隨機脈沖信號采集卡的設(shè)計

在雷達、聲納及工業(yè)控制領(lǐng)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(jù)量太大，采集數(shù)據(jù)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(yīng)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(jù)量不是很大，能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行實時處理和分析，并滿足上述領(lǐng)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(nèi)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(shè)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(fù)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(jù)再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)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(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(jù)需要設(shè)定，最高采樣速率可設(shè)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(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)置的10位A／D轉(zhuǎn)換電路完成脈沖幅度的測量。由74LSl61構(gòu)成的脈沖計數(shù)電路測量脈寬。主系統(tǒng)電路負責(zé)整個系統(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：隨機脈沖信號(Vin)送入80C196的模擬信號輸入端ACH6，然后由80C196的內(nèi)部的10位A／D轉(zhuǎn)換器進行采樣和轉(zhuǎn)換同時該隨機脈沖信號經(jīng)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(zhuǎn)換器進行采樣和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

3．2 高速信號采集及存儲電路

高速信號采集及存儲電路用于采集卡在采集方式下時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進行轉(zhuǎn)換所需時鐘信號頻率可由單片機設(shè)置。A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)自動存儲在外接的62256存儲器中，其地址信號由4個74LSl61產(chǎn)生。其工作原理為：首先QCLR輸出一個負脈沖，將74LSl61計數(shù)器清零，然后再設(shè)置采樣時鐘信號(TCLK)，啟動TLC5540進行轉(zhuǎn)換，同時將RAD信號設(shè)為有效(低電平)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在脈沖信號(Vout為高電平)出現(xiàn)時按順序?qū)懭胪饨拥?2256存儲器中，脈沖信號(Vout為低電平)消失則自動停止寫入。高速RAM的地址信號由74LSl61地址產(chǎn)生器提供。對每個脈沖信號期間采樣的次數(shù)可根據(jù)2個脈沖信號最后寫入地址的差值進行來計算，即由單片機讀出的該脈沖信號下降沿時刻74LSl61的計數(shù)值(即最后寫入的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、脈沖到達時間等)按規(guī)定的格式組合后送到與主機交換數(shù)據(jù)的FIF0高速存儲器中，供主機讀取和處理，數(shù)據(jù)送完后再啟動采集下一群脈沖。一群脈沖的數(shù)量由用戶根據(jù)實際情況確定，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為高速信號采集及存儲電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

信號采集卡由單片機80C196控制，其中單片機除負責(zé)隨機脈沖信號的采集外，還承擔(dān)著將相關(guān)的數(shù)據(jù)(如雷達中的載頻數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù))與隨機脈沖數(shù)據(jù)組織成一個完整的信號數(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通過讀取主機(PC機)送過來的命令字，設(shè)置采集卡工作模式，執(zhí)行相應(yīng)的工作子程序。圖6為其中的測量模式下子程序流程，其工作過程為：首先初始化設(shè)置測量模式，允許HIS中斷。在脈沖出現(xiàn)時，啟動測量中斷處理程序(HIS中斷)工作，啟動80C196內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器，對輸入的隨機脈沖的幅度進行測量，同時讀取脈沖到達的時間及脈沖寬度等數(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脈沖數(shù)據(jù)和同時采集到的其他相關(guān)數(shù)據(jù)(如雷達中的載頻數(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“先進先出(FIF0)”緩沖器，再通知主機讀取這些數(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入和讀出信息，從而避免了信號錄取卡的CPU和主機CPU同時讀／寫FIF0時可能出現(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)，然后再送到主機處理。

5 結(jié)論

該采集卡設(shè)計采用80C196單片機、8位高速A／D轉(zhuǎn)換的TLC5540及EPLD器件實現(xiàn)計數(shù)、鎖存和其他邏輯電路，并巧妙利用80C196單片機的高速輸入通道(HSI)的中斷特性，不僅實現(xiàn)了對隨機脈沖信號的幅度測量或脈內(nèi)波形數(shù)據(jù)采集，同時還記錄脈沖到達時間及脈寬，解決了數(shù)據(jù)采集卡在采集隨機窄脈沖信號存在的采集數(shù)據(jù)量大且不能實時處理的問題。該采集卡已成功應(yīng)用于某型雷達偵察設(shè)備中的信號錄取，完全可實時采集、處理接收到的雷達脈沖信號并送往主機，通過主機進一步對采集的信號進行分選和處理，可完全實時顯示采集到的雷達脈沖波形。實際應(yīng)用表明設(shè)計的采集卡工作穩(wěn)定可靠，可采集的最窄脈沖不小于O．1μs，對周期不大于25 kHz的連續(xù)脈沖在測量方式下可實現(xiàn)不間斷采樣。