)器，再經(jīng)濾波后輸出一個16位的串行數(shù)字字。它的主要結(jié)構(gòu)特點是：內(nèi)部包含有一個∑-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，具有非常高的轉(zhuǎn)換精度；兩個通道的可編程增益前端；帶內(nèi)部SRAM的校正控制器，使得校正因子可讀可寫；時鐘發(fā)生器；低通數(shù)字濾波器，具有可編程的通阻帶分截點；一個雙向串行通信端口，能較方便地與微處理器接口；可以單電壓或雙電壓供電，具有較低的功耗。
對于RTD（電阻式溫度檢測）傳感器的應(yīng)用，AD7711是一款很不錯的選擇。本文介紹的PC104采集卡主要用于分布式溫度點采集測量，上面集成了12個AD7711，形成12個通道，每個通道可以輸入兩路模擬信號，其中一路為單極性輸入，另一路為雙極性輸入。

　　1 電路原理
　　PC104溫度采集卡主要由12個AD7711、通道控制器、PC104棧式連接器組成，其原理框圖如圖1所示。板卡地址輸入由撥盤開關(guān)完成。串口E2PROM用來保存每個通道的校準參數(shù)和一些板卡工作參數(shù)。另外還提供了配置ROM EPC2。
　　通道控制器采用Altera公司的CPLD器件FLEX10K50QC240來實現(xiàn)。PC104主機首先初始化通道控制器，通過板卡命令對板卡進行操作，如啟動、停止、設(shè)置工作參數(shù)（如中斷選擇、每分鐘采校次數(shù)、輸出因子等）。然后通道控制器對各個AD7711通道進行操作，如寫AD7711的控制寄存器、讀寫其校準寄存器里的校正因子、讀取每個通道的采樣數(shù)據(jù)。通道控制器的另一個功能是模擬PC104主機的指示對串口E2PROM進行讀寫操作，并提供結(jié)果。
　　采樣頻率有1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz等，指定每個通道每分鐘等間隔采樣次數(shù)。板卡的控制器提供數(shù)據(jù)緩沖能力，每個采樣周期都將12個通道的數(shù)據(jù)保存在緩沖器里。在存儲了若干個采樣周期的數(shù)據(jù)后，向主機發(fā)出中斷，讓PC104總線讀走數(shù)據(jù)，輸出因子則指定每次中斷采樣周期的個數(shù)。板卡提供八個ISA中斷，主機可以選擇其中一個。
　　AD7711每次采樣16位數(shù)據(jù)，所以主機PC104總線從通道控制器讀取數(shù)據(jù)時，使用16位I/O訪問，因此/IOCS16和SBHE信號應(yīng)當被驅(qū)動，而IOCHRDY則被用來插入等待周期。由于通道控制器和AD7711都采用10MHz時鐘，所以對于CPU主頻比較快的PC104總線，其ALE、/IOW、/IOR、AEN等信號的有效電平脈寬是與時鐘周期有關(guān)系的，此時它們的脈寬可能比板卡的時鐘周期100ns要小，故不能用它們直接作為時鐘使能，而應(yīng)當利用它們的沿來鎖存地址，并觸發(fā)得到寬脈沖信號完成使能，鎖存數(shù)據(jù)。
　　AD7711采用自時鐘方式。SCLK提供串行時鐘輸出；SDATA是串行數(shù)據(jù)位；/DRDY的下降沿表明數(shù)據(jù)字準備好，當傳送完畢時恢復(fù)到高電平；/TFS、/RFS是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀同步信號；A0是地址輸入，表明是對AD7711控制寄存器操作，還是對AD7711數(shù)據(jù)或校準寄存器操作。

2 通道控制器的設(shè)計
2．1 邏輯框圖
　　這里采用CPLD器件FLEX10K50QC240來實現(xiàn)通道控制器的所有邏輯。其內(nèi)部邏輯原理框圖如圖2所示。主要的功能有：①包含有若干個控制或狀態(tài)寄存器，主要用來設(shè)置工作參數(shù)和對AD7711通道進行控制；②對AD7711的數(shù)字界面提供接口；③提供足夠的數(shù)據(jù)緩沖能力；④具有可編程的采樣時鐘發(fā)生器；⑤具有內(nèi)部RAM和控制讀取片外串口E2PROM的能力。
　　當主機的PC104總線地址被驅(qū)動時，則在ALE的下降沿鎖存地址。當選中板卡地址時（這里以0x280～0x28f為例），則利用/IOW的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并根據(jù)地址譯碼的不同，鎖存到不同的寄存器里。這里有四個控制寄存器，即通道操作寄存器（CtlReg,0x282）、板卡命令寄存器（CmdReg,0x286）、用于串口E2PROM和內(nèi)部RAM的存儲器操作控制寄存器（EepReg，其中包括用于控制的16位寄存器0x288和數(shù)據(jù)寄存器0x289）及參數(shù)寄存器（ParaReg,0x280）。由于通道操作寄存器是32位，主機對同一個口地址（如0x282）連續(xù)進行兩個16位寫操作，因此利用兩個連續(xù)的/IOW寫數(shù)據(jù)。通道操作寄存器低24位是寫入AD7711的數(shù)據(jù)，即24位控制字或校準數(shù)據(jù)。高8位的含義如下：
R/W F1 F0 CH CH3 CH2 CH1 CH0

R/W：0表示寫，1表示讀。
　　F1，F(xiàn)0：00表示對AD7711控制寄存器操作，11表示對AD7711校準寄存器操作，01則是讀取數(shù)據(jù)。
CHCH3CH3CH1CH0：1xxxx表示全通道操作，0xxxx表示某單通道操作。