基于扩展总线的电法勘探数据采集仪器设计
崔益安,白宜诚,杜华坤
(中南大学 信息物理工程学院,湖南 长沙,410083)
摘要: 研究了一种新颖、实用的多通道数据采集仪器设计方法。通过可编程并行接口芯片8255将IBM-PC并行打印端口扩展成3个具有双向通讯功能的8位I/O端口,利用这3个I/O端口分别作为数据采集仪器的数据总线、地址总线和控制总线。同时,利用一组“模拟信号总线”使仪器能对模拟信号进行流水线式并行处理,很方便地实现多通道数据采集。总线设计使仪器各功能模块能实现灵活组合,动态寻址,可满足各种电法勘探的数据采集要求。
关键词: 并行口; 总线; 数据采集; 仪器设计
中图分类号:TH763.1 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)02-0288-05
Data-acquisition Instrument Design Based on Extended Bus in Electromagnetic Exploration
CUI Yi-an,BAI Yi-cheng,DU Hua-kun
(School of Info-physics and Geomatics Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: A considerable and practicable method of multi-channel data-acquisition instrument designing was presented. The parallel print ports of IBM-PC can be extended to three bi-directional 8-bit I/O ports by a programmable integrated circuit chip named 8255. The three I/O ports can be used as data bus, address bus and control bus of the data-acquisition instrument. The application of a set of ‘analog signal bus’ makes the instrument realize analog signal parallel procession by pipelining, and makes multi-channel data-acquisition come true conveniently. These buses make functional modules of instrument implement flexible combination and dynamic addressing, which satisfy various data-acquisition in electromagnetic exploration.
Key words: parallel print port; bus; data-acquisition; instrument design
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使用个人计算机(PC)来实现对仪器的控制和数据传输一般是通过串口、并口或工业标准架构(ISA)、周边组件互连(PCI)等总线来实现[1-9]。串口使用比较方便,但它的串行通信仅对控制量即数据量较小和对传输速度要求不高的场合比较合适。ISA和PCI总线则须在PC中加入相应的板卡,在不同类型的PC主板上使用时还可能出现兼容性方面的问题,这对一些便携式仪器来说使用不太方便。并口则具有支持大批量数据传输和“即插即用”等特点,因此,许多仪器都采用并口与PC通信。
大量逻辑可编程集成芯片的涌现,使得计算机控制不再局限于使用某些开关元器件,而是使用大量的有寄存器可操作或逻辑可编程的芯片。大量芯片寄存器和端口的地址寻址、指令和数据传输令印刷电路板布线设计和控制程序的编制,以及日后的维护与升级都变得相当繁琐。若仪器仪表各模块之间以及模块内部都采用总线结构,则各种寻址、指令和数据信号分时复用相应的总线各行其道。事实上,总线技术的发展已成为模块化、积木式和插卡式仪器仪表的关键支撑技术。这种结构不仅给仪器设计本身带来诸多便利,也大大提高了仪器的智能化程度,更有利于扩充、升级仪器的功能,并使仪器的故障检测与维修变得非常方便[10]。在此,作者研究了利用个人计算机并行打印口扩展三总线并引入模拟信号总线实现多通道数据采集的仪器设计方案。
1 可编程并行接口芯片8255与并行打印端口的扩展
并行打印口是广大计算机用户最熟悉和常用的计算机标准设备,并口除了常用于连接打印机外,作为通信端口实现快速数据通信,其效果也令人满意。根据IEEE1284标准,微机并行打印口有5种工作模式,其中字节模式(Byte Mode)也叫增强双向模式(EPP),是绝大多数PC(包括台式机和便携机甚至PC/104)支持的一种通讯模式。其双向的传送数据都是8位,数据口以半双工形式传送数据[11]。
可编程并行接口芯片8255是一个单+5 V电源供电,40个引脚的双列直插式组件。它具有2个8位(A口和B口)和2个4位(C口高/低4位)并行输入/输出端口的接口芯片,可为需要2台以上设备同时通信提供晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平兼容的接口,其内部结构框图如图1所示[12]。它的端口C还具有按位置位/复位的功能,可为位控制提供强有力的支持。8255在写入相应控制字后,可以有3种工作方式,其中方式0是一种基本输入/输出工作方式。方式0把8255A的24条I/O线全部用作传送数据,不设置专用应答线。这种方式常用于简单[CM(22] (无条件)传送,也可用于应答(查寻)传送,输出锁存,输入只有缓冲能力而无锁存功能。在这种工作方式下,8255分成彼此独立的2个8位和2个4位并行口,这4个并行口都能被指定作为输入或者作为输出用,共有16种不同的使用组态[6]。
图 1 可编程并行接口芯片8255内部结构框图
Fig. 1 Inner configuration frame of chip 8255
把打印端口的数据口8位数据线与8255的数据总线D7~D0相连,控制口的STROBE和AUTOFD信号分别用作8255A的端口选择地址信号A0和A1,来选择8255A芯片的PA,PB,PC以及控制字,INIT和SELIN信号则分别用作8255的WR和RD信号。这样,就把打印口的数据端口扩展出了3个彼此独立的双向8位I/O口PA,PB和PC。PA端口可以作为数据总线,PB端口可以作为地址总线,PC端口具有按位置位功能,因此,作为控制总线很方便。计算机把1个数据字(地址字或控制字)送到打印口的数据寄存器,然后,通过控制寄存器的STROBE和AUTOFD位来选通一个端口(如PB),再把INIT置低电平,即8255的WR位被置低电平,这样,打印口数据寄存器里的内容就送到了相应的总线上。
同样,通过RD信号控制可以把总线上的数据读进计算机。打印口控制寄存器相关位取值与对应的操作逻辑关系表见表1。
表 1 打印口控制寄存器取值逻辑关系表
Table 1 Logical relation table of control register in print port
2 仪器总线
针对多通道数据采集仪器的功能要求,设计了4类总线,分别是数据总线、地址总线、控制总线和模拟总线。
2.1 仪器数据总线
利用8255的PA端口作为仪器数据总线,用来传输指令或数据,8位数据1次传送,16位的数据可以分2次传送。对于某些需要串行传输的数据,则可由控制程序指定其中1位来完成操作。
2.2 仪器地址总线
8255的PB端口是8位端口,作为仪器地址总线在仪器规模较大、功能模块较多时可能不满足系统寻址要求,因此,有必要对PB端口作进一步的扩展。把高4位经4/16线译码器译码后作为功能模块寻址,低4位用作功能模块内部器件寻址,若不够,可在模块内部用译码器译码扩展。仪器的地址总线设计可实现对仪器功能模块动态寻址。这要求各功能模块有统一的端口设计,并在模块内设计有记录模块信息的E2PROM。系统开机后启动功能模块自动识别程序,实现系统动态寻址。自动识别程序流程如图2所示。
图 2 自动识别程序流程
Fig. 2 Procedure flow of automatic recognize
2.3 仪器控制总线
仪器控制总线共有8位,控制位包括读信号(/RD)、写信号(/WR)、复位信号(RESET)、输出使能信号(/OE)、同步信号(SYNC)等。控制总线定义如图3所示。
2.4 仪器模拟信号总线
在多通道数据采集仪器中引入模拟信号总线的概念(虽然它与标准的总线定义可能有一定的出入,为方便描述,称之为总线)。模拟信号总线可设8位(或16位),待采集的各通道模拟信号直接送上这些总线,各功能模块在模拟总线仲裁机构的控制下有选择地从总线获取相应待处理的模拟信号,作完相应处理后送回总线。可以称这种处理模拟信号的处理方式为模拟信号总线技术[10]。
采用这种技术后,在模拟信号处理过程中各功能模块不是按常规的处理顺序依次直接连接相通,而是通过模拟总线实现,对比示意图如图4所示。这样,模拟信号所要通过的处理模块以及通过的顺序都是可以根据需要任意改变的。多路模拟信号共享所有的硬件资源,而对其中某一路来说就好像是独占一样。同时,对于那些对处理次序要求不严格的模块,还可以实现对多路模拟信号进行流水线并行处理。此外,各功能模块相互独立,互不影响,功能模块可以非常方便地增减而不必改变硬件结构。它与传统的处理方式相比具有更多的灵活性。
图 3 控制总线定义
Fig. 3 Definition of control bus
图 4 2种不同模式的模拟信号处理流程
Fig. 4 Two kinds of procedure flow of analog signal processing
基于数据总线、地址总线、控制总线和模拟信号总线设计的数据采集仪器如图5所示。图中,模拟信号总线只有8位,而功能模块用16位接入。这是因为模拟信号从总线进入模块须用8位,处理通过另8位送回模拟总线。地址总线的高4位译码成16位后,每1位都对应寻址1个功能模块,可以寻址16个模块(图5中只给出了1个功能模块的情况)。
图 5 总线扩展示意图
Fig. 5 Sketch map of bus extending
3 多通道电法数据采集仪总体设计
电法数据采集所需的功能模块相互独立地接入总线系统。为了充分利用总线的优点,各功能模块都严格地按统一的规范模块化。规范主要用于对各模块接口的定义,由于模块之间不直接通讯,而都与总线直接交换信息,所以,各模块均以相同的接口封装,统一编址。接口包括数字信号接口和模拟信号接口两部分。数字信号接口输入输出均要求具有锁存功能,以方便总线读写操作和模块工作状态的获取。模拟信号接口的设计较为简单,用2组模拟开关即可方便实现。
可设计信号输入选择、阻抗匹配、前置信号放大、带阻陷波、高通滤波、低通滤波、主放大器、模拟傅氏变换、AD转换等信号采集必需或可能需要的功能模块[13-15], 其电法数据采集仪器示意图如图6所示。开机后, 系统自检, 自检通过后进行系统初始化, 即开始对硬件模块进行扫描, 获得地址—模块映射表, 并按映射表加载各模块的驱动程序, 系统初始化流程如图7所示。 系统获得地址—模块映射表、各功能模块均成功加载程序后, 便可在指定的工作模式下进行数据采集。 数据采集流程如图8所示。
图 6 电法数据采集仪器示意框图
Fig. 6 Frame of electromagnetic data-acquisition instrument
图 7 系统初始化流程
Fig. 7 Procedure flow of system initialization
图 8 数据采集流程
Fig. 8 Procedure flow of data-acquisition
4 结 论
a. 充分利用普通PC资源,便于控制处理,可使用常用编程语言编制相应的控制程序。
b. 使用打印口作为通讯接口,不占用PC其他端口,接插十分方便。
c. 仪器内部总线,尤其是模拟总线的引入,使动态分配仪器硬件模块成为可能,各硬件模块可在需求下实现“软性”任意组合,达到多通道、多功能的目的,方便地实现多种电法勘探的数据采集要求。
d. 仪器具有相当方便的升级空间,便于已有功能的进一步完善,新功能的不断扩展。
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收稿日期:2004-06-30
基金项目:国家“十五”科技攻关计划项目(2001BA609A-5)
作者简介:崔益安(1978-),男,湖南益阳人,博士研究生,从事智能仪器仪表、多传感器信息融合研究
论文联系人: 崔益安,男,博士研究生;电话:0731-8830613(O);E-mail: csu-iag@mail.csu.edu.cn
