便携式数据采集分析仪的研制

(4) A/D 程控滤波、程控放大功能

根据不同的采样频率，对一些高频噪声进行低通滤波，滤波截止频率可由程序控制选择；不同传感器信号输出范围不一样，为保证A/D 转换精度必须对输出范围小的模拟信号进行放大，具体倍数可由程序控制。

(5) 差分应变放大器选择功能

对于压力温度或磁电式传感器需要应变放大，我们设计了五路应变放大器，这样省掉了外加应变放大器，为试验带来方便，可用程序控制硬件电路自动实现是否放大选择。

(6) A/D 输入通道同步采样/保持的选择功能

许多道路试验要求数据采集过程中各通道采样点相位一致，所以要求A/D 各通道具备采样/保持性能。是否使用采样/保持可由程序控制选择。

(7) 系统自检功能

在系统中，我们设计了一个2.5V 标准信号参考源和一个100HZ 标准脉冲方波，可以通过外部端子线输入相应的模拟或脉冲通道，这样可不用外加标准信号源即可对系统进行标定，或对整个系统采集功能进行检测，可以查出某一个模拟或数字输入通道是否有故障。

(8) 信号示波器跟随监视功能

可对采集的信号进行实时跟踪显示，可及时发现传感器信号输入情况及量程合适与否，减少试验的重复性，显著提高试验效率。

比如说有一速度信号，插头接触不良或连线断了，从前只能是经过数据分析处理之后，通过读取数据或结果曲线才能发现，试验必须从头做，这不仅浪费了时间而且也提高了试验成本。

(9) 单一工作电源，反向保护功能

笔记本电脑工作电源是+15V，那么外部输入就需要+24 V，以往用的是由两个12V 电瓶串起来组合电瓶，如果只使用一个+12V 电瓶供电，那么就得外加一个逆变电源给笔记本供电，但市售逆变电源体积和重量都非常大，这两种方式都非常麻烦。这次开发使用了一个国外最新研发的逆变器电源DC1550，它体积小、功率大，实现了整个采集仪共用一个+12V 电瓶即可工作的目的。由于该逆变电源价格昂贵达四千余元，电源极性不能接反，否则会立即烧毁。我们加了一个大功率二级管实现反相接入保护功能。

3.2 系统研发路线及总体方案确定

为了达到系统满足上述新型数据采集分析仪的研发目标，并满足上述采集仪具体性能的要求，我们制定了如下系统研发路线及总体方案：

3.2.1 采用商用笔记本电脑作数据采集仪主控计算机

车载数据采集系统中的主控机的只能用便携式计算机，共有两种两种可供选择：一种是工业级便携式计算机，不仅价格昂贵而且非常笨重，可靠性高一些是唯一的优点。另一种是我们常用的商用笔记本电脑，价格是工业级笔记本电脑的1/3，而且轻巧、携带移动非常方便，只是在车上使用可靠性差一点，但广大试验人员喜欢用这种，所以以往并非完全考虑价格问题，采用的都是这种性能价格比较高的商业笔记本电脑，所以我们这次采用台湾产WINBOOK380 微型笔记本电脑，它具有体积小，结构紧凑，可靠性高，抗振动，抗干扰能力强等特点。

3.2.2 开发打印机并行口总线数据采集接口板

我们这次迫切开发新型系统采集仪，就是因为原来那种ISA 扩展总线的笔记本电脑已经淘汰了。当今流行的笔记本电脑只有串口、并口和USB 接口。串口只是一个通讯接口，USB 是一种流行接口，但这次开发我们没有采用，主要是两个原因：一是开发任务迫切许多单位等着使用，由于USB 接口协议非常复杂几乎不能在DOS 环境下使用，这样必须得在WINDOWS 环境下编制驱动程序，而原有的分析处理软件也必须得在WINDOWS 环境下全部重新编制调试，工作量至少得需要二人年；另一方面需要购置USB接口板，由于两年前USB接口开发资料非常少当时自行开发不了。尽管市场上有了一些现成的USB接口采集板，但象有24 路模拟通道、带有应便放大采样保持，5 路16 计数器、内/外部时钟触发的USB 接口采集板是根本没有的。如果外委专业公司设计，因为我们用量少而不愿干，或愿意干要价也太高，我们难以接受，而且这些板对于我们使用、维护都不方便。所以我们决定采用EPP 打印机并行口，它具有8 位双向数据实现并行通讯功能。一般来说它是做两个设备之间的高速双向通讯接口，但通过对该接口功能及时序分析，我们认为经过一定的改造和特殊设计，完全可以变成一个类似ISA 总线的接口，所以决定开发设计打印机并行口总线数据采集接口板。

3.2.3 信号输入通道及稳压/逆变电源的集成面板总成设计

以往开发的采集仪所用的笔记本逆变电源、采集板用的稳压电源和数据采集扩展板都是单独模块，把他们装到机箱里会导致散热不好，而且连线多而乱，拆装非常不方便。我们决定充分利用仪器面板正反两面，进行结构性紧凑优化设计和安装。将整个仪器所用全部输入信号端子插座、电源模块和采集接口板都装到面板上，不仅为维护和拆装带来方便，而且散热良好，提高了系统可靠性。

3.2.4 采集、分析处理程序及仿WINDOWS 界面的集成界面的DOS 环境开发

如果使用WINDOWS 环境，就得需要全部编制驱动程序和试验采集和分析处理程序。前面也讲过利用WINDOWS 环境开发程序得需2 人年，时间太长；最重要的是由于WINDOWS 是多任务系统，直接控制EPP 接口最高采样频率只能达到2K，若设计带有大缓存的数据采集板，这又要增加了开发时间和开发成本。为了保证研发进度我们决定还是采用DOS 环境，由于DOS 所需资源少，硬件控制速度完全能够满足试验要求。

由于更换了总线，系统采集程序需要全部重新编制，对以往的数据采集分析处理程序进行了优化移植，并利用一些特殊的软件技术开发了一些新的功能模块。为了与WINDOWS 接轨，又开发了完全可以以假乱真的、用户非常满意的仿WINDOWS 界面，为用户操作带来方便。

4 系统研发方案实施的技术关键

4.1 EPP 打印机并行接口的工作时序研究

无论是台式还是笔记本电脑，最初的25 个插针的并行口都是为打印机设计的，数据只能单向传输，且速度非常慢，只能达到200K。1997 年INTEL 公司发起制定了EPP 并行接口协议，极大地提高了PC 机并行口数据传输能力，使打印机打印速度明显提高；同时EPP 并行接口可作两个设备的高速通讯接口，如并口光驱、软驱等。通过资料分析研究明，EPP 协议除了保留了原来的SPP 标准控制等信号外，最大的不同是将原来8 位数据线由原来的单向变成了双向；而且增加了主机向外围设备发出数据的控制信号以及外设向主机发送数据的中断请求信号。

4.2 并行接口的“总线化”电路设计

通过上述分析， EPP 口可以实现双向高速并行通讯，但这是两个独立的智能设备之间的通讯，如两台计算机之间或计算机与另一个智能单片机控制的设备之间的通讯。如计算机控制打印机，打印机本身内部就有一个嵌入式单片机，象PC 机读取光驱数据都是通过并口控制光驱内单片机完成的。因为它没有地址信号，从而不能产生多个片选信号，从而只能带一个非智能扩展接口。而我们开发的A/D 数据采集板，不仅有A/D 转换器，还有多片定时计数器及多片 IO 接口，那么就得需要多个片选信号。而EPP 并行口只有8 位数据信号，没有地址信号就不能产生片选信号，这样EPP 并行口根本不能直接与采集板的各种接口芯片相联。按正常逻辑和方法就得用一个高性能的单片机来控制这些芯片，才能满足系统最高200K采集频率的需要。我们历经三次修改方案，创造性地开发了“EPP并行口数据/地址复用电路”，成功地实现了并行接口的“总线化”，解决了EPP 并行口没有地址信号而不能扩展多个接口芯片的难题。

4.3 解决信号输入通道模拟开关及及同步采样/保持器的自动控制问题

为了简化程序控制指令数目，提高A/D 转换效率，我们采用了一个计数器与比较器硬件电路，实现了模拟开关及及同步采样/保持器的自动控制功能。主机可对比较器一个输入端设定通道个数，计数器输出端同模拟开关和比较器的另一输入端相连，转换完成信号与计数器触发脉冲端相连，当计数值与计数器设定值相等时，比较器将计数器清0，使系统自动按通道号由小至大顺序依次往复转换。同理在转换零通道号时，各通道开始执行保持功能。

4.4 解决程控计数器在线飞读高低位互置问题

一般扩展板使用的计数器采用的都是价格便宜、便于扩展的常用芯片8253。它是一个16 位计数器，但由于它的高8 位和低8 位共用一个地址，只是用读写先后顺序来区别。一般是在计数器停止时读取它的数据是非常准确的，但是我们读取速度等计数值时芯片始终处理计数工作状态，也就是所谓的“飞读”。

这样实际读取的结果容易产生高位低位互换情况，造成整个计数值错误。国外设备一个16 位计数器是采用一个单片机完成的，这样要增加了成本和复杂度。我们经过反复探索和试验，最后设计了采用初始化“零复位”原理，采用两个计数器级联方式组成一个16 位计数器，成功地解决了高低位互换问题。