超聲波液位計自動校正液位的探討  二十七

4.4 超聲信號高速采集電路

在采用脈沖回波法的基礎上，針對復雜環境下回波信號多變的性質采用了完整的回波信號采集方法。該方法實現的重要環節之一就是數據采集卡的設計，由數據采集卡來獲取完整的超聲波回波數字信號，然后采用計算脈沖回波的到來時刻。

4.4.1 采集卡功能及結構

為了滿足 Shannon 抽樣定理，設定采集卡單通道采集的采樣頻率為20MHz，數據緩存容量64K。采集卡通過ISA 總線進行數據采集和傳輸，由PC104 來完成數據處理。采集卡采用間隙式采樣方式，每發射一次超聲波，采集卡自動完成采樣并將數據保存在數據緩存中；CPU 的讀取數據并處理完后再進行下一次超聲發射和采樣。

發送超聲波的間隔可調，一般在2～5ms。采集卡上配置的數據存儲器采用內存映射技術來訪問。采集卡結構如圖4－5 所示。采軟件啟動采集卡后，采集卡按所選的采樣頻率和存儲深度進行數據采集，無需處理器的干預。

4.4.2 采集卡單元電路設計

該部分電路為數據采集系統的核心。鑒于采樣速度的考慮，ADC 采用美國德州儀器公司生產的半閃爍式8 位高速模數轉換器TLC5540。該器件使用+5Ｖ單電源供電，最大采樣頻率為40Mbps，輸入信號頻率帶寬可達75MHz 以上，有內置基準電壓源，芯片外圍器件少，而且在高速轉換的同時能夠保持低功耗。另外，TCL5540內部還配備有標準的分壓電阻，可以從+5V 的電源獲得2V 滿刻度的參考電壓。ADCTLC5540 與數據緩存的接口電路。

(2) 地址產生電路

每當卡上存儲器存入一個數據后地址自動加1，以便存入下一個采樣數據。該電路主要由5 片74HC161 級聯后來產生這17 位地址信號。74HC161 是個同步4 位二進制可預置計數器，該器件常應用于高速計數設計。地址產生電路在時鐘上升沿計數輸出，產生的地址范圍0x00000－0x1FFFF。地址產生電路時鐘與ADC 采樣時鐘同步，使得卡上數據存儲器存儲的數據由低地址到高地址滿足時域上的關系，以便于測量超聲波回波時間差。

 (3) 數據緩存電路

ADC TLC5540 采樣數據寫入數據緩存時，該20Mbps 的高速數據流在數據分配時鐘的作用下依次按地址產生電路產生的地址存入存儲器。在20Mbps 的采樣速度下所需存儲容量略大于32K。考慮現場中可能溢出等不穩定因素，卡上存儲器存儲深度設定為64K。為滿足系統可靠性設計，卡上存儲器選用物理容量為128K 的IS61C1024。IS61C1024 是高速、低功耗8 位CMOS 靜態存儲器。

由于CPU 系統主板占用了1M 以下的大部分內存，剩余可用的內存空間為C8000H－D7FFFH 范圍內的64K 內存。所以，當CPU 以20 位地址線來讀取時，要求把這個64K 地址映射到上位內存(UMB)地址空間0xC8000－0xD7FFF。系統讀卡上存儲器其實就相當于訪問內存空間C8000H－D7FFFH。比較兩個地址范圍的低17位，也就是A15、A16 這兩個地址位不一樣，在CPU 讀卡上存儲器時，將A16A15 兩位地址位由GAL 來譯碼轉換。ADC 采樣數據寫入卡上存儲器的寫時序。

(4) 邏輯控制電路及時鐘電路[30]

邏輯控制電路采用GAL 譯碼，高位地址譯碼片選信號。8255 擴展的并口作為控制信號來控制地址產生電路的清零信號、總線隔離器的使能和方向控制信號、存儲器的讀寫控制信號。對于存儲器的讀寫操作分為采樣寫操作、CPU 寫操作、CPU 讀操作等，其控制信號用GAL 譯碼的時候要區別對待。設置一時鐘使能位Enclk，采樣時鐘和地址產生電路計數時鐘均由晶振時鐘與Enclk 位相與所得。所以，Enclk 為邏輯1 表示時鐘打開，為邏輯0 表示時鐘關閉。

通過上述各方面的設計，并結合PC104 工控機的各標準化串行接口、并行接口以及顯示控制板等，共同完成超聲液位測量系統的硬件功能。

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