高精度ISA總線測(cè)試板卡設(shè)計(jì)
本文介紹了Windows 98環(huán)境下基于PC機(jī)工業(yè)控制器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，著重論述了如何保證 自行設(shè)計(jì)的ISA總線測(cè)試板卡系統(tǒng)精度以及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的抗干擾、總線驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵問(wèn)題
1 概述
工業(yè)控制器作為工業(yè)監(jiān)測(cè)控制的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而其使用前的測(cè)試還 停留在人工測(cè)試階段，采用人工測(cè)試存在測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、不夠精確等缺點(diǎn)。本文作者在Window s 98下開(kāi)發(fā)的基于PC機(jī)工業(yè)控制器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了帶RS232通訊接口工業(yè)控制器模擬量精度的自動(dòng)校驗(yàn)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的自動(dòng)測(cè)試。該測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為工業(yè)控制器的測(cè)試提供了一種快速、準(zhǔn)確、可靠的自動(dòng)測(cè)試工具。
2測(cè)試系統(tǒng)組成及原理
為使測(cè)試系統(tǒng)有良好的用戶界面，縮短開(kāi)發(fā)周期，測(cè)試系統(tǒng)采用了現(xiàn)成PC機(jī)加上自行設(shè)計(jì) 的ISA 總線I/O測(cè)試板卡的設(shè)計(jì)方案，其核心是一個(gè)基于ISA總線測(cè)試板卡的數(shù)據(jù)采集與控制 系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)由PC機(jī)主板、ISA總線測(cè)試板卡、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)和相應(yīng)的測(cè)試軟件 組成，參見(jiàn)圖1，測(cè)試板卡信號(hào)輸出端(AO，DO)和控制器的信號(hào)輸入端(AI，DI)連接 ，測(cè)試板卡信號(hào)輸入端(AI，DI)和控制器的信號(hào)輸出端(AO，DO)連接，PC機(jī)的RS232串 口和被測(cè)控制器的RS232串口相連，形成若干閉環(huán)測(cè)試回路。
當(dāng)測(cè)試控制器的AI通道時(shí)，通過(guò)測(cè)試板卡的AO通道向被測(cè)試控制器發(fā)出測(cè)試激勵(lì)信號(hào)(給 定值)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送到控制器AI通道，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所得實(shí)測(cè)值從串口返回PC機(jī)，和相應(yīng)給定值進(jìn)行比較，得出該測(cè)試點(diǎn)測(cè)量精度;控制器AO通道的測(cè)試是先通過(guò)串口發(fā)給定值到控制器模擬輸出通道，通過(guò)測(cè)試板卡的AI通道采集實(shí)測(cè)值，計(jì)算該點(diǎn)測(cè)量精度。開(kāi)關(guān)量的測(cè)試與之類似，將給定邏輯值和實(shí)測(cè)邏輯值進(jìn)行比較即可。
3 測(cè)試板卡框圖及簡(jiǎn)介
測(cè)試板卡框圖見(jiàn)圖2，測(cè)試板卡由模擬輸入通道、模擬輸出通道，開(kāi)關(guān)量信號(hào)的 輸入和輸出以及接口電 路組成，模擬輸入通道包括了模擬信號(hào)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、多路模 擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換部分 ，模擬輸出通道包括了多路D/A轉(zhuǎn)換器、恒流源電路和輸出信號(hào)轉(zhuǎn)接電路。板卡共有8路模擬量輸入、14路模擬量輸出和8路開(kāi)關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入輸 出信號(hào)為4~20 mA?電流，模擬量輸入的測(cè)量精度為0.125 ‰，模擬量輸出的測(cè)量精度為 0.5 ‰。開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)為無(wú)源觸點(diǎn)或TTL電平輸入，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)為TTL電平輸出，足以滿足工業(yè)監(jiān)控器的精度測(cè)試和電氣連接要求。
4.系統(tǒng)精度
系統(tǒng)精度是指模擬輸入、輸出通道的精度，在設(shè)計(jì)中從7個(gè)方面進(jìn)行了考慮。
(1)采用低溫漂系數(shù)精密電阻取樣
取樣電阻將模擬量輸入信號(hào)0-20mA變換成0-2V電平信號(hào)，選用0.2 ‰低溫漂系數(shù)的精密電阻，以保證取樣精度。
(2)模擬濾波
模擬量輸入信號(hào)經(jīng)RC低頻、高頻濾波，濾除高頻噪聲和低頻噪聲。
(3)采用41/2位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135[!--empirenews.page--]
雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量的是輸入電壓在積分時(shí)間間隔內(nèi)的平均值，能有效地抑 制工頻干擾，其轉(zhuǎn)換精度較高。
A/D芯片外圍電路也是影響A/D轉(zhuǎn)換精度的因素。為保證轉(zhuǎn)換精度，除了采用高精度 基準(zhǔn)參考源，其正負(fù)工作電源必須穩(wěn)壓;為減少ICL7135在積分轉(zhuǎn)換階段的非線性 ，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率應(yīng)限制在166 kHz內(nèi)，取信號(hào)積分周期為工作電源周期的整數(shù)倍。
(4)模擬量的輸出傳輸采用電流形式
采用電流傳輸能消除傳輸電阻壓降對(duì)精度的影響，且電流傳輸時(shí)兩線間呈低阻，使外界干擾對(duì)傳輸線的作用減小。
(5)選用分辨率為13位的D/A轉(zhuǎn)換器MAX547
MAX547為MAXIM公司的并行八通道電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器，具有集成度高，滿13位有效 、每路帶雙緩沖輸入鎖存器等特點(diǎn)。由于芯片D/A轉(zhuǎn)換電路通過(guò)“?R-2R?”梯形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) ，基準(zhǔn)參考電壓輸入端的負(fù)載變化范圍達(dá)10倍，需選擇負(fù)載調(diào)整率小的基準(zhǔn)參考源，為消除A/D、D/A?轉(zhuǎn)換的互相影響，ICL7135和MAX547基準(zhǔn)參考源分別進(jìn)行了配置 。
(6)采用自行設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定性恒流源電路
恒流源電路如圖3所示，前級(jí)電路將MAX547輸出電壓值+2?5 V轉(zhuǎn)換成與后級(jí)電路輸出電 流4-20 mA?成線性比例的電壓值，且具備調(diào)零、調(diào)滿量程功能。后級(jí)電路起信號(hào)轉(zhuǎn)換、恒流驅(qū)動(dòng)作用，即將前級(jí)輸出電壓變換成電流輸出，并保證輸出電流信號(hào)不隨外加負(fù) 載改變而變化。為保證精度，恒流電阻R13選用了低溫漂系數(shù)精密電阻。
(7)接地
為使數(shù)字電路中數(shù)字負(fù)載的噪聲耦合到模擬電路的誤差最小，將模擬地與數(shù)字地分開(kāi)接，模擬地僅在一點(diǎn)和數(shù)字地相連，使得數(shù)字部分的電流不會(huì)流到模擬回路中去。
測(cè)試系統(tǒng)位于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，且和被測(cè)控制器近距離連接，主要干擾源是電源系統(tǒng)。所采取的措施有：在每
4.3 I/O地址沖突的解決
測(cè)試板卡I/O端口編址方式為I/O端口單獨(dú)編址，該方式下I/O端口地址與存儲(chǔ)單元地 址 重疊，需用指令來(lái)區(qū)別是對(duì)存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。它根據(jù)控制器指定的位置存進(jìn)和取出信息。
操作還是對(duì)I/O地址操作。因此，板卡的端口地址譯碼電 路應(yīng)同時(shí)加I/O讀(或I/O寫)指令和表示DMA操作正在進(jìn)行的AEN之反向信號(hào)來(lái)限定，當(dāng)CPU 或DMA訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，端口地址譯碼電路的輸出就不可能有效。
4.4 總線驅(qū)動(dòng)
測(cè)試板卡板內(nèi)總線驅(qū)動(dòng)是必須的，在板內(nèi)加雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)，既可避免發(fā)生數(shù)據(jù)總 線競(jìng)爭(zhēng)，又能減輕系統(tǒng)總線負(fù)擔(dān)。而板內(nèi)地址可不加驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榘鍍?nèi)地址驅(qū)動(dòng)為單向驅(qū)動(dòng)， 地址信號(hào)對(duì)系統(tǒng)總線構(gòu)成的負(fù)載不會(huì)造成系統(tǒng)工作不正常。
5 軟件設(shè)計(jì)
測(cè)試系統(tǒng)在Window 98操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)，測(cè)試軟件用基于控件對(duì)象可視化編程的Visua l Basic 6.0編制，測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理選用了Microsoft Access 7.0 。整個(gè)系統(tǒng)具備自動(dòng)、手動(dòng)測(cè)試功能，自動(dòng)測(cè)試方式自動(dòng)完成被測(cè)控制器所有通道測(cè)試，手動(dòng)測(cè)試方式測(cè)試任意單項(xiàng)、任意通道?？纱鎯?chǔ)、顯示、打印當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)并查詢歷史測(cè)試數(shù)據(jù)。
軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中共設(shè)4個(gè)模塊完成上述功能：
?、?strong>I/O端口的初始化;
②數(shù)據(jù)采集模塊;
?、弁ㄓ嵞K;
④實(shí)時(shí)顯示模塊
用于顯示數(shù)據(jù)的模塊。
組電源輸入端加入高、低頻濾波，對(duì)每個(gè)芯片電源加對(duì)地濾波，大大地降低了各芯片間的串?dāng)_;板內(nèi)電源線、地線加粗、地線敷銅，從而減少接地參考點(diǎn)隨電流的變化。
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