基于PC104总线的实时信号采集处理系统

摘 要： 为了满足外场装备检测装置的便携化和信号采集的实时化要求，基于PC104总线的高效数据传输特点，采用了上位机控制板和信号采集板相结合的嵌入式系统搭建方法，在信号采集板中通过FPGA控制逻辑实现了多通道开关、信号调理电路和A/D转换器的配置，并把采集的信号数据传输给上位机控制板进行实时显示。应用结果表明，该实时信号采集处理系统操作简单，具有较高的实时性和稳定性。

关键词： PC104； FPGA； 数据采集； 嵌入式系统； 逻辑控制

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0150?03

0 引 言

PC104是嵌入式工控机的一种，其外部总线接口为PC104总线。使用堆叠的方式可以将多个PC104主板结合到一起，并通过螺栓固定，保证系统的牢固可靠，应对恶劣的使用环境。由于PC104具有功耗低，体积小，扩展性高，功能强大等优点，其已经在航空航天、军用武器装备、工业控制等领域得到了广泛的使用[1?2]。

在对武器装备进行测试维护时，经常需要对设备中的各类模拟信号进行分析，从而对武器系统的运行情况做出判断。目前常见的测试设备往往实时性不高，无法更多地进行人机交互。同时由于测试设备体积过于庞大，并不方便在外场对武器装备进行直接的测试和维护。随着现阶段军用装备外场测试的信息化程度逐渐提高，迫切需要研制出体积小、结构紧凑的便携式实时测试设备[3]。

目前主流的实时信号采集方式是通过高速A/D转换器件来完成的，其优点是信号精度高，实时的信号采集带来了大量的数据需要处理，对后端的信号处理系统提出了较高的要求。因此本文搭建了基于PC104总线的实时信号采集处理系统，凭借FPGA的高速处理能力控制A/D转换器完成数据的采集，并通过PC104总线将数据提供给上位机完成用户对实时信号的监测。

1 总体设计方案

信号采集处理系统进行工作时，上位机控制板的CPU通过PC104总线向底层信号采集板发送命令，对其工作参数进行设置。CPU与FPGA之间通过地址和数据总线完成命令及数据的交互。多通道选择开关对外部输入的模拟信号进行通道选择，在信号调理芯片对模拟信号进行相应的预处理之后，在FPGA的逻辑控制下由A/D转换器完成信号的采集。FPGA通过PC104总线实时地将采集的信号数据传输给CPU，通过运行在上位机控制板的应用程序完成数据的最终分析和处理。信号采集处理系统可以通过FPGA逻辑控制模块灵活地调整采样速率，来满足多种信号不同速率的采样要求。

2.2 信号采集板

3 软件系统设计

实时信号采集处理系统的软件部分包括了信号采集板的FPGA控制逻辑和上位机控制板运行的应用程序。信号采集板在FPGA控制逻辑下实现了信号的采集和传输，上位机控制板通过应用程序完成人机界面的交互和数据控制处理。

3.1 FPGA控制逻辑的设计

FPGA控制逻辑是整个数据采集过程的核心部分，它所实现的功能包括：对多路选通开关ADG508A的控制，对地址总线进行译码，对A/D转换模块ADS7805的控制，将采集的数据在FIFO中进行存储等。FPGA控制逻辑工作时的操作时序如图4所示，其在一个总线操作周期内的工作流程按如下顺序进行：

（1）FPGA上电后，首先进行全局复位，数据总线设置为三态，地址锁存清零。

（2）等待BALE信号进入下降沿的有效状态，对PC104的地址总线进行锁存。

（3）等待IOR/W信号有效，对地址进行解码，将锁存的地址信息译码。

（4）对地址进行比对，若比对正确则准备就绪，若比对不正确则将地址锁存器清零，数据总线设置为三态。

（5）等待PC104数据周期有效时，接收上位机控制板传输过来的动作命令数据。

（6）控制INA103芯片对输入的模拟信号进行调理。

（7）控制ADG508A芯片进行通道选择。

（8）控制AD7805芯片开始进行数据采集。

（9）以输入输出端口的OE信号为触发脉冲，对所采集的信号数据进行锁存控制。

（10）等待OE信号拉低，采集数据的锁存结束，将数据通过总线传输给上位机控制板。

（11）等待数据传输周期结束，将地址锁存清零，数据总线设置为三态。

（12）等待下一个时钟周期到来，再次重复进行读写操作。

4 结 语

本文基于PC104总线，采用了上位机控制板和信号采集板相结合的方式，实现了用户对信号的实时采集和处理。信号采集板的所有控制功能由FPGA芯片来完成，大大减少电路板的器件数量，同时降低了系统成本，提高系统的可靠性。运行在上位机控制板嵌入式操作系统的应用程序完成了采集数据的实时显示及用户命令的配置，使用户在使用时可以直观的了解整个系统的工作状况，并根据现场需要对信号采集的工作参数进行调整。该实时信号采集系统具有较低的功耗、稳定的性能、精简的体积、和优良的抗震性能，其已经作为某型装备的便携式外场检测设备进行了实地应用，整体运行可靠稳定，具有较广的推广前景和较好的军事经济效益。

参考文献

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