超声波液位计自动校正液位的探讨  二十七

4.4 超声信号高速采集电路

在采用脉冲回波法的基础上，针对复杂环境下回波信号多变的性质采用了完整的回波信号采集方法。该方法实现的重要环节之一就是数据采集卡的设计，由数据采集卡来获取完整的超声波回波数字信号，然后采用计算脉冲回波的到来时刻。

4.4.1 采集卡功能及结构

为了满足 Shannon 抽样定理，设定采集卡单通道采集的采样频率为20MHz，数据缓存容量64K。采集卡通过ISA 总线进行数据采集和传输，由PC104 来完成数据处理。采集卡采用间隙式采样方式，每发射一次超声波，采集卡自动完成采样并将数据保存在数据缓存中；CPU 的读取数据并处理完后再进行下一次超声发射和采样。

发送超声波的间隔可调，一般在2～5ms。采集卡上配置的数据存储器采用内存映射技术来访问。采集卡结构如图4－5 所示。采软件启动采集卡后，采集卡按所选的采样频率和存储深度进行数据采集，无需处理器的干预。

4.4.2 采集卡单元电路设计

该部分电路为数据采集系统的核心。鉴于采样速度的考虑，ADC 采用美国德州仪器公司生产的半闪烁式8 位高速模数转换器TLC5540。该器件使用+5Ｖ单电源供电，最大采样频率为40Mbps，输入信号频率带宽可达75MHz 以上，有内置基准电压源，芯片外围器件少，而且在高速转换的同时能够保持低功耗。另外，TCL5540内部还配备有标准的分压电阻，可以从+5V 的电源获得2V 满刻度的参考电压。ADCTLC5540 与数据缓存的接口电路。

(2) 地址产生电路

每当卡上存储器存入一个数据后地址自动加1，以便存入下一个采样数据。该电路主要由5 片74HC161 级联后来产生这17 位地址信号。74HC161 是个同步4 位二进制可预置计数器，该器件常应用于高速计数设计。地址产生电路在时钟上升沿计数输出，产生的地址范围0x00000－0x1FFFF。地址产生电路时钟与ADC 采样时钟同步，使得卡上数据存储器存储的数据由低地址到高地址满足时域上的关系，以便于测量超声波回波时间差。

 (3) 数据缓存电路

ADC TLC5540 采样数据写入数据缓存时，该20Mbps 的高速数据流在数据分配时钟的作用下依次按地址产生电路产生的地址存入存储器。在20Mbps 的采样速度下所需存储容量略大于32K。考虑现场中可能溢出等不稳定因素，卡上存储器存储深度设定为64K。为满足系统可靠性设计，卡上存储器选用物理容量为128K 的IS61C1024。IS61C1024 是高速、低功耗8 位CMOS 静态存储器。

由于CPU 系统主板占用了1M 以下的大部分内存，剩余可用的内存空间为C8000H－D7FFFH 范围内的64K 内存。所以，当CPU 以20 位地址线来读取时，要求把这个64K 地址映射到上位内存(UMB)地址空间0xC8000－0xD7FFF。系统读卡上存储器其实就相当于访问内存空间C8000H－D7FFFH。比较两个地址范围的低17位，也就是A15、A16 这两个地址位不一样，在CPU 读卡上存储器时，将A16A15 两位地址位由GAL 来译码转换。ADC 采样数据写入卡上存储器的写时序。

(4) 逻辑控制电路及时钟电路[30]

逻辑控制电路采用GAL 译码，高位地址译码片选信号。8255 扩展的并口作为控制信号来控制地址产生电路的清零信号、总线隔离器的使能和方向控制信号、存储器的读写控制信号。对于存储器的读写操作分为采样写操作、CPU 写操作、CPU 读操作等，其控制信号用GAL 译码的时候要区别对待。设置一时钟使能位Enclk，采样时钟和地址产生电路计数时钟均由晶振时钟与Enclk 位相与所得。所以，Enclk 为逻辑1 表示时钟打开，为逻辑0 表示时钟关闭。

通过上述各方面的设计，并结合PC104 工控机的各标准化串行接口、并行接口以及显示控制板等，共同完成超声液位测量系统的硬件功能。

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