基于ISA总线的数据采集卡的设计及应用

电子测量技术　第３１卷第６期　２００８年６月　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　基于ＩＳＡ总线的数据采集卡的设计及应用　贺小亮　李艾华　王帆胜　（１．第二炮兵工程学院５０２教研室　西安７１００２５；２．中国人民解放军第６９１６　Ｓ－ｙ－　廊坊０６５０００）　摘要：本文介绍了基于ＩＳＡ总线的数据采集卡的硬件电路和软件设计。针对传统数据采集卡中电压测量电路的零　点校正和满刻度校正是用滑动变阻器来实现的，设计了一种新的采用亡ｌ／Ａ转换芯片、存储器和集成运算放大器的电　路，代替了传统的滑动变阻器校正方法，实现了自动校正，提高了调整精度。采用新的校正电路的另一个优点是可以　采用各种非线性校准技术，对电压测量电路的非线性进行自动校准。　关键词：ＩＳＡ总线；数据采集；自动校正　中图分类号：ＴＰ１８　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＳＡ　ｂｕｓ　Ｈｅ　ＸｉａｏＬｉａｎｇ　Ｌｉ　Ａｉｈｕａ　Ｗａｎｇ　Ｆａｎｓｈｅｎｇ２　（１．ｔｈｅ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ　７１００２５；　２．ｔｈｅ　６９１６ｔｈ　Ｐｌａｎｔ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｌａｎｇｆａｎｇ　０６５０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＳＡ　ｂｕｓ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｄ／Ａ　ｃｏｎｖｅｒｔ　ｃｈｉｐ，ｍｅｍｏｒｉｚｅｒ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＯＰ，ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｍｅｎｄａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｓｌｉｐ　ｒｈｅｏｓｔａｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ａｕｔｏ－ｅｍｅｎｄａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ　ａｕｔｏ－　ｃａｌｉｂｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｗｉｔｈ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＳＡ　ｂｕｓ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ａｕｔｏ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ　０引　言　多，本文在介绍数据采集卡结构和工作原理的基础上，将　重点分析和研究如何实现数据采集卡中电压测量误差的　自动校正。　目前，工业系统总线具有代表性的有ＩＳＡ总线、ＰＸＩ　总线和ＰＣＩ总线，其中ＩＳＡ总线因其产生最早、应用接口　简单仍在许多对传输速度要求不是很高的场合被使用。　在工控计算机应用中，人们经常利用ＩＳＡ总线采集数据和　对外部设备进行控制。现在，市场上有很多基于ＩＳＡ总线　的数据采集卡，具有代表性的国外产品有美国钻石公司和　ＲＴＤ公司的，国内以研华为主。但是，基于ＩＳＡ总线同时　具有多通道Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换功能和大量ＩＯ接口以及计时　计数器的数据采集卡目前还没有。实际上，在工业测量、　监控与故障诊断系统中，多通道Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换和大量ＩＯ　接口以及计时计数器都是必不可少的。本设计利用ＣＰＬＤ　２硬件实现　２．１设计框图及总体流程　系统框图如图１所示。从图１中可以看出，该数据采　集卡主要由８个部分组成，它们分别是ＣＰＬＤ、ＩＳ８２Ｃ５４、　ＥＥＰＲＯＭ、双口ＲＡＭ、１２／８位接口转换、Ａ／Ｄ转换电路、　校正数据加载电路和自动校正电路。在数据采集卡中，　ＣＰＬＤ完成的主要功能包括：ＩＳＡ总线信号驱动、地址控　制、译码以及对ＩＳ８２５４、２４Ｃ０２、校正数据加载电路、双口和　Ａ／Ｄ转换电路的控制。其中，上位机通过ＣＰＩ　Ｄ和　ＩＳ８２Ｃ５４可以实现对计时计数通道的控制以及计时计数信　芯片ＥＰＭ９３２０、ＡＤ转换芯片和ＡＤ８８０１等芯片实现了符　合ＰＣ１０４规范的基于ＩＳＡ总线的数据采集卡。　号的获取。该数据采集卡主要有２个工作流程：第１个流　程是测量电压的过程，第２个流程是测量通道电压偏置自　动校正的过程。第１个流程的过程是：（１）选择测量电压信　１系统概述　数据采集卡是一块符合ＰＣ１０４规范的多功能数据采　集板，适用于工业现场、实验室、嵌入式设备等多种场合，　具有１６路Ａ／Ｄ转换通道、４８路可编程开关量输入输出、３　号的通道、Ａ／Ｄ转换器的量程，数据采集卡有１６路单端　Ａ／Ｄ转换通道（或８路差分Ａ／Ｄ转换通道），上位机将要　上述参数写人ＣＰＬＤ中的寄存器，通过ＣＰＬＤ的逻辑控制　路计时计数通道。由于本数据采集卡实现涉及的内容较　脚向Ａ／Ｄ转换电路发出信号，选通相应的通道和选择Ａ／　・　ｌ２９　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３１卷　电子测量技术　Ｄ转换器的量程；（２）在所选择的通道上启动Ａ／Ｄ转换，在　启动Ａ／Ｄ转换后，ＣＰＬＤ的控制逻辑首先将双口ＲＡＭ复　位，然后向Ａ／Ｄ转换电路发出转换信号；（３）上位机通过　ＣＰＬＤ读取Ａ／Ｄ转换电路中的ＳＴＳ状态信号，以确定Ａ／　Ｄ转换是否完成；（４）在Ａ／Ｄ转换完成以后，ＣＰＬＤ控制逻　辑自动向Ａ／Ｄ转换电路和１２／８位接口转换电路发出信　号，将转换的值存入双口ＲＡＭ（５）上位机通过ＣＰＬＤ从　双口ＲＡＭ中读取数据。第２个流程是上位机首先通过　ＣＰＬＤ和ＥＥＰＲＯＭ之间通过模拟Ｉ。Ｃ接口读取校正数据，　然后通过ＣＰＬＤ将读取的数据传送给校正数据加载电路，　方法能够很好的消除零点漂移和满刻度误差。自动校正　电路如图２和图３所示。自动校正电路和采用滑动变阻器　的校正电路原理相同。电压双极性模式下的自动校正电　路由３部分构成。第１部分为电压跟随电路，它的作用是　减少了ＡＤ１６７４参考电压输出端的输出阻抗。第２部分和　第３部分都为正向电压放大电路。下面给出２个输出电压　的表达式：　ｕ。１　一　Ｒ　＋Ｒ１４——　．　ｓ（　一　。）　ｕ脚一ｕＤ　０Ｊ　（１）从上述公式可以看出，通过调节　晰。可以调节电压　，详细数据传输过程后面加以阐述。　计时计数信号　使得　在　唧左右很小的范围内波动。电压单极　性模式下的自动校正电路由一５　Ｖ和ＤＡＣ１共同作用于　Ｓ　端，通过调节ＤＡＣ１可以将Ｓ　端的电压调节在０　Ｖ　左右。　电　压　信　号　图１硬件实现框图　２．２自动校正电路　电压测量的误差主要存在于模拟量输入通道里。造　成这种误差的主要原因是它的放大器、Ａ／Ｄ转换器和内部　基准源等部件的电路状态和参数偏离了标准值，而且会随　温度和时间的变化产生漂移。这种偏离和漂移，集中反映　在零点漂移和倍率变化上。所以，在高精度的电压测量系　统中，系统必须进行零点校正和满刻度校正。过去，人们　经常使用的方法是将输入端接地（或高精度基准源），然后　调节滑动变阻器使Ａ／Ｄ转换器的输入端为零来消除零点　漂移（或满刻度误差）。这种方法的缺点是费力，而且精度　较差。为了克服这种缺点，人们开始使用数字电位器。但　是数字电位器一般的阻值比较大，最小都在１　ｋｆｌ以上。　而ＡＤ１６７４的偏置调整电位器的阻值在１００　Ｑ左右，无法　使用。为此，这里使用Ｄ／Ａ来代替电位器，实践证明，这种　９　图２电压双极性模式下的自动校正电路　图３电压单极性模式下的自动校正电路　・ｌ５　０．１　图４基准源、校正数据存储及其加载电路的设计　・　１３Ｏ・　维普资讯 http://www.cqvip.com 贺小亮等：基于ＩＳＡ总线的数据采　卡的　盐　２．３校正数据存储及加载电路　箜　塑　人２４（３０２，在电路板加电后，将２４Ｃ０２中的数据根据系统的　设定加载于ＡＤ８８０１，使ＡＤ８８０１各电压输出口输出相应　电压控制测量误差。　校正数据存储元件采用２４Ｃ０２。２４Ｃ０２通过ＳＣＬ脚　和ＳＤＡ脚连接到ＣＰＬＤ上，上位机根据１２Ｃ协议来访问　２４Ｃ０２。由于这里只有一片２４Ｃ０２，所以器件的地址输入　端全部接地。２４Ｃ０２的写保护端子接地，允许正常的读写。　基准源采用高精度的ＲＥＦ０２，它的输出基准电压＋５　Ｖ，偏　差只有±０．０１　Ｖ。它为Ｄｌ／Ａ转换芯片和数据采集板提供　基准源。加载电路使用Ｄ／Ａ转换芯片ＡＤ８８０１为自动校　正电路提供调节电压。　３软件设计　３．１数据采集卡控制器的实现　图５控制器程序的基本框架　数据采集卡中的控制器功能通过ＣＰＬＤ来实现。　ＣＰＬＤ中的程序采用硬件描述语言Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ编写。控　制器程序由５个基本模块组成，ＩＳＡ总线数据接口实现系　统ＩｓＡ总线与数据采集卡的数据交换及总线信号缓　冲［１　；ＩＯ接口扩展模块用于扩展测试所需要的大量ＩＯ　口，实现原理及方法可查阅文献［４］～文献［６］；电压采集　控制模块根据系统的命令，控制其Ａ／Ｄ转换芯片　（ＡＤ１６７４）、多路选择开关（ＡＤＧ５０８）等实现通道选择、电　压转换和数据存储等功能；校正数据存储和加载控制模块　比较复杂，图６说明了该模块的组成。　从图６可以看出，校正数据存储和加载控制模块的主　要功能是将校正测试中得到的数据按照１２Ｃ协议的方式存　３．２自动校正软件的设计　图６校正数据存储和加载控制模块　图７电压测量自动校正算法　・　１３１　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

箍３　卷　电子测　量技术　数据采集板在测量电压前必须进行校正，校正的参数　根据精度的要求而有所不同。对不同的参数，校正软件需　要采取不同的算法Ｌ２　引。这里给出目前在电压测量电路　端口，详细过程如图８所示。　４实验结果　表１给出了在实验室条件下，对３块电路板进行自动　校正得到的校正数据及电压测试结果。从３组数据可以　看出，对于不同的电路板，它的校正结果略有差异。把表　中的各个ＤＡＣ值经过转换就是ＡＤ８８Ｏｌ各端口输出的电　中，经常校正的２个参数（零点漂移和满刻度）的软件算　法。从图７可以看出，校正算法主要有３步：（１）初始化　ＡＤ８８０１各端口输出电压值，ＤＡＣ０、ＤＡＣ２、ＤＡＣ３端口初　始化为零，ＤＡＣ１初始化为４．９８　Ｖ，根据是进行单极性还　是双极性校正选择不同过程。　压，此电压加给图２和图３电路的各个端口，通过计算可以　（２）假设选择单极性校正。利用外部精密电源给测量　知道实现了数据采集板上ＡＤ１６７４芯片参考电源输入端和　通道加１．２２　ｍＶ电压，启动Ａ／Ｄ转换，读取Ａ／Ｄ转换值。　偏置调整端电压的微调。如果需要更高的测量精度，可以　如果Ａ／Ｄ转换值等于１，说明已经消除了单极性零点漂　对上面的测量自动校正算法作出修改，比如针对单极性校　移。否则，减小ＡＤ８８０１输出端口ＤＡＣ１的值，直到Ａ／Ｄ　正，使用ＤＡＣ０～ＤＡＣ４校正，需要双极性测量时，再用　转换值等于１。　ＤＡＣ０　ＤＡＣ４校正，重新加载校正电压。　（３）进行满刻度校正，方法基本相同，只是操作不同的　表１实验结果　５结　论　［８］　正［Ｊ］．仪器仪表学报，２００３，２４（２）：２０１—２０４．　唐超，李世平，孙浚清，等．非线性校准技术的发展现　目前，该数据采集板已经被应用于某导弹地面测试设　状及研究展望［Ｊ］．电子测量技术，２００７，３０（８）：１－４．　备中。新的采用Ｄｌ／Ａ转换芯片、存储器和集成运算放大器　的校正电路，代替了传统的滑动变阻器校正方法，实现了　自动校正，提高了调整精度。采用新的校正电路的另一个　优点是可以采用各种非线性校准方法对电压测量电路及　其他电路的非线性进行校正。　参考文献　■　作生Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｘｌ图像，主贺在要小电研力亮者究ｅｐ设，方＿简男备２００１＠１６３．ｃｏｒ向，故介１为９　障７仪８诊器年断仪出中表ｎ生的　设应，博计用士和。　研红究外　［１］　杨素行．微型计算机系统原理及应用［Ｍ］．北京：清华　大学出版社，１９９８．　李艾华，男，１９６６年出生，博士研究生导师，主要研究　［２］　李世平．ＰＣ计算机测控技术及应用［Ｍ］．西安：西安　方向为电气设备故障诊断。　电子科技大学出版社，２００２．　王帆胜，男，１９７８年出生，驻第６９１６工厂军代表，主要　［３］　方湘艳，袁由光，韩威．基于ＦＰＧＡ的ＰＣＩ到ＩＳＡ总　研究方向为电子设备性能测试及故障诊断。　线转换芯片的设计与实现［Ｊ］．计算机工程与应用，　２００６，４２（３３）：８３—８７．　［４］　袁江南．基于ＵＳＢ２．０与ＦＰＧＡ技术的高速数据采集　系统的设计［Ｊ］．电子技术应用，２００７，３３（７）：１１６—　１１８，１２１．　［５］　王建农．ＩＳＡ总线与１－Ｗｉｒｅ器件的接口设计［Ｊ］．微　计算机信息，２００７（１３）：７８—８１．　［６］　王学军．基于ＩＳＡ总线和ＲＳ４８５网络的高温超导磁　储能监控系统［Ｊ］．电力自动化设备，２００６（６）：５７—６０．　［７］　陈俊杰．基于遗传神经网络的传感器系统的非线性校　・　】３２　・