PC/104模块Diamond-MM-AT的原理与应用
摘要：介绍了12位模拟i/o pc/104模块diamond-mm-at的主要参数、内部结构、引脚功能及特性，给出了diamond-mm-at与pc/104及传感器的硬件连接关系?同时给出了它们的一个成功的a/d转换应用程序。
１ 主要特点
随着数字信号处理技术及各种故障分析技术的快速发展，在一些由工控机构成的较小系统中，对信号进行实时采集与处理已越来越受到人们的重视。ｐｃ１０４系统模块以其结构紧凑，体积小，可扩展性强等特点，在信号采集和故障分析中得到了广泛的应用。ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ 是一个高性能１２ｂｉｔ模拟量ｉ／ｏ口输入输出ｐｃ／１０４模块，它包括ａ／ｄ，ｄ／ａ转换通道和定时／计时器，其标准模板结构可与ｐｃ／１０４处理器进行模块组合。
ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块的主要功能如下：
ａ／ｄ转换精度为１２位，可支持的最大采样频率为１００ｋｈｚ；具有１６条模拟量输入通道和２条１２位ｄ／ａ转换通道；有８个数字输入口和８个数字输出口；带有３２位可编程控制计数／定时器；可编程设置ｄ／ａ转换量程。
２ 插口及引脚功能
图１所示是ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块的外形简图。其中ｊ１、ｊ２为扩展总线端口，主要用于与ｐｃ／１０４处理器总线相连接。ｕ７为ａ／ｄ转换器。ｊ４是为ａ／ｄ设置跳线器，用来设置模拟量是单极或双极输入以及输入的量程。ｊ５是ｄ／ａ设置跳线器，用于设置模拟量是单极或双极输出以及输出的参考电压值。ｕ１５是ｄ／ａ转换器。ｊ６是设置ｄｍａ（直接存储器存取）标准的中断级和基地址设置跳线器，模块默认基地址为：０ｘ３００。ｊ３为５０针的ｉ／ｏ端口，它的具体排列如图２所示，各端口定义如下：
ｖｉｎ７／７＋～ｖｉｎ０／０＋：单极模式模拟量ａ／ｄ输入端口７～０；同时可用作双极模式模拟量ａ／ｄ正极输入端口７～０；
ｖｉｎ１５／７－～ｖｉｎ８／０－：单极模式模拟量ａ／ｄ输入端口１５～８；也可用作双极模式模拟量ａ／ｄ负极输入端口７～０；
ｖｏｕｔ０?ｖｏｕｔ１：分别为ｄ／ａ转换输出端口０和１；
ｖｒｅｆ ｏｕｔ：＋５／－５ｖ精确参考电压输出端口；
ｖｒｅｆ ｉｎ０?ｖｒｅｆ ｉｎ１：自定义ｄ／ａ转换参考电压量程输入端口；
ｄｏｕｔ７～ｄｏｕｔ０：数字输出端口０～７，兼容ｔｔｌ／ｃｍｏｓ电平；
ｄｉｎ７～ｄｉｎ０：数字输入端口０～７，兼容ｔｔｌ／ｃｍｏｓ电平；其中ｄｉｎ２／ｇａｔｅ０ ?数字输入端口２?还可作为计数器０的控制门，并当该端口为高电平时计数；而ｄｉｎ０／ｇａｔｅ１／２?数字输入端口０?则可作为计数器１和２的控制门，并可由控制寄存器１１来进行设定；
ｉｎ０－：计数器０输入端（下降沿触发）；
ｏｕｔ０?ｏｕｔ２：分别为计数器０和２的输出端口；
＋１５ｖ?模拟电源；
＋５ｖ：与ｐｃ／１０４扩展总线电源相连，用来提供＋５ｖ电源；
ａｇｎｄ：模拟地；
ｄｇｎｄ：数字地；
ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块通常占用１６位地址空间。
３ 硬件连接关系
ｄｉａｍｏｎｄ模块与ｐｃ／１０４处理器及传感器的硬件连接框图如图３所示。 图中?当传感器测取待检测信号并输入调理板进行放大滤波处理后，即可将其调制到合适的电压信号范围，并输入到ｄｉａ-ｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块相应的ｉ／ｏ端口，然后由ｄｉａ-ｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块将其转换为所需要的数据量或模拟量，最后由ｐｃ／１０４处理器通过扩展总线控制读写数据的处理、显示和存储。其电源由ｐｃ／１０４总线提供，在ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块端口ｊ１中，ｂ１为ｇｎｄ，ｂ３为＋５ｖ，ｂ５为－５ｖ，ｂ７为－１２ｖ，ｂ９为＋１２ｖ。
４ 数据采集应用程序
下面是以ｐｃ／１０４作处理器和ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块进行组合，以对检测的模拟量信号进行ａ／ｄ转换的读写程序及对各控制寄存器的配置方法。笔者已在实践中对该程序进行了测试，并已成功运用到某测试工程设计中。
＃ｄｅｆｉｎｅ ｂａｓｅ ０ｘ３００
ｍａｉｎ ｖｏｉｄ{
ｕｎｉｏｎ ?{ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｍ; ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｎ[２];}ｔ；
ｉｎｔ ｄａｔ[３０００]；?
ｉｎｔ ｉ， ｃｄ；
ｉｎｔ ｆｒｅｑ＝２０００；／／ 设定采样频率为２ｋｈｚ；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋９, ０ｘ８３)； ／／ 允许中断，由计数器触发；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１０, ０ｘ０８)；? ／／ 计数器１产生１ｍｈｚ方波
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１１, ０ｘ０５)；? ／／ ａ／ｄ输入范围为０～５ｖ
ｔ．ｍ＝（ｉｎｔ)(５０００００／ ｆｒｅｑ）; ／／ ０．５ｍｈｚ／ｆｒｅｑ求写入记数器值；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋１５,０ｘ５４)； ／／ 设定计数器１读／写低字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１３,０ｘ０１)；? ／／ 向计数器１写低字节（二分频）；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１５,０ｘｂ４)；? ／／ 设定计数器２先读／写低字节，再读／写高字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１４,ｔ．ｎ[０]);? ／／ 向计数器２写低字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋１４，ｔ．ｎ[１]）;／／ 向计数器２写高字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋２，０ｘｃｃ）; ／／ 设定测取通道为ｃ通道（即第１２通道）；
ｆｏｒ(ｉ＝０；ｉ＜３０００；ｉ＋＋） ／／ 循环采集３０００个数据；
{
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１,０ｘｆｆ）;? ／／ 清除ｆｉｆｏ；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(?ｂａｓｅ＋８,０ｘｆｆ)； ／／ 设定中断寄存器８，等计数器触发；
ｗｈｉｌｅ（（ｉｎｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋８）＆０ｘ１０)＝＝０ｘ００）; ／／ 等待ａ／ｄ转换结束；
ｃｄ＝ｉｎｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋０））／／ 读取低八位数据；
ｃｄ＝ｃｄ／１６; ／／ 数据右移四位，除去右四位的通道标志；
ｄａｔ[ｉ]＝ｉｎｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋１）; ／／ 读取高八位数据；
ｄａｔ[ｉ]＝ｄａｔ[ｉ]＊１６; ／／ 高八位数据左移四位；
ｄａｔ[ｉ]＝ｄａｔ[ｉ]＋ｃｄ;／／ 高八位与低四位相加即得ａ／ｄ转换结果１２位数据；
}
……
５ 结束语
ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ是标准的ｐｃ／１０４连接模块，具有体积小，结构紧凑等优点，并具有ａ／ｄ、ｄ／ａ、ｉ／ｏ转换等多种功能。由于ｐｃ／１０４可支持高级语言编程，因此，程序开发和设计非常方便，可在很大程度上缩短开发时间。可以预见：随着电子技术的发展，这种模块化器件必将有着广阔的发展应用前景。
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１ 主要特点
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ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块的主要功能如下：
ａ／ｄ转换精度为１２位，可支持的最大采样频率为１００ｋｈｚ；具有１６条模拟量输入通道和２条１２位ｄ／ａ转换通道；有８个数字输入口和８个数字输出口；带有３２位可编程控制计数／定时器；可编程设置ｄ／ａ转换量程。
２ 插口及引脚功能
图１所示是ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块的外形简图。其中ｊ１、ｊ２为扩展总线端口，主要用于与ｐｃ／１０４处理器总线相连接。ｕ７为ａ／ｄ转换器。ｊ４是为ａ／ｄ设置跳线器，用来设置模拟量是单极或双极输入以及输入的量程。ｊ５是ｄ／ａ设置跳线器，用于设置模拟量是单极或双极输出以及输出的参考电压值。ｕ１５是ｄ／ａ转换器。ｊ６是设置ｄｍａ（直接存储器存取）标准的中断级和基地址设置跳线器，模块默认基地址为：０ｘ３００。ｊ３为５０针的ｉ／ｏ端口，它的具体排列如图２所示，各端口定义如下：
ｖｉｎ７／７＋～ｖｉｎ０／０＋：单极模式模拟量ａ／ｄ输入端口７～０；同时可用作双极模式模拟量ａ／ｄ正极输入端口７～０；
ｖｉｎ１５／７－～ｖｉｎ８／０－：单极模式模拟量ａ／ｄ输入端口１５～８；也可用作双极模式模拟量ａ／ｄ负极输入端口７～０；
ｖｏｕｔ０?ｖｏｕｔ１：分别为ｄ／ａ转换输出端口０和１；
ｖｒｅｆ ｏｕｔ：＋５／－５ｖ精确参考电压输出端口；
ｖｒｅｆ ｉｎ０?ｖｒｅｆ ｉｎ１：自定义ｄ／ａ转换参考电压量程输入端口；
ｄｏｕｔ７～ｄｏｕｔ０：数字输出端口０～７，兼容ｔｔｌ／ｃｍｏｓ电平；
ｄｉｎ７～ｄｉｎ０：数字输入端口０～７，兼容ｔｔｌ／ｃｍｏｓ电平；其中ｄｉｎ２／ｇａｔｅ０ ?数字输入端口２?还可作为计数器０的控制门，并当该端口为高电平时计数；而ｄｉｎ０／ｇａｔｅ１／２?数字输入端口０?则可作为计数器１和２的控制门，并可由控制寄存器１１来进行设定；
ｉｎ０－：计数器０输入端（下降沿触发）；
ｏｕｔ０?ｏｕｔ２：分别为计数器０和２的输出端口；
＋１５ｖ?模拟电源；
＋５ｖ：与ｐｃ／１０４扩展总线电源相连，用来提供＋５ｖ电源；
ａｇｎｄ：模拟地；
ｄｇｎｄ：数字地；
ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块通常占用１６位地址空间。
３ 硬件连接关系
ｄｉａｍｏｎｄ模块与ｐｃ／１０４处理器及传感器的硬件连接框图如图３所示。 图中?当传感器测取待检测信号并输入调理板进行放大滤波处理后，即可将其调制到合适的电压信号范围，并输入到ｄｉａ-ｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块相应的ｉ／ｏ端口，然后由ｄｉａ-ｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块将其转换为所需要的数据量或模拟量，最后由ｐｃ／１０４处理器通过扩展总线控制读写数据的处理、显示和存储。其电源由ｐｃ／１０４总线提供，在ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块端口ｊ１中，ｂ１为ｇｎｄ，ｂ３为＋５ｖ，ｂ５为－５ｖ，ｂ７为－１２ｖ，ｂ９为＋１２ｖ。
４ 数据采集应用程序
下面是以ｐｃ／１０４作处理器和ｄｉａｍｏｎｄ－ｍｍ－ａｔ模块进行组合，以对检测的模拟量信号进行ａ／ｄ转换的读写程序及对各控制寄存器的配置方法。笔者已在实践中对该程序进行了测试，并已成功运用到某测试工程设计中。
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ｉｎｔ ｄａｔ[３０００]；?
ｉｎｔ ｉ， ｃｄ；
ｉｎｔ ｆｒｅｑ＝２０００；／／ 设定采样频率为２ｋｈｚ；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋９, ０ｘ８３)； ／／ 允许中断，由计数器触发；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１０, ０ｘ０８)；? ／／ 计数器１产生１ｍｈｚ方波
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１１, ０ｘ０５)；? ／／ ａ／ｄ输入范围为０～５ｖ
ｔ．ｍ＝（ｉｎｔ)(５０００００／ ｆｒｅｑ）; ／／ ０．５ｍｈｚ／ｆｒｅｑ求写入记数器值；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋１５,０ｘ５４)； ／／ 设定计数器１读／写低字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１３,０ｘ０１)；? ／／ 向计数器１写低字节（二分频）；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１５,０ｘｂ４)；? ／／ 设定计数器２先读／写低字节，再读／写高字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１４,ｔ．ｎ[０]);? ／／ 向计数器２写低字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋１４，ｔ．ｎ[１]）;／／ 向计数器２写高字节；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋２，０ｘｃｃ）; ／／ 设定测取通道为ｃ通道（即第１２通道）；
ｆｏｒ(ｉ＝０；ｉ＜３０００；ｉ＋＋） ／／ 循环采集３０００个数据；
{
ｏｕｔｐｏｒｔｂ（ｂａｓｅ＋１,０ｘｆｆ）;? ／／ 清除ｆｉｆｏ；
ｏｕｔｐｏｒｔｂ(?ｂａｓｅ＋８,０ｘｆｆ)； ／／ 设定中断寄存器８，等计数器触发；
ｗｈｉｌｅ（（ｉｎｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋８）＆０ｘ１０)＝＝０ｘ００）; ／／ 等待ａ／ｄ转换结束；
ｃｄ＝ｉｎｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋０））／／ 读取低八位数据；
ｃｄ＝ｃｄ／１６; ／／ 数据右移四位，除去右四位的通道标志；
ｄａｔ[ｉ]＝ｉｎｐｏｒｔｂ(ｂａｓｅ＋１）; ／／ 读取高八位数据；
ｄａｔ[ｉ]＝ｄａｔ[ｉ]＊１６; ／／ 高八位数据左移四位；
ｄａｔ[ｉ]＝ｄａｔ[ｉ]＋ｃｄ;／／ 高八位与低四位相加即得ａ／ｄ转换结果１２位数据；
}
……
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