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由PC104控制模塊和Cgnal C8051F06x單片機組成的控制檢測板可用于高端檢測設備中，充分利用PC104控制模塊和單片機豐富的軟硬件資源，可用于各種檢測應用中。 在開發檢測設備的過程中，可采用核心板加底板的設計方法來降低技術難度，實現可編程、高性能、開發簡單、擴展性強的設計方案，并且稍加改動就可以很容易地應用到其他領域。 核心板采用PC104控制模塊，利用其強大的處理能力來處理數據，如數據存儲、數據分析、數據評估，尤其是友好的GUI簡化了用戶的使用難度。底板采用Cgnal8051F06x、雙口RAM和緩沖寄存器，利用C8051F06X單片機豐富的軟硬件資源來實現可編程，可設置的各種復雜功能。核心板與底板之間只有一個通信路徑PC104總線，可以分開設計，分別實現，簡化了開發難度。 系統硬件結構及工作原理 系統結構及特點 系統有核心板PC104控制模塊與底板Cgnal C8051F06x為核心的AD檢測板組成，兩板之間通過PC104總線相連，分別供電，任何一個電路板出現問題都不會影響另一塊電路板的工作。 系統硬件框圖如圖1所示，主要包括核心板、底板兩部分。核心板主要包括PC104模塊、液晶、觸摸屏、其他擴展模塊，以及電源和與底板相連的PC104總線。底板主要包括C8051F06X控制核心單元、數字電路、模擬電路、雙口RAM、緩沖寄存器和專用電源等。 圖1 系統硬件原理框圖 下面介紹系統工作原理。底板上電復位后讀出存儲在單片機內部閃存中的設置值，并按照設置值初始化相關的數字電路和模擬電路部分，然后將雙口RAM的控制權交給核心板。進入正常工作狀態后，不斷查詢雙口RAM的協議區和緩沖寄存器。按接收到的核心板的命令來執行，并將執行結果通過雙口RAM反饋給核心板，然后核心板再根據底板的反饋數據進行相應的處理。上電后，核心板首先初始化相關硬件，如PC104控制模塊、液晶、觸摸屏和其他擴展模塊。啟動完畢后開始查詢底板的工作狀態，當底板準備好接收控制字時開始啟動GUI程序，并將觸摸屏的輸入權交給用戶，此時用戶就可通過觸摸屏和液晶顯示的GUI界面來控制整個系統來完成相應的功能。 控制核心PC104控制模塊具有豐富的軟硬件資源，包括專用的顯卡控制器、GUI軟件、多種操作系統的支持、多功能的電子盤存儲方案、鐵電存儲器或電池后備的512K SRAM存儲器、用于擴展外設的ISA總線接口、以太網控制器。在BIOS中集成的虛擬顯示技術可以使用戶在虛擬顯環境中進行編程和調試，可以充分利用現有PC上大量的優秀軟件作為開發工具。 顯示器采用TFT 640X480 6.3英寸256色的LCD。采用觸摸屏做為輸入設備，通過軟件編程來實現用觸摸屏的輸入，代替標準的鍵盤輸入和鼠標輸入，還可實現手寫筆收入。系統還可以增加GPRS模塊、紅外模塊或其他無線通信模塊，提供無線通信功能。 底板的控制核心是C8051F06X單片機，由單片機可以實現各種外設在CPU引腳上的配置，實現各種復雜的檢測模式，如采樣頻率、采樣長度、采樣闞值電壓和采樣范圍均可設置，除此之外還要實現各種狀態的指示，以及其他外設的配置。 為解決底板和核心板之間的通信問題，在設計中采用雙口RAM加緩沖寄存器的解決方案。 底板實現 因為要用于手持設備，所以在供電上使用12V的電池供電。為提高系統的穩定性，在電源模塊上使用3個DC/DC分別為底板、核心板和模擬電路供電，電路如圖2所示。 圖2 底板電路電源部分原理圖 POWER為電源的輸入端，即電池供電的輸入端。DC0核心板供電電路，主要向核心板提供電源。DC1為模擬電路供電電源。DC2為外接傳感器供電。L0為5V電源指示燈。 底板電路模擬電路部分如圖3所示。 圖3 模擬電路部分 AIN為傳感器的接入插座。電阻R04和R08，R12和R10分別與LF357構成反向比例放大電路，將傳感器弱電信號放大到CPU可以處理的信號。R03和R11為此放大電路的匹配電阻，阻值的計算公式為R03=R04//R08，R11=R12//R10。C10和C13為隔直電容，C11和C14為濾波電容用來濾除信號中的噪聲。 底板的核心部分電路如圖4所示。 圖4 底板的核心電路 U1底板的核心CPU C8051F06X為整個底板的核心，底板的所有操作均由其控制實現。U4為地址鎖存器373。U9為總線驅動器，實現3.3V到5V的轉化。本部分電路均為3.3V器件。 底板核心器件的供電電路及其他部分電路如圖5所示。 圖5 底板核心器件的供電電路和其他電路 U10為1117用來實現將5V輸入變成3.3V輸出。L3為工作狀態指示燈。FMQ1為蜂鳴器。C30～C36為去偶電容。R26、R27、C21和C22構成上電和按鍵復位電路。L1、L2為電源指示燈。JTAG則為JTAG調試端口。 PC104總線電路原理圖如圖6所示。 圖6 PC104總線的電路原理圖 由于底板與核心板的連接方式是通過PC104總線相連，并且由于核心板是5V供電，而底板核心器件均是3.3V，所以在原理圖上U5、U7、U8、U11、U12都是將5V輸入轉化成3.3V輸出。 軟件設計 底板部分程序 底板是本方案中檢測部分，所有與信號有關的檢測部分均在此板上實現。因此在底板程序設計上采用模塊化設計，所有模塊均可通過邏輯宏加載卸載。 對不使用的功能可以使用#undef宏指令或用//將其注釋掉均可。采用這種編程的優勢是，當系統增加功能時只需加載相應的模塊即可，對不需要的模塊可以將其關閉，即可節省閃存空間，又可加快執行效率。 核心板部分PC104控制模塊 核心板是本方案設計中控制核心，AD檢測底板的所有功能均由其控制。在其上主要實現GUI界面，編程開發環境可以使用VB、VC、BC、C++Builder。主要流程為AD板檢測、GUI界面設計和數據處理，等等。在本方案中使用Visual C++ 6.0開發環境來開發。 設置選項主要管理與所有與系統有關的設置，例如AD采樣方式設置(差分、單端)、采樣頻率、采樣長度、采樣闞值電壓、采樣窗口電壓、系統時鐘設置等等；文件管理主要管理存儲器如CF卡上的存儲空間，例如存儲空間有多大，占用了多少，還剩下多少，等等；顯示屬性則主要顯示整個系統的所有屬性設置值和出廠的默認值等；現場檢測是將現場檢測的數據用曲線的形式表現出來，并可存儲成圖形文件的形式為以后分析使用；數據分析則是將現場檢測的數據、曲線與理想狀態的數據、曲線進行比較，并給出產生數據、曲線差異的可能原因和解決方法。 提高可靠性 為提高本系統的可靠性，除在硬件電路上加電源層、地面層、每個IC都加去藕電容外，在軟件設計上也采用了一些獨特的設計來增加系統的可靠性。 在雙方的RAM通信協議上使用規范化的協議標準，包括數據塊頭、數據塊有效字節數、數據塊控制命令碼、數據塊命令碼模式、數據塊命令碼參數列表長度、數據塊命令碼參數列表、數據塊數據長度、數據塊數據和較驗數據。在不太復雜的應用中可以使用簡化的形式，例如較驗數據可以使用奇較驗、偶較驗、和校驗和CRC校驗，在一般的應用中采用和校驗即可。 存儲區分區管理。將通信使用的雙口RAM分為協議區和數據區，既增加了雙口RAM的使用效率又使軟件編程結構清晰，同時增加了系統操作的可靠性。 軟件看門狗的使用。在核心板和底板都使用了各自的軟件看門狗，即分別保證核心板和底板的可靠性外，還使它們發生故障時相互的影響降到最低。 本設計方案具有體積小、功耗低的優點，可用電池進行供電，可以當作一個手持設備使用。 |
