高速掃描采樣單片機(jī)與PC機(jī)接口板的設(shè)計

1、        摘要：為色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設(shè)計了高速采樣掃描接口電路。介紹了采用ISA卡形式以兩片雙端口RAM為信箱實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)高速通訊的接口電路,給出了實(shí)現(xiàn)高速、高精度采樣及掃描的高性能A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,最后給出了相應(yīng)的軟件設(shè)計方案。 關(guān)鍵詞：色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 雙端口RAM 高速采樣 1 系統(tǒng)設(shè)計思路 選擇PC機(jī)作為主機(jī),MCU作為從機(jī)組成監(jiān)測系統(tǒng),對測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模擬控制。在數(shù)據(jù)傳輸速度較高、數(shù)據(jù)量較大且需經(jīng)常交換信息的場合,采取雙口共享RAM緩沖區(qū)方式是最合適的1。雙端口RAM將單片機(jī)與PC機(jī)

2、有機(jī)地連接為一個整體,PC機(jī)和單片機(jī)的優(yōu)勢可以互補(bǔ),使其成為功能強(qiáng)大的雙CPU數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。 這里采用8051單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和模擬控制工作,將高速采集掃描接口電路做成PC機(jī)擴(kuò)展卡形式2,直接插入PC機(jī)的I/O擴(kuò)展槽內(nèi)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性,采用了兩片雙端口RAM,以保證單片機(jī)的數(shù)據(jù)“采集”和PC機(jī)的數(shù)據(jù)“讀取”并行進(jìn)行。當(dāng)然,這種方法使系統(tǒng)的控制邏輯變得復(fù)雜了。51單片機(jī)通過雙端口RAM與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D如圖1所示。 圖1 PC機(jī)與51單片機(jī)通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D整個系統(tǒng)的工作過程為:通過PC機(jī)鍵盤設(shè)定主要分析參數(shù),其中與質(zhì)函數(shù)采樣掃描有關(guān)的參數(shù)由PC

3、機(jī)傳送給單片機(jī),單片機(jī)負(fù)責(zé)具體執(zhí)行。與采樣掃描有關(guān)的參數(shù)有掃描方式、采樣速度、開始與終止命令等,系統(tǒng)啟動和停止命令由PC機(jī)發(fā)出,從而命令單片機(jī)開始采樣與掃描或者終止采樣與掃描。 單片機(jī)在接到啟動命令之前不進(jìn)行質(zhì)函數(shù)掃描,但可以通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,將采樣到的數(shù)據(jù)存到其中一片RAM中,并通知PC機(jī)將數(shù)據(jù)取走,這些數(shù)據(jù)可以作為譜圖的本底數(shù)據(jù)。掃描開始之后,數(shù)據(jù)從RAM的低地址起開始依次存儲,存滿一片RAM后,向另一片RAM存儲,同時向PC機(jī)提出申請,要求PC機(jī)盡快將這一片RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)取走,PC機(jī)確定讀取RAM后讀取RAM中的所有數(shù)據(jù)。待另一片RAM存滿后再取走另一片RAM內(nèi)的數(shù)據(jù),如此循

4、環(huán)。 根據(jù)色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的性能要求,這里選用了12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674,轉(zhuǎn)換時間為10s;14位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7534,轉(zhuǎn)換時間為180s;4K雙端口RAM CY7C142;8051單片機(jī)。PC機(jī)系統(tǒng)通過ISA總線與接口板進(jìn)行通信。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 硬件設(shè)計分為兩大部分:第一部分為雙端口RAM的接口電路,主要包括PC機(jī)與雙端口RAM CY7C142的接口電路和8051單片機(jī)與雙端口RAM CY7C142的接口電路;第二部分為數(shù)據(jù)采集和掃描電路,主要指8051單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示。當(dāng)單片機(jī)接收到一批數(shù)據(jù)存滿雙口RAM信息時

5、,向計算機(jī)發(fā)送一個中斷申請,通知計算機(jī)到雙口RAM 中去讀取數(shù)據(jù)。下面分別進(jìn)行介紹。 圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖圖3 雙端口RAM CY7C142的接口電路圖4 單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路2.1 雙端口RAM的接口電路 CY7C142為一片2K×8的雙端口靜態(tài)RAM3。由系統(tǒng)的工作過程可知,PC機(jī)只需對CY7C142進(jìn)行讀,8051單片機(jī)則只需對其進(jìn)行寫。這里將CY7C142的左側(cè)端口與PC機(jī)的ISA總線相連,右側(cè)端口與8051單片機(jī)相連。分別用字母符號L、R表示左端口、右端口。雙端口RAM CY7C142的接口電路如圖3所示。 由圖可見兩片雙端口存儲器的左端數(shù)據(jù)線D0

6、(L)D7(L)、低八位地址線A0(L)A7(L)和高三位地址線A8(L)A10(L)都是通過鎖存器74LS373(4)、74LS373(3)和74LS373(2)與74LS245相連接到PC機(jī)的數(shù)據(jù)總線上的;左端OE(L)與PC機(jī)的IOR相連,R/W(L)直接接成高電平,這樣PC機(jī)只能對這兩片存儲器進(jìn)行讀。兩片雙端口存儲器的右端數(shù)據(jù)線D0(R)D7(R)與8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)線口P0.0P0.7相連,低八位地址線A0(R)A7(R)與鎖存器74LS373(5)相連,高三位地址線A8(L)A10(L)分別與P2.0P2.2相連;OE(R)直接接成高電平,R/W(R)與8051的WR信號相接,這

7、樣8051只能對存儲器進(jìn)行寫;兩片存儲器的CE(R)分別與譯碼器(2)相連。鎖存器74LS373(1)的一端與8051的P1.0P1.7相連,另一端與連接PC機(jī)數(shù)據(jù)總線的74LS245相連,PC機(jī)對采樣板的控制指令就是通過這個通道進(jìn)行的。鎖存器74LS373(6)的一端與8051的P3.0引腳相連,另一端與74LS245相連,通過它PC機(jī)可以知道從哪一片雙端口存儲器取數(shù)據(jù)。同時, 8051的P3.0引腳通過反相器或直接與CY7C142(1)或CY7C142(2)的CE(L)相連,這種連接方法使得PC機(jī)在讀RAM(1)數(shù)據(jù)和8051寫RAM(2)或PC機(jī)讀RAM(2)和8051寫RAM(1)之間

8、來回進(jìn)行切換。8051的P3.4引腳與PC機(jī)的一個IRQ相連,完成下面功能:每當(dāng)8051寫滿一個雙端口RAM時,就向PC機(jī)發(fā)出一個中斷請求信號,使PC機(jī)立即響應(yīng)此中斷請求,讀取雙端口RAM的數(shù)據(jù)。 2.2 8051單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路 8051單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路如圖4所示。其中,AD1674為12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片4,轉(zhuǎn)換時間為10s,片內(nèi)帶有采樣保持器/放大器和三態(tài)輸出緩沖器;AD7534為14位高分辨率D/A轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換時間為0.18ms5;AD586為高精度5V參考電壓源,最大偏差為±2.0mV,它為AD7534提供精

9、確的電壓基準(zhǔn)6。 2.3 譯碼電路 該部分涉及兩個譯碼電路,一個是與PC機(jī)ISA總線相連的譯碼電路(1),另一個是與8051相連的譯碼電路(2)。譯碼電路(1)如圖5所示,譯碼電路(2)如圖6所示。 由此,板上五個I/O地址代表的含義是:100HPC機(jī)對8051輸出控制命令口;101HPC機(jī)讀取雙端口RAM數(shù)據(jù)時的低八位地址口;102HPC機(jī)讀取雙端口RAM數(shù)據(jù)時的高三位地址口;103HPC機(jī)讀取RAM的數(shù)據(jù)口;104H表明雙端口RAM1、2的標(biāo)志口。 3 軟件設(shè)計方案 整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩部分:單片機(jī)系統(tǒng)部分和PC機(jī)部分。這里僅介紹數(shù)據(jù)采集和PC機(jī)取數(shù)程序。 3.1 數(shù)據(jù)采集程序 單片機(jī)

10、發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換指令后,AD1674開始工作,采集到數(shù)據(jù)后存到CY7C142(1)中。當(dāng)RAM1存滿后,單片機(jī)發(fā)出中斷請求,通知PC機(jī)從雙端口RAM1中取走數(shù)據(jù),同時將采集的數(shù)據(jù)存到CY7C142(2)中,RAM2存滿后通知PC機(jī)取數(shù),如此循環(huán)。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖7所示。 3.2 PC機(jī)讀取RAM程序 PC機(jī)接到單片機(jī)發(fā)來的中斷申請后,立即從雙端口RAM中讀取數(shù)據(jù),首先判斷104口的狀態(tài)以確定取哪一個RAM內(nèi)的數(shù)據(jù),然后向CY7C142讀取1024個數(shù)據(jù)(每個數(shù)據(jù)兩個字節(jié))后中止,等待單片機(jī)發(fā)出下一個中斷申請。PC機(jī)讀取RAM程序流程圖如圖8所示。 讀取數(shù)據(jù)的過程為:首先向101H口、102H口輸出低八位、高三位地址,然后向103口讀取數(shù)據(jù),此后將地址加一再讀取八位數(shù)據(jù),直到將2048個字節(jié)(1024個數(shù)據(jù))都讀完。這樣, 數(shù)據(jù)被采樣控制器8051送入RAM, 同時采樣數(shù)據(jù)又被PC機(jī)取走, 這兩部分工作互不干擾, 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不斷、大數(shù)據(jù)量、高速、實(shí)時的數(shù)據(jù)采集。 實(shí)驗(yàn)表明,采用雙端