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

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(jià)格高，尤其是受計(jì)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(jì)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(jì)
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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期，其速率取決于輸入時(shí)鐘的頻率，電壓輸入范圍為0 V~5 V。
ATmegal28采用16 MHz晶振，機(jī)器周期為62.5 ns。通過軟件編程設(shè)置在PD5端口產(chǎn)生周期為125 ns的方波，作為AD9220采樣的時(shí)鐘信號(CLK)。由于每次采樣后ATmegal28還要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)存儲時(shí)間需62.5 ns，故每獲得一個(gè)數(shù)據(jù)總共需要187.5 ns。經(jīng)測試表明，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到5MS/s。
當(dāng)ATmegal28接到上位機(jī)請求上傳數(shù)據(jù)的命令后，立即將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機(jī)．CH375與ATmegal28接口電路如圖4所示。CH375是USB總線的通用設(shè)備接口器件，內(nèi)置USB通訊中的底層協(xié)議，支持主機(jī)方式和從機(jī)方式，具有8位數(shù)據(jù)總線(DO-D7)、地址輸入(A0)、讀(RD)、寫(WR)、片選控制線(CS)以及中斷輸出(INT)，它作為從機(jī)掛接到ATmegal28的數(shù)據(jù)總線上與上位機(jī)進(jìn)行通信。當(dāng)AO為高電平時(shí)，選擇命令端口，可以寫入命令；當(dāng)A0為低電平時(shí)，選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過8位并口對CH375進(jìn)行讀寫。CH375在接收到上位機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)后或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，以中斷方式(INT4)通知單片機(jī)，單片機(jī)分析中斷狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)處理。

3 USB接口軟件設(shè)計(jì)
在本地端，采用從機(jī)方式的CH375在系統(tǒng)中采用內(nèi)置固件模式，端點(diǎn)O作為默認(rèn)端口，CH375自動(dòng)處理默認(rèn)端口0的所有事件，端點(diǎn)2的上傳端點(diǎn)作為批量數(shù)據(jù)發(fā)送端點(diǎn)，端點(diǎn)2的下傳端點(diǎn)作為批量數(shù)據(jù)接收端點(diǎn)。單片機(jī)對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。
在計(jì)算機(jī)端，使用VC作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺，利用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)對其進(jìn)行操作。該動(dòng)態(tài)鏈接庫提供的可供利用的APl包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API。首先，將CH375器件的驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫拷貝到計(jì)算機(jī)中，再將動(dòng)態(tài)鏈接庫的訪問入口及函數(shù)定義入口添加至VC項(xiàng)目中，此時(shí)對USB設(shè)備的通信編程與訪問本地硬盤中的文件幾乎相同。
CH375在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端單片機(jī)之間提供了端對端的連接，該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進(jìn)行通訊，該方式具有數(shù)據(jù)自動(dòng)同步、程序設(shè)計(jì)簡單、較好的交互性和可控性等優(yōu)點(diǎn)。請求加應(yīng)答方式使用一個(gè)下傳的主動(dòng)請求和一個(gè)上傳的被動(dòng)應(yīng)答進(jìn)行交互式的雙向數(shù)據(jù)通訊，下傳與上傳一一對應(yīng)，相互關(guān)聯(lián)。主動(dòng)請求是指由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層下傳給單片機(jī)的數(shù)據(jù)請求，被動(dòng)應(yīng)答是指在單片機(jī)收到數(shù)據(jù)請求后，上傳給計(jì)算機(jī)應(yīng)用層的應(yīng)答數(shù)據(jù)。所有的通訊都由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機(jī)的應(yīng)答結(jié)束，完整的過程包括：
(1)計(jì)算機(jī)應(yīng)用層按事先約定的格式將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH375；
(2)CH375以中斷方式通知單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取CH375的中斷狀態(tài)并分析；
(3)如果是上傳，則釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)，單片機(jī)將應(yīng)答數(shù)據(jù)寫入批量端點(diǎn)的上傳緩沖區(qū)中，然后退出中斷程序；
(4)如果是下傳，則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)塊，分析接收到的數(shù)據(jù)塊，將應(yīng)答數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī)，然后退出中斷程序；
(5)計(jì)算機(jī)應(yīng)用層接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。
以下分別是為計(jì)算機(jī)端和單片機(jī)端采用此傳輸方式實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸所編寫程序的基本結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語
該采集系統(tǒng)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)，一是采用AVR單片機(jī)ATmegal28作為主控制器，取代了常用的51系列單片機(jī)，控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使采集速率最高可達(dá)到5 MS/s，二是同時(shí)采用USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此該系統(tǒng)不僅采集速率高，還具有傳輸速度快、易用、可擴(kuò)展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。由于USB2.O使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到480 Mbit/s，因此具有USB接口的數(shù)據(jù)采集必將得到更廣泛的應(yīng)用。