高速掃描采樣單片機(jī)與PC機(jī)接口板的設(shè)計(jì)

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作者：張碩生,范志偉時(shí)間：2007-02-07 來源：電子技術(shù)應(yīng)用

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摘　要：為色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設(shè)計(jì)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(jì)方案。

關(guān)鍵詞：色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 雙端口RAM 高速采樣

色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀可對許多產(chǎn)品中的多種元素進(jìn)行分析測定,因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及醫(yī)藥、環(huán)保、食品等領(lǐng)域中。GC-MS技術(shù)在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)研究中將發(fā)揮更為積極和重要的作用。

GC-MS聯(lián)用儀對質(zhì)譜掃描速度要求很高,需要對被測信號進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)采集,在極短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)。因此必須設(shè)計(jì)高速的數(shù)據(jù)采集接口電路。

本文采用兩片雙端口RAM為信箱以ISA卡的形式完成單片機(jī)與PC機(jī)的高速通訊,采用高速高性能的A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)聯(lián)用儀系統(tǒng)的高速、高精度采樣及掃描。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)有機(jī)地連接為一個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)間為10μs;14位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7534,轉(zhuǎn)換時(shí)間為180μs;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(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷申請,通知計(jì)算機(jī)到雙口RAM 中去讀取數(shù)據(jù)。下面分別進(jìn)行介紹。