多點(diǎn)快速采集系統(tǒng)中信號(hào)可靠轉(zhuǎn)貯技術(shù)研究

一束激光投射到物體表面時(shí)，要獲得物體受光面接收到的激光能量分布及隨時(shí)間變化情況，需在對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置激光探測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)被測(cè)激光束形成的光斑直徑實(shí)際情況，在受光面上等間距分布安裝256只光電探測(cè)器，即將具有一定能量的激光脈沖轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)能正確反映其能量大小和變化。為了使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映光斑各點(diǎn)的能量大小及變化情況，要求每秒采集25幀數(shù)據(jù)，即每幀的采集時(shí)間為40 ms，每個(gè)點(diǎn)的平均采集時(shí)間約為150 μs。為了保證弱光信號(hào)的采樣精度，系統(tǒng)可使用程控放大器，適當(dāng)增大弱光信號(hào)的電壓放大倍數(shù)，即每個(gè)采樣點(diǎn)有可能采樣兩次。當(dāng)首次采樣值大于門限值則認(rèn)為信號(hào)足夠強(qiáng)，直接將采樣數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，當(dāng)小于該門限值時(shí)則改變放大倍數(shù)，再采樣一次，然后將結(jié)果加上特征碼傳送給上位機(jī)。為了保證測(cè)試精度，系統(tǒng)使用12位高速A/D芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此向上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送以串行通信方式分兩幀進(jìn)行。上位機(jī)得到數(shù)據(jù)后作相應(yīng)處理，再實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示在監(jiān)視器上。上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理和圖像顯示本文不作詳細(xì)討論，只就信號(hào)采集和傳送問(wèn)題作重點(diǎn)介紹。

1 系統(tǒng)多點(diǎn)采集電路構(gòu)成及工作原理

圖1為系統(tǒng)構(gòu)成原理電路圖，只畫出了信號(hào)采集部分，其他配屬電路均未畫出。本例設(shè)計(jì)安裝256個(gè)光電探測(cè)器。

1.1 CPU的選擇

本系統(tǒng)中CPU選用華邦公司的W77E58，其指令執(zhí)行速度是51系列單片機(jī)的三倍。同樣用12 MHz的晶振，一個(gè)機(jī)器周期可降低到0.35 μs。如果每次采集和傳送需用40條指令實(shí)現(xiàn),完成每條指令按兩個(gè)機(jī)器周期計(jì)算，要完成兩次采集傳送2 B數(shù)據(jù)，所用時(shí)間完全可以控制在40 μs以內(nèi)。因此，選用W77E58可保證在每點(diǎn)所限時(shí)間范圍內(nèi)選擇相應(yīng)的探測(cè)器、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、完成兩次采集數(shù)據(jù)、把測(cè)試結(jié)果以串行通信兩幀數(shù)據(jù)的格式傳送給上位機(jī)。

1.2 多點(diǎn)探測(cè)器選擇的實(shí)現(xiàn)

多點(diǎn)探測(cè)器選擇電路由1片74LS574、1片CD4515、CD4067(I)和16片CD4067(Ⅱ)構(gòu)成。74LS574用于鎖存8個(gè)控制信號(hào)，它們分別為A、B、C、D和A′、B′、C′、D′；4515和4067(I)的通道選通控制端并聯(lián)，4515的16個(gè)輸出通道中的某一個(gè)通道輸出為低電平“0”，這16個(gè)輸出作為16片4067(Ⅱ)的使能端；16片4067(Ⅱ)的通道選擇控制端A′、B′、C′、D′并聯(lián)，其256個(gè)輸入通道對(duì)應(yīng)256套光電探測(cè)器電壓信號(hào)輸出端。

因此，控制信號(hào)A、B、C、D決定選哪一片4067(Ⅱ)，而A′、B′、C′、D′決定選其對(duì)應(yīng)的16個(gè)探測(cè)器中的某一個(gè)。4067(I)的16個(gè)輸入通道分別對(duì)應(yīng)16片4067(Ⅱ)的16選1的輸出通道。

1.3 程控放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換

程控放大器選用單電源供電形式，其增益帶寬大于10 MHz，因此可設(shè)計(jì)成同相輸入運(yùn)算放大器的形式。Rf1取9.1 k?贅，R2為精密電位器,其值為10 k?贅，Rf2取100 k?贅，放大倍數(shù)調(diào)整為兩檔：10倍和100倍。為了防止模擬開關(guān)對(duì)放大信號(hào)的影響,將其接成反饋電路串入模擬開關(guān)，再接到運(yùn)算放大器的反相輸入端，這樣模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻就不會(huì)對(duì)放大倍數(shù)造成影響。模擬開關(guān)選用CD4053，該芯片為3個(gè)二選一開關(guān)，選其第三個(gè)開關(guān)，由W77E58的P3.0控制。當(dāng)P3.0為1時(shí)，指向低放大倍數(shù)檔；當(dāng)P3.0為0時(shí)，則指向高放大倍數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD678，它是12 bit AD芯片，不需外部時(shí)鐘和外部基準(zhǔn)電壓，速度較快，5.0 μs完成一次轉(zhuǎn)換。AD678與CPU接口簡(jiǎn)單，只相當(dāng)于CPU的兩個(gè)外部存儲(chǔ)單元。

2 通信電路構(gòu)成及工作原理

系統(tǒng)要求對(duì)256個(gè)探測(cè)器進(jìn)行循環(huán)采集,每40 ms掃描一遍，因此每個(gè)探測(cè)器占用時(shí)間約為156.25 μs。由于執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與控制等指令需占用一定的時(shí)間，故用于通信的時(shí)間遠(yuǎn)小于156.25 μs。本系統(tǒng)中使用的是12 bit的AD芯片，所以每個(gè)點(diǎn)需以兩幀數(shù)據(jù)的格式傳送，設(shè)每幀10 bit，則每個(gè)點(diǎn)有效數(shù)據(jù)就需占用20 bit，加上必要的間隔及指令執(zhí)行時(shí)間，每個(gè)探測(cè)器占用的時(shí)間遠(yuǎn)高于傳送20 bit數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。若按每幀數(shù)據(jù)平均12.5 bit，每幀允許使用時(shí)間50 μs，4 μs 1 bit，則波特率高達(dá)250 kHz以上，這樣高的速率就單片機(jī)的異步串行通信而言是不可能實(shí)現(xiàn)的，而USB則可以勝任，因此本系統(tǒng)選用了由FT245BM芯片構(gòu)成的USB總線接口電路，其原理如圖2所示。

2.1 USB接口芯片F(xiàn)T245BM

本系統(tǒng)的USB通信接口芯片使用FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd)公司生產(chǎn)的FT245BM。FT245BM支持USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，其主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面外設(shè)可通過(guò)并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳回主機(jī)。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動(dòng)完成，開發(fā)者無(wú)需考慮固件的設(shè)計(jì)。

FT245BM通過(guò)FIFO控制器實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的接口，借助8根數(shù)據(jù)線D0～D7及讀寫控制線（RD、WR、RXF和TXE）完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)部包含兩個(gè)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個(gè)是128 B的接收緩沖區(qū)，另一個(gè)是384 B的發(fā)送緩沖區(qū)。它們均用于USB數(shù)據(jù)與并行I/O口數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)。

另外，F(xiàn)T245BM還包括1個(gè)內(nèi)置的3.3 V的穩(wěn)壓器，1個(gè)6 MHz的振蕩器、8倍頻的時(shí)鐘倍頻器、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。FT245BM采用32腳的PQFP封裝，體積小巧，易于和外設(shè)做到一塊板上。

2.2 電路工作原理

該電路將W77E58對(duì)256個(gè)光電探測(cè)器循環(huán)測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)并行接口傳送給FT245BM，相當(dāng)于將FT245BM當(dāng)作一個(gè)8 bit隨機(jī)存儲(chǔ)器對(duì)待，將數(shù)據(jù)寫入FT245BM，然后執(zhí)行下一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集處理。只要USB接口波特率可以達(dá)到300 kHz以上，兩點(diǎn)采集處理間隔能在100 μs以上，系統(tǒng)就能可靠工作。

3 數(shù)據(jù)采樣和傳送程序示例

mov A,#00H
mov DPTR,#2000H
movx @DPTR,A
mov DPTR,#4000H
movx @DPTR,A
mov R1,#08H
djnz R1,$
movx A,@DPTR
mov 20H,A
inc DPTR
mov A,@DPTR
mov 21H,A
mov A,20H
cjnz A,#1fH,Loop2
　Loop2: jc,Loop3
Ajmp Loop
　Loop3: clr P3.0
mov DPTR,#2000H
movx @DPTR,A
mov DPTR,#4000H
movx @DPTR,A
mov R1,#10H
movx A,@DPTR
mov 20H,A
inc DPTR
movx A,@DPTR
mov 21H,A
　Loop:mov DPTR,#6000H
mov A,20H
movx @DPTR,A
mov A,21H
movx @DPTR,A
setb P3.0
END

采用USB接口從根本上解決了多點(diǎn)快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)采集量和高速度傳送的矛盾，系統(tǒng)要求整個(gè)采集時(shí)間為3 min左右，在這段時(shí)間里，上位機(jī)將系統(tǒng)通過(guò)USB接口傳送過(guò)來(lái)的約5 MB的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理和修正后即時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上，可方便地觀察幾分鐘內(nèi)激光發(fā)射時(shí)間里受光表面得到的能量分布和隨時(shí)間變化的過(guò)程。系統(tǒng)把數(shù)據(jù)處理及圖形顯示交給計(jì)算機(jī)，而把多點(diǎn)采集驅(qū)動(dòng)交給單片機(jī)完成，由USB接口負(fù)責(zé)快速信息傳遞，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)完成。該方案對(duì)多點(diǎn)高速采集系統(tǒng)具有普遍的應(yīng)用意義，如果設(shè)計(jì)合理，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以達(dá)到1 000個(gè)以上。