一种PC104温度采集卡的设计

　摘要：介绍了一种用于12路通道温度采集的PC104采集卡的设计。重点描述了实现通道校正、采集数据的控制器的设计过程。该控制器提供了一定的数据缓冲能力和多种参数的工作方式，使得PC104采集卡的功能比较强大和全面，并且非常灵活。其设计思路值得以后类似的采集卡借鉴。实际运行结果表明，该采集卡的设计是成功的，并且工作可靠。
　　关键词：温度采集 AD7711 PC104 控制器 CPLD
　　PC104总线是一种出现已久的栈式总线，基本上属于ISA总线的变型。模块尺寸很小（90mm×96mm），多个模块通过针孔结构堆叠而成，形成的系统结构紧凑、抗冲击性能好，加上现在广泛应用的低功耗技术，使PC104总线特别适于用户自行开发特殊应用产品。
　　对于低速率、高精度的测量系统而言，A/D芯片AD7711是个功能完事的模拟前端。它直接从传感器接收信号，通过一个可编程的增益控制后将信号送到模拟调节器，再经滤波后输出一个16位的串行数字字。它的主要结构特点是：内部包含有一个∑-Δ A/D转换器，具有非常高的转换精度；两个通道的可编程增益前端；带内部SRAM的校正控制器，使得校正因子可读可写；时钟发生器；低通数字滤波器，具有可编程的通阻带分截点；一个双向串行通信端口，能较方便地与微处理器接口；可以单电压或双电压供电，具有较低的功耗。
对于RTD（电阻式温度检测）传感器的应用，AD7711是一款很不错的选择。本文介绍的PC104采集卡主要用于分布式温度点采集测量，上面集成了12个AD7711，形成12个通道，每个通道可以输入两路模拟信号，其中一路为单极性输入，另一路为双极性输入。

1 电路原理
　　PC104温度采集卡主要由12个AD7711、通道控制器、PC104栈式连接器组成，其原理框图如图1所示。板卡地址输入由拨盘开关完成。串口E2PROM用来保存每个通道的校准参数和一些板卡工作参数。另外还提供了配置ROM EPC2。
　　通道控制器采用Altera公司的CPLD器件FLEX10K50QC240来实现。PC104主机首先初始化通道控制器，通过板卡命令对板卡进行操作，如启动、停止、设置工作参数（如中断选择、每分钟采校次数、输出因子等）。然后通道控制器对各个AD7711通道进行操作，如写AD7711的控制寄存器、读写其校准寄存器里的校正因子、读取每个通道的采样数据。通道控制器的另一个功能是模拟PC104主机的指示对串口E2PROM进行读写操作，并提供结果。
　　采样频率有1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz等，指定每个通道每分钟等间隔采样次数。板卡的控制器提供数据缓冲能力，每个采样周期都将12个通道的数据保存在缓冲器里。在存储了若干个采样周期的数据后，向主机发出中断，让PC104总线读走数据，输出因子则指定每次中断采样周期的个数。板卡提供八个ISA中断，主机可以选择其中一个。
　　AD7711每次采样16位数据，所以主机PC104总线从通道控制器读取数据时，使用16位I/O访问，因此/IOCS16和SBHE信号应当被驱动，而IOCHRDY则被用来插入等待周期。由于通道控制器和AD7711都采用10MHz时钟，所以对于CPU主频比较快的PC104总线，其ALE、/IOW、/IOR、AEN等信号的有效电平脉宽是与时钟周期有关系的，此时它们的脉宽可能比板卡的时钟周期100ns要小，故不能用它们直接作为时钟使能，而应当利用它们的沿来锁存地址，并触发得到宽脉冲信号完成使能，锁存数据。
　　AD7711采用自时钟方式。SCLK提供串行时钟输出；SDATA是串行数据位；/DRDY的下降沿表明数据字准备好，当传送完毕时恢复到高电平；/TFS、/RFS是发送和接收数据帧同步信号；A0是地址输入，表明是对AD7711控制寄存器操作，还是对AD7711数据或校准寄存器操作。

2 通道控制器的设计
2．1 逻辑框图
　　这里采用CPLD器件FLEX10K50QC240来实现通道控制器的所有逻辑。其内部逻辑原理框图如图2所示。主要的功能有：①包含有若干个控制或状态寄存器，主要用来设置工作参数和对AD7711通道进行控制；②对AD7711的数字界面提供接口；③提供足够的数据缓冲能力；④具有可编程的采样时钟发生器；⑤具有内部RAM和控制读取片外串口E2PROM的能力。
　　当主机的PC104总线地址被驱动时，则在ALE的下降沿锁存地址。当选中板卡地址时（这里以0x280～0x28f为例），则利用/IOW的上升沿锁存数据，并根据地址译码的不同，锁存到不同的寄存器里。这里有四个控制寄存器，即通道操作寄存器（CtlReg,0x282）、板卡命令寄存器（CmdReg,0x286）、用于串口E2PROM和内部RAM的存储器操作控制寄存器（EepReg，其中包括用于控制的16位寄存器0x288和数据寄存器0x289）及参数寄存器（ParaReg,0x280）。由于通道操作寄存器是32位，主机对同一个口地址（如0x282）连续进行两个16位写操作，因此利用两个连续的/IOW写数据。通道操作寄存器低24位是写入AD7711的数据，即24位控制字或校准数据。高8位的含义如下：
R/W F1 F0 CH CH3 CH2 CH1 CH0