高精度ISA總線測試板卡設(shè)計 - 全文

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　　本文介紹了Windows 98環(huán)境下基于PC機(jī)工業(yè)控制器自動測試系統(tǒng)，著重論述了如何保證 自行設(shè)計的ISA總線測試板卡系統(tǒng)精度以及設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程中的抗干擾、總線驅(qū)動等關(guān)鍵問題?

　　1 概述

　　工業(yè)控制器作為工業(yè)監(jiān)測控制的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用越來越廣泛，然而其使用前的測試還 停留在人工測試階段，采用人工測試存在測試時間長、不夠精確等缺點(diǎn)。本文作者在Window s 98下開發(fā)的基于PC機(jī)工業(yè)控制器測試系統(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校驗(yàn)和開關(guān)量信號的自動測試。該測試系統(tǒng)的開發(fā)為工業(yè)控制器的測試提供了一種快速、準(zhǔn)確、可靠的自動測試工具。

　　2測試系統(tǒng)組成及原理

　　為使測試系統(tǒng)有良好的用戶界面，縮短開發(fā)周期，測試系統(tǒng)采用了現(xiàn)成PC機(jī)加上自行設(shè)計 的ISA 總線I/O測試板卡的設(shè)計方案，其核心是一個基于ISA總線測試板卡的數(shù)據(jù)采集與控制 系統(tǒng)。測試系統(tǒng)由PC機(jī)主板、ISA總線測試板卡、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)和相應(yīng)的測試軟件 組成，參見圖1，測試板卡信號輸出端(AO，DO)和控制器的信號輸入端(AI，DI)連接 ，測試板卡信號輸入端(AI，DI)和控制器的信號輸出端(AO，DO)連接，PC機(jī)的RS232串 口和被測控制器的RS232串口相連，形成若干閉環(huán)測試回路。

　　當(dāng)測試控制器的AI通道時，通過測試板卡的AO通道向被測試控制器發(fā)出測試激勵信號(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，得出該測試點(diǎn)測量精度;控制器AO通道的測試是先通過串口發(fā)給定值到控制器模擬輸出通道，通過測試板卡的AI通道采集實(shí)測值，計算該點(diǎn)測量精度。開關(guān)量的測試與之類似，將給定邏輯值和實(shí)測邏輯值進(jìn)行比較即可。

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　　3 測試板卡框圖及簡介

　　測試板卡框圖見圖2，測試板卡由模擬輸入通道、模擬輸出通道，開關(guān)量信號的 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電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、多路模 擬開關(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路開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入輸 出信號為4~20 mA?電流，模擬量輸入的測量精度為0.125 ‰，模擬量輸出的測量精度為 0.5 ‰。開關(guān)量輸入信號為無源觸點(diǎn)或TTL電平輸入，開關(guān)量輸出信號為TTL電平輸出，足以滿足工業(yè)監(jiān)控器的精度測試和電氣連接要求。

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　　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)計中從7個方面進(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0-20mA變換成0-2V電平信號，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

　　 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器測量的是輸入電壓在積分時間間隔內(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)換時鐘頻率應(yīng)限制在166 kHz內(nèi)，取信號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精度的影響，且電流傳輸時兩線間呈低阻，使外界干擾對傳輸線的作用減小。

　　(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“?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)計的高穩(wěn)定性恒流源電路

　　 恒流源電路如圖3所示，前級電路將MAX547輸出電壓值+2?5 V轉(zhuǎn)換成與后級電路輸出電 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。后級電路起信號轉(zhuǎn)換、恒流驅(qū)動作用，即將前級輸出電壓變換成電流輸出，并保證輸出電流信號不隨外加負(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)字部分的電流不會流到模擬回路中去。

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　　4.2 抗干擾措施

　　 測試系統(tǒng)位于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，且和被測控制器近距離連接，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端口地址與存儲單元地　址　重疊，需用指令來區(qū)別是對存儲器

　　存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲器，計算機(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I/O地址操作。因此，板卡的端口地址譯碼電　路應(yīng)同時加I/O讀(或I/O寫)指令和表示DMA操作正在進(jìn)行的AEN之反向信號來限定，當(dāng)CPU　或DMA訪問存儲器時，端口地址譯碼電路的輸出就不可能有效。

　　4.4　　總線驅(qū)動

　　測試板卡板內(nèi)總線驅(qū)動是必須的，在板內(nèi)加雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動，既可避免發(fā)生數(shù)據(jù)總　線競爭，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，因?yàn)榘鍍?nèi)地址驅(qū)動為單向驅(qū)動，　地址信號對系統(tǒng)總線構(gòu)成的負(fù)載不會造成系統(tǒng)工作不正常。

　　5　　軟件設(shè)計

　　測試系統(tǒng)在Window　98操作系統(tǒng)下開發(fā)，測試軟件用基于控件對象可視化編程的Visua　l　Basic　6.0編制，測試數(shù)據(jù)存儲管理選用了Microsoft　Access　7.0　。整個系統(tǒng)具備自動、手動測試功能，自動測試方式自動完成被測控制器所有通道測試，手動測試方式測試任意單項、任意通道。可存儲、顯示、打印當(dāng)前測試數(shù)據(jù)并查詢歷史測試數(shù)據(jù)。

　　軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)中共設(shè)4個模塊完成上述功能：

　　①I/O端口的初始化;

　?、跀?shù)據(jù)采集模塊;

　　③通訊模塊;

　?、軐?shí)時顯示模塊

　　用于顯示數(shù)據(jù)的模塊。

　　組電源輸入端加入高、低頻濾波，對每個芯片電源加對地濾波，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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