基于ATmegal28控制器和CH375接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　1 引言

　　在核探測領(lǐng)域中，需要對各種高速信號進(jìn)行采集處理，目前常用的方式是在PC機(jī)中安裝數(shù)據(jù)采集卡，如ISA卡、PCI卡。這些卡由于采用可編程邏輯器件(PLD)控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用ISA總線(16 Mbit/s)、PCI總線(132 Mbit/s)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故具有采集速率高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，支持“即插即用”等優(yōu)點(diǎn)。但是其安裝不方便，價格高，尤其是受計算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差。筆者設(shè)計的采集系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)ATmegal28作為主控制器，取代了常用的5l系列單片機(jī)，控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采集速率高達(dá)5 Ms/s。采用通用串行總線(USB)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不僅繼承了ISA卡、PCI卡采集速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了它們的缺點(diǎn)，具有易用、可擴(kuò)展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用到4 MeV正離子靜電加速器的輻射防護(hù)中。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊總體結(jié)構(gòu)如圖l所示，輸入信號幅度的范圍為0 V~5 V。

　　輸入信號首先進(jìn)入觸發(fā)電路，該電路主要由比較器AD790和數(shù)字電位器X9241組成。AD790是一款高速、精密的電壓比較器，反應(yīng)時間為45ns。通過ATmegal28可控制多種采集模式，觸發(fā)電壓可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)軟件觸發(fā)(對輸入信號進(jìn)行無觸發(fā)連續(xù)采集)、后觸發(fā)(當(dāng)輸入信號上升沿電壓大于觸發(fā)電壓時開始采集)和前觸發(fā)(當(dāng)輸入信號上升沿電壓小于觸發(fā)電壓時停止采集)三種采集模式。圖2為后觸發(fā)采集模式的電路原理簡圖，LM136-5.O為5 V基準(zhǔn)源，ATmegal28通過I2C總線控制X924l設(shè)定觸發(fā)電壓，比較器AD790的輸出連接到ATmegal28的中斷輸入端。當(dāng)輸入端電壓大于觸發(fā)電壓時，AD790輸出低電平，以中斷的形式通知ATmega-128，使其開始數(shù)據(jù)采集。

　　當(dāng)觸發(fā)條件滿足后，ATmegal28啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器中，待上位機(jī)查詢讀取。ATmegal28控制模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路如圖3所示。

　　ATmegal28是AVR系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)。該系列單片機(jī)運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)(具有預(yù)取指令功能)，即對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器帶有不同的存儲器和總線，當(dāng)執(zhí)行某一指令時，下一指令預(yù)先從程序存儲器中取出，使程序可以高效率地執(zhí)行，其機(jī)器周期為1個時鐘周期，絕大多數(shù)指令均為單周期指令，1 MHz的頻率有接近1 MI/s的性能。

　　高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，AD9220是ADI公司一款性能優(yōu)良的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速率高達(dá)10MS/s。選擇內(nèi)部參考源，用單端輸入方式來進(jìn)行采樣，采樣一次需要一個時鐘周期，其速率取決于輸入時鐘的頻率，電壓輸入范圍為0 V~5 V。