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摘要：本文给出了由PC104工控机与AD7864为核心构成的雷达发射机数据采集模块的设计方案。介绍了数据采集和转换的详细工作过程。
关键词：AD7864；PC104工控机；数据采集；雷达发射机
引言
栅控行波管放大器以其高增益、高功率输出、相对低造价的特点，在雷达发射机中被广泛采用。由于它工作在高压、高功率、脉冲状态，必须对其各级工作电压、电流进行实时精确的监测，以确保其稳定工作。
在对行波管工作参数进行测量时，需要同时采集多路信号，如灯丝电流、栅偏压电压，离子泵电流、阴极电压、阴极电流、散焦电流等，再通过一定的算法来判定行波管的工作情况。在这个过程中，多路信号同时采样对发射机监控系统的判定准确性有着很重要的意义。
一般的A/D转换器内部只有一个采样保持器，着要实现多路同时采样，或者使用多个A/D转换器，或者加额外的采样保持器。AD7864可以适应这个需求，它是4通道同时采样、顺序转换的高精度A/D转换器，其高速并行输出接口可与PC104工控机总线直接相连，PC104响应其转换结束中断取数，由此方案实现对多路行波管工作参数的精确测量，具有精度高，电路结构简单，系统功耗低的特点。AD7864
AD7864是美国ADI公司生产的一款高精度、高采样频率、低功耗的信号采集芯片，分辨率为12位，可实现4通道同时采样。AD7846的转换时间为1.65us/CH，采样保持时间为0.35us，单通道最高采样频率为500kSPS。若四通道同时采样，每通道最高采样频率可达130kSPS。信号输出采用12位高速并行数据输出接口，不需要电平转换等处理，可直接连接MCU。通道选择可以通过硬件或软件实现。数据转换和读取可以选用内部时钟模式或外部时钟模式。
AD7864通过引脚/INT/EXTCLK来选择工作在内部时钟模式还是外部时钟模式。内部时钟模式可最优化AD7864的特性，转换时间为1.65us，采样频率可达到最高。而外部时钟模式的最高时钟频率是5MHz，转换时间为2.6us。
AD7864可以选择VINl到VIN4这4个通道的任意子集来进行数据转换，被选择的通道按升序排列进行转换。通道选择可以通过硬件通道选择引脚(SLl到SL4)或可编程通道选择寄存器来实现。
处理器读取AD7864转换后的数据有两种方法：转换中读取和转换后读取。前者是在下一个通道转换完之前读取前一个通道的数据。后者则是在所有通道都转换完读取数据。
转换中读取数据芯片可以达到最高的数据吞吐率。其具体工作过程如下：一次转换从转换起始信号/CONVST的上升沿开始，4个采样保持器同时处于保持状态，1.6us后，得到转换顺序中第一个通道的数据，每个通道的转换次转换的结束。BUSY输出信号表示所有选择通道转换都完成。每次/EOC信号变成低电平，执行一次读操作。
转换后读取数据的具体工作过程如下：在转换起始信号/CONVST上升沿，4个采样保持器进入保持状态，开始对选择的通道采样。同时，BUSY输出信号被触发为高电平，并在转换过程中一直保持为高，当全部通道转换结束后，才变为低电平。/EOC信号在每一个通道转换结束时均有效。全部通道转换后的数据保存在AD7864内部相应的锁存器中。全部通道转换结束后，当片选信号和读信号有效时，就可以按照转换顺序从数据总线上并行读取数据。发射机数据采集模块硬件设计
发射机数据采集模块以PC/104工控机为核心，由PC/104工控机、AD7864信号采集芯片、接口逻辑电路、数据采集输入电路等电路组成。完成对发射机行波管灯丝电流、栅偏压电压，离子泵电流、阴极电压、阴极电流、散焦电流、收集极电流、栅极脉冲电压、输出功率、反射功率共十路信号的实时采集，共采用三片AD7864同步采样和转换。
上述十路信号中行波管灯丝电流、栅偏压电压，离子泵电流、阴极电压为直流信号，而阴极电流、散焦电流、收集极电流、栅极脉冲电压、输出功率、反射功率为脉冲信号，信号脉宽最窄为0.4us，十路信号还必须同时采样。按通常的设计，对0.4us的脉冲采样必须采用采样频率大于10MSPS的高速A/D才能真实还原脉冲的信息。这样会带来很大的数据处理量，而实际上我们只关心脉冲期间的数据，脉冲间歇期的数据对我们来说是无用的。而且高速A/D的输入信号基本都在±2.5V以内，在发射机这种高压、高功率、大电流的工作环境里，信号很容易受到干扰，很难实现对信号的精确采样。
采用AD7864就可很好的解决上述矛盾，将发射机定时器产生的采样脉冲同时加到三个AD7864的/CONVST端，将十路信号同时保持顺序转换，十路信号全部转换结束后再由PC/104工控机控制将十组数据顺序读出。
为了将数据采集模块和发射机的高压、高功率、大电流工作环境进行有效的隔离、简化数据采集模块的电路设计，在模拟信号的取样输入端全部采用霍尔传感器和电流互感器，将处于高压回路的电流和电压检出。传感器的输出信号范围全部标定在±5V以内。这样可省去十路信号调理电路，并且确保高、低压回路的电气隔离，提高了数据采集模块的工作可靠性。
数据采集模块硬件如图1所示。图中A1为FC/104工控机，D1为接口逻辑电路。D1采用Lattice公司的高性能CPLD-lspl048E实现，完成地址译码、取数中断信号产生、转换起始信号/CONVST产生等功能。
三个AD7864均采用内部时钟模式，/INT/EXT CLK置低电平；采用硬件通道选择，/WR、SLl-SL4置高电平，/H/S SEL置低电平；通道信号输入范围定为±5V，VINXA和VlNXB短联；数据读出采用转换后读取数据模式，待十路信号全部转换完成后触发PC/104工控机外部中断，将数据顺序读出。
数据采集和转换的工作过程如下：
1.接口逻辑电路D1根据发射机的工作状态产生转换起始信号/CONVST加到三个A/D上，三个A/D同时对十路信号采样保持并按预定顺序开始转换，此时三个BUSY信号均保持高电平。
2.十路信号全部转换完成后，三个BUSY信号由高电平变为低电平，十路数据全部锁存在AD7864的内部锁存器里。接口逻辑电路将三个BUSY信号处理后在最后一个BUSY信号的下降沿产生中断请求信号，触发PC/104工控机的外部中断。
3.PC/104工控机响应中断后，按约定的地址控制接口逻辑电路，将相应的片选信号/CS和读使能信号/RD同时设置为低电平。PC/104工控机在每个约定地址顺序进行四次读操作，将十路数据顺序读出。
结语
基于AD7864和PC/104工控机的发射机数据采集模块已成功应用到某雷达发射机中，解决了发射机十路信号同步采样的问题，实现了对发射机核心器件一行波管工作参数的实时精确监测，提高了故障保护速度。
关键词：AD7864；PC104工控机；数据采集；雷达发射机
引言
栅控行波管放大器以其高增益、高功率输出、相对低造价的特点，在雷达发射机中被广泛采用。由于它工作在高压、高功率、脉冲状态，必须对其各级工作电压、电流进行实时精确的监测，以确保其稳定工作。
在对行波管工作参数进行测量时，需要同时采集多路信号，如灯丝电流、栅偏压电压，离子泵电流、阴极电压、阴极电流、散焦电流等，再通过一定的算法来判定行波管的工作情况。在这个过程中，多路信号同时采样对发射机监控系统的判定准确性有着很重要的意义。
一般的A/D转换器内部只有一个采样保持器，着要实现多路同时采样，或者使用多个A/D转换器，或者加额外的采样保持器。AD7864可以适应这个需求，它是4通道同时采样、顺序转换的高精度A/D转换器，其高速并行输出接口可与PC104工控机总线直接相连，PC104响应其转换结束中断取数，由此方案实现对多路行波管工作参数的精确测量，具有精度高，电路结构简单，系统功耗低的特点。AD7864
AD7864是美国ADI公司生产的一款高精度、高采样频率、低功耗的信号采集芯片，分辨率为12位，可实现4通道同时采样。AD7846的转换时间为1.65us/CH，采样保持时间为0.35us，单通道最高采样频率为500kSPS。若四通道同时采样，每通道最高采样频率可达130kSPS。信号输出采用12位高速并行数据输出接口，不需要电平转换等处理，可直接连接MCU。通道选择可以通过硬件或软件实现。数据转换和读取可以选用内部时钟模式或外部时钟模式。
AD7864通过引脚/INT/EXTCLK来选择工作在内部时钟模式还是外部时钟模式。内部时钟模式可最优化AD7864的特性，转换时间为1.65us，采样频率可达到最高。而外部时钟模式的最高时钟频率是5MHz，转换时间为2.6us。
AD7864可以选择VINl到VIN4这4个通道的任意子集来进行数据转换，被选择的通道按升序排列进行转换。通道选择可以通过硬件通道选择引脚(SLl到SL4)或可编程通道选择寄存器来实现。
处理器读取AD7864转换后的数据有两种方法：转换中读取和转换后读取。前者是在下一个通道转换完之前读取前一个通道的数据。后者则是在所有通道都转换完读取数据。
转换中读取数据芯片可以达到最高的数据吞吐率。其具体工作过程如下：一次转换从转换起始信号/CONVST的上升沿开始，4个采样保持器同时处于保持状态，1.6us后，得到转换顺序中第一个通道的数据，每个通道的转换次转换的结束。BUSY输出信号表示所有选择通道转换都完成。每次/EOC信号变成低电平，执行一次读操作。
转换后读取数据的具体工作过程如下：在转换起始信号/CONVST上升沿，4个采样保持器进入保持状态，开始对选择的通道采样。同时，BUSY输出信号被触发为高电平，并在转换过程中一直保持为高，当全部通道转换结束后，才变为低电平。/EOC信号在每一个通道转换结束时均有效。全部通道转换后的数据保存在AD7864内部相应的锁存器中。全部通道转换结束后，当片选信号和读信号有效时，就可以按照转换顺序从数据总线上并行读取数据。发射机数据采集模块硬件设计
发射机数据采集模块以PC/104工控机为核心，由PC/104工控机、AD7864信号采集芯片、接口逻辑电路、数据采集输入电路等电路组成。完成对发射机行波管灯丝电流、栅偏压电压，离子泵电流、阴极电压、阴极电流、散焦电流、收集极电流、栅极脉冲电压、输出功率、反射功率共十路信号的实时采集，共采用三片AD7864同步采样和转换。
上述十路信号中行波管灯丝电流、栅偏压电压，离子泵电流、阴极电压为直流信号，而阴极电流、散焦电流、收集极电流、栅极脉冲电压、输出功率、反射功率为脉冲信号，信号脉宽最窄为0.4us，十路信号还必须同时采样。按通常的设计，对0.4us的脉冲采样必须采用采样频率大于10MSPS的高速A/D才能真实还原脉冲的信息。这样会带来很大的数据处理量，而实际上我们只关心脉冲期间的数据，脉冲间歇期的数据对我们来说是无用的。而且高速A/D的输入信号基本都在±2.5V以内，在发射机这种高压、高功率、大电流的工作环境里，信号很容易受到干扰，很难实现对信号的精确采样。
采用AD7864就可很好的解决上述矛盾，将发射机定时器产生的采样脉冲同时加到三个AD7864的/CONVST端，将十路信号同时保持顺序转换，十路信号全部转换结束后再由PC/104工控机控制将十组数据顺序读出。
为了将数据采集模块和发射机的高压、高功率、大电流工作环境进行有效的隔离、简化数据采集模块的电路设计，在模拟信号的取样输入端全部采用霍尔传感器和电流互感器，将处于高压回路的电流和电压检出。传感器的输出信号范围全部标定在±5V以内。这样可省去十路信号调理电路，并且确保高、低压回路的电气隔离，提高了数据采集模块的工作可靠性。
数据采集模块硬件如图1所示。图中A1为FC/104工控机，D1为接口逻辑电路。D1采用Lattice公司的高性能CPLD-lspl048E实现，完成地址译码、取数中断信号产生、转换起始信号/CONVST产生等功能。
三个AD7864均采用内部时钟模式，/INT/EXT CLK置低电平；采用硬件通道选择，/WR、SLl-SL4置高电平，/H/S SEL置低电平；通道信号输入范围定为±5V，VINXA和VlNXB短联；数据读出采用转换后读取数据模式，待十路信号全部转换完成后触发PC/104工控机外部中断，将数据顺序读出。
数据采集和转换的工作过程如下：
1.接口逻辑电路D1根据发射机的工作状态产生转换起始信号/CONVST加到三个A/D上，三个A/D同时对十路信号采样保持并按预定顺序开始转换，此时三个BUSY信号均保持高电平。
2.十路信号全部转换完成后，三个BUSY信号由高电平变为低电平，十路数据全部锁存在AD7864的内部锁存器里。接口逻辑电路将三个BUSY信号处理后在最后一个BUSY信号的下降沿产生中断请求信号，触发PC/104工控机的外部中断。
3.PC/104工控机响应中断后，按约定的地址控制接口逻辑电路，将相应的片选信号/CS和读使能信号/RD同时设置为低电平。PC/104工控机在每个约定地址顺序进行四次读操作，将十路数据顺序读出。
结语
基于AD7864和PC/104工控机的发射机数据采集模块已成功应用到某雷达发射机中，解决了发射机十路信号同步采样的问题，实现了对发射机核心器件一行波管工作参数的实时精确监测，提高了故障保护速度。