單片機(jī)系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

在單片機(jī)系統(tǒng)中通常要用到高速數(shù)據(jù)采集。雖然目前單片機(jī)的工作頻率不斷提高,但仍然無(wú)法滿足如周期信號(hào)頻譜分析等需要采用高速數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。對(duì)于速率在l00 kS/s以上的數(shù)據(jù)采集，如果采用一般的中斷查詢法就不易實(shí)現(xiàn),因此可考慮通過(guò)存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)1 MHz以上的高速數(shù)據(jù)采集。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由單片機(jī)、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速靜態(tài)RAM及切換控制電路等部分組成,如圖1所示。靜態(tài)RAM用作單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)緩沖。

RAM的數(shù)據(jù)線和地址線由總線切換電路來(lái)控制,選擇連接單片機(jī)總線或連接到A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出和地址發(fā)生器輸出地址。RAM的讀寫(xiě)由讀寫(xiě)控制電路實(shí)現(xiàn)。

在數(shù)據(jù)采集期間,存儲(chǔ)器的寫(xiě)入地址由可預(yù)置的16位地址發(fā)生器產(chǎn)生,其溢出信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集結(jié)束控制。

圖1中單片機(jī)采用89C5l；靜態(tài)RAM由2片CYPRESS公司的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器CY7Cl9920構(gòu)成64 k的存儲(chǔ)器，典型讀寫(xiě)時(shí)間20 ns；轉(zhuǎn)換器采用MAXIM公司的流水線型高速A/D轉(zhuǎn)換器MAXl426, 采用循環(huán)采集方式；總線切換采用74F245三態(tài)總線收發(fā)器并聯(lián)方式，典型傳輸時(shí)間為65 ns；地址發(fā)生器是由4片計(jì)數(shù)器74Fl63級(jí)聯(lián)組成的可預(yù)置數(shù)的16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,可以預(yù)置16位地址的初值,也就是傳輸數(shù)據(jù)塊的起始地址。一片 74Fl63的典型傳輸時(shí)間是65ns,所以地址發(fā)生器的延時(shí)時(shí)間為26 ns。

2原理與設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集控制電路如圖2所示。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)或進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)把D觸發(fā)器清零,使數(shù)據(jù)采集電路處于禁止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)單片機(jī)完成初始化或準(zhǔn)備就緒后,首先向地址發(fā)生器寫(xiě)入數(shù)據(jù)塊的起始地址,并把總線切換控制線置位,把RAM的控制權(quán)交給采集電路。置位D觸發(fā)器開(kāi)始數(shù)據(jù)采集,然后等待數(shù)據(jù)采集結(jié)束。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,單片機(jī)也可以通過(guò)對(duì)D觸發(fā)器清零強(qiáng)行中斷數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集數(shù)據(jù)寫(xiě)滿靜態(tài)RAM時(shí),地址發(fā)生器發(fā)出一個(gè)溢出脈沖,使D觸發(fā)器清零。D觸發(fā)器的輸出經(jīng)與門(mén)使地址發(fā)生器和A/D轉(zhuǎn)換器停止工作,并同時(shí)通過(guò)結(jié)束標(biāo)志通知單片機(jī)。

2.2總線控制

總線的選擇控制是由2組74F245三態(tài)總線收發(fā)器完成。2組總線收發(fā)器一端接至靜態(tài)RAM的地址總線和數(shù)據(jù)總線,另一端則分別接單片機(jī)總線和地址發(fā)生器的地址輸出與A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出構(gòu)成的外部總線。在數(shù)據(jù)采集期間,選通外部總線,由A/D轉(zhuǎn)換器把采集到的數(shù)據(jù)直按寫(xiě)入到靜態(tài)RAM中保存。當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,選通單片機(jī)系統(tǒng)總線,由單片機(jī)對(duì)靜態(tài)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。數(shù)據(jù)總線是8根，故需要2片74F245對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行切換；而地址線有l(wèi)6根,則需要4片74F245對(duì)地址線進(jìn)行切換。

2.3數(shù)據(jù)傳輸

時(shí)鐘信號(hào)的占空比為05,經(jīng)過(guò)與門(mén)之后輸出到地址發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器和靜態(tài)RAM的寫(xiě)控制端。地址發(fā)生器設(shè)計(jì)為上升沿觸發(fā)方式,A/D轉(zhuǎn)換器 MAXl426也是上升沿開(kāi)始轉(zhuǎn)換。故當(dāng)上升沿到來(lái)時(shí),地址發(fā)生器把地址加1形成新的地址。同時(shí),A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí),A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)已穩(wěn)定的放到了數(shù)據(jù)總線上,故下降沿將他寫(xiě)入到靜態(tài)RAM的新地址中。由于74F245的典型傳輸時(shí)間為6.5 ns,故地址發(fā)生器的延時(shí)時(shí)間是26 ns。而A/D轉(zhuǎn)換器MAX1426的最高時(shí)鐘頻率為10 MHz，故從開(kāi)始轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出的最短時(shí)間為50 ns，所以地址發(fā)生器完全能夠滿足要求。