隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)

在雷達(dá)、聲納及工業(yè)控制領(lǐng)域中的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，往往需要采集雷達(dá)、聲納的回波信號(hào)或故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的故障信號(hào)。由于這些信號(hào)是隨機(jī)出現(xiàn)的，并且這些信號(hào)的幅度、脈寬及形狀相差較大。有些信號(hào)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(shí)時(shí)處理要求。因?yàn)?，?duì)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(jù)量太大，采集數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理，不能滿足采集信號(hào)的實(shí)時(shí)分析或故障的實(shí)時(shí)處理的要求。為此研制一種隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡，其基本工作原理為：隨機(jī)脈沖信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，高速采集電路工作，無(wú)脈沖信號(hào)時(shí)，高速采集電路停止工作。由于在上述方面應(yīng)用中要求采集的隨機(jī)脈沖的平均占空比很小，因此采用該隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡采集的數(shù)據(jù)量不是很大，能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并滿足上述領(lǐng)域的特殊需要。

1 隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡
    隨機(jī)脈沖信號(hào)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(jī)運(yùn)行和控制、主機(jī)接口控制、信號(hào)重放等5個(gè)模塊電路。

    1)輸入接口電路 該模塊電路主要包括隨機(jī)信號(hào)輸入及處理、高速A／D采樣、GPS信號(hào)輸入及分頻，其他數(shù)字信號(hào)輸入等電路。
    2)隨機(jī)脈沖處理電路 該模塊電路可對(duì)隨機(jī)脈沖進(jìn)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(jī)脈沖信號(hào)通過(guò)放大后其峰值電平接近5 V，達(dá)到TTL電平信號(hào)的要求。該信號(hào)作為采樣控制電路、脈寬測(cè)量32位時(shí)鐘電路及80C196單片機(jī)的HIS輸入電路的觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制脈沖的采集和停止及脈寬測(cè)量電路的計(jì)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(nèi)部也含一個(gè)信號(hào)幅度采集電路。
    4)高速A／D采樣電路 該電路對(duì)隨機(jī)脈沖進(jìn)行高速采樣，其采樣頻率由單片機(jī)設(shè)置。
    5)GPS信號(hào)輸入及分頻電路 該電路是為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)也給脈寬測(cè)量的32位時(shí)鐘提供一個(gè)整點(diǎn)的復(fù)位脈沖信號(hào)。
    6)脈沖重放電路 該電路可將采集的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)輸出，用于顯示或聽(tīng)音。
    7)其他數(shù)字信號(hào)輸入電路 該電路包括主機(jī)給單片機(jī)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(hào)(如雷達(dá)脈沖的方位和載頻等數(shù)字信號(hào))。
    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(jī)接口。

2 工作模式
    隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡有2種工作模式：一種是采用單片機(jī)完成的單一脈沖幅度的測(cè)量模式：一種是對(duì)特殊脈沖波形測(cè)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(cè)量由80C196單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換電路完成，每個(gè)脈沖僅采樣測(cè)量一次。脈沖寬度及脈沖到達(dá)時(shí)間等雖然可由80C196單片機(jī)的HIS(高速輸入通道)電路等測(cè)量，但因?yàn)槠錅y(cè)量精度達(dá)不到要求，因此，外加了一個(gè)32位時(shí)間計(jì)數(shù)器及其相應(yīng)的2套鎖存器等電路用于脈沖寬度及脈沖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量。第2種工作模式下，脈沖幅度的測(cè)量由外加的高速A／D轉(zhuǎn)換電路完成．高速A／D采樣測(cè)量電路由每個(gè)脈沖的上升沿啟動(dòng)，由脈沖的下降沿觸發(fā)一個(gè)延時(shí)電路。延時(shí)一段時(shí)間后由延時(shí)電路的下降沿停止高速A／D采樣測(cè)量電路。高速A／D采樣測(cè)量電路的采樣率可由主機(jī)根據(jù)需要設(shè)定，最高采樣速率可設(shè)定為20 MHz。脈寬及到達(dá)時(shí)間的測(cè)量與第1種工作模式相同。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機(jī)主系統(tǒng)中的隨機(jī)脈沖放大及限幅電路、脈沖幅度、脈沖寬度測(cè)量電路、高速信號(hào)采集及存儲(chǔ)電路及由EPLD等構(gòu)成的控制信號(hào)電路等。
3．1 隨機(jī)脈沖放大及限幅電路
    隨機(jī)脈沖放大及限幅電路完成脈沖信號(hào)的放大、限幅及整形，以滿足TTL輸入端信號(hào)的要求。圖2為隨機(jī)脈沖放大及限幅電路，采用高速運(yùn)算放大器OPA603，其特點(diǎn)是頻帶寬且轉(zhuǎn)換速率較高，適用于脈沖放大類電路。輸入的脈沖信號(hào)通過(guò)兩級(jí)放大及限幅后。輸出的脈沖信號(hào)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(cè)量電路示意圖。單片機(jī)(80C196)內(nèi)置的10位A／D轉(zhuǎn)換電路完成脈沖幅度的測(cè)量。由74LSl61構(gòu)成的脈沖計(jì)數(shù)電路測(cè)量脈寬。主系統(tǒng)電路負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、采樣頻率的設(shè)置及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及控制傳送等。其工作原理為：隨機(jī)脈沖信號(hào)(Vin)送入80C196的模擬信號(hào)輸入端ACH6，然后由80C196的內(nèi)部的10位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換同時(shí)該隨機(jī)脈沖信號(hào)經(jīng)放大、限幅并整形后的脈沖信號(hào)(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(dòng)中斷處理程序。HSI0輸入端作為脈沖信號(hào)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(dá)的時(shí)刻及啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換；HSIl輸入端作為脈沖信號(hào)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(dá)的時(shí)刻及讀取A／D轉(zhuǎn)換器的值。另外整形后的脈沖信號(hào)(Vout)有一路信號(hào)(CLKl)送到一組7415374(4片)的CLK端，用于鎖存74Lsl61計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(即脈沖前沿到達(dá)的時(shí)刻)。通過(guò)反相器輸出的另一路信號(hào)(CLK2)送到另74LS374(4片)的CLK端，用于鎖存74LSl61計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(即脈沖后沿到達(dá)的時(shí)刻)。脈沖信號(hào)的寬度即為2個(gè)計(jì)數(shù)值的差值。
3．2 高速信號(hào)采集及存儲(chǔ)電路
    高速信號(hào)采集及存儲(chǔ)電路用于采集卡在采集方式下時(shí)采集輸入脈沖的脈內(nèi)波形數(shù)據(jù)。采用8位高速A／D轉(zhuǎn)換器TLC5540，其最大轉(zhuǎn)換速度40 MS／s，模擬輸入帶寬大于75 MHz，具有內(nèi)部采樣和保持功能。
    TLC5540進(jìn)行轉(zhuǎn)換所需時(shí)鐘信號(hào)頻率可由單片機(jī)設(shè)置。A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在外接的62256存儲(chǔ)器中，其地址信號(hào)由4個(gè)74LSl61產(chǎn)生。其工作原理為：首先QCLR輸出一個(gè)負(fù)脈沖，將74LSl61計(jì)數(shù)器清零，然后再設(shè)置采樣時(shí)鐘信號(hào)(TCLK)，啟動(dòng)TLC5540進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)將RAD信號(hào)設(shè)為有效(低電平)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在脈沖信號(hào)(Vout為高電平)出現(xiàn)時(shí)按順序?qū)懭胪饨拥?2256存儲(chǔ)器中，脈沖信號(hào)(Vout為低電平)消失則自動(dòng)停止寫(xiě)入。高速RAM的地址信號(hào)由74LSl61地址產(chǎn)生器提供。對(duì)每個(gè)脈沖信號(hào)期間采樣的次數(shù)可根據(jù)2個(gè)脈沖信號(hào)最后寫(xiě)入地址的差值進(jìn)行來(lái)計(jì)算，即由單片機(jī)讀出的該脈沖信號(hào)下降沿時(shí)刻74LSl61的計(jì)數(shù)值(即最后寫(xiě)入的RAM的地址)，再減去上一次讀出的值，即為該脈沖的采樣次數(shù)。連續(xù)采樣一群脈沖的波形數(shù)據(jù)后需暫停采集，將采集的每個(gè)脈沖的波形數(shù)據(jù)與該脈沖的其他參數(shù)(如脈沖寬度、脈沖到達(dá)時(shí)間等)按規(guī)定的格式組合后送到與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的FIF0高速存儲(chǔ)器中，供主機(jī)讀取和處理，數(shù)據(jù)送完后再啟動(dòng)采集下一群脈沖。一群脈沖的數(shù)量由用戶根據(jù)實(shí)際情況確定，以連續(xù)采集的波形數(shù)據(jù)存入高速RAM中不產(chǎn)生溢出為最大限。圖4為高速信號(hào)采集及存儲(chǔ)電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    信號(hào)采集卡由單片機(jī)80C196控制，其中單片機(jī)除負(fù)責(zé)隨機(jī)脈沖信號(hào)的采集外，還承擔(dān)著將相關(guān)的數(shù)據(jù)(如雷達(dá)中的載頻數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù))與隨機(jī)脈沖數(shù)據(jù)組織成一個(gè)完整的信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的任務(wù)。圖5為采集卡主程序框圖，其工作流程為：首先80C196通過(guò)讀取主機(jī)(PC機(jī))送過(guò)來(lái)的命令字，設(shè)置采集卡工作模式，執(zhí)行相應(yīng)的工作子程序。圖6為其中的測(cè)量模式下子程序流程，其工作過(guò)程為：首先初始化設(shè)置測(cè)量模式，允許HIS中斷。在脈沖出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)測(cè)量中斷處理程序(HIS中斷)工作，啟動(dòng)80C196內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器，對(duì)輸入的隨機(jī)脈沖的幅度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)讀取脈沖到達(dá)的時(shí)間及脈沖寬度等數(shù)據(jù)并送到采樣緩沖區(qū)，退出HIS中斷。然后將采集到的隨機(jī)脈沖數(shù)據(jù)和同時(shí)采集到的其他相關(guān)數(shù)據(jù)(如雷達(dá)中的載頻數(shù)據(jù)、方位數(shù)據(jù)等)存入發(fā)送緩沖區(qū)，最后按照約定的數(shù)據(jù)格式組織成數(shù)據(jù)塊存入大深度“先進(jìn)先出(FIF0)”緩沖器，再通知主機(jī)讀取這些數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，大深度FIF0被組織成雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，以流水線方式輪流寫(xiě)入和讀出信息，從而避免了信號(hào)錄取卡的CPU和主機(jī)CPU同時(shí)讀／寫(xiě)FIF0時(shí)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。在采集模式下則需啟動(dòng)高速A／D采集電路工作，并按照波型顯示的要求組織數(shù)據(jù)，然后再送到主機(jī)處理。

5 結(jié)論
    該采集卡設(shè)計(jì)采用80C196單片機(jī)、8位高速A／D轉(zhuǎn)換的TLC5540及EPLD器件實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、鎖存和其他邏輯電路，并巧妙利用80C196單片機(jī)的高速輸入通道(HSI)的中斷特性，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)隨機(jī)脈沖信號(hào)的幅度測(cè)量或脈內(nèi)波形數(shù)據(jù)采集，同時(shí)還記錄脈沖到達(dá)時(shí)間及脈寬，解決了數(shù)據(jù)采集卡在采集隨機(jī)窄脈沖信號(hào)存在的采集數(shù)據(jù)量大且不能實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題。該采集卡已成功應(yīng)用于某型雷達(dá)偵察設(shè)備中的信號(hào)錄取，完全可實(shí)時(shí)采集、處理接收到的雷達(dá)脈沖信號(hào)并送往主機(jī)，通過(guò)主機(jī)進(jìn)一步對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分選和處理，可完全實(shí)時(shí)顯示采集到的雷達(dá)脈沖波形。實(shí)際應(yīng)用表明設(shè)計(jì)的采集卡工作穩(wěn)定可靠，可采集的最窄脈沖不小于O．1μs，對(duì)周期不大于25 kHz的連續(xù)脈沖在測(cè)量方式下可實(shí)現(xiàn)不間斷采樣。