高速掃描采樣單片機與PC機接口板的設計
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摘 要：為色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設計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為信箱實現(xiàn)單片機與PC機高速通訊的接口電路,給出了實現(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,最后給出了相應的軟件設計方案。
關鍵詞：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)品中的多種元素進行分析測定,因此被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及醫(yī)藥、環(huán)保、食品等領域中。GC-MS技術在未來的經(jīng)濟發(fā)展和科學研究中將發(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,需要對被測信號進行高速的實時采集,在極短的時間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)。因此必須設計高速的數(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與PC機的高速通訊,采用高速高性能的A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)聯(lián)用儀系統(tǒng)的高速、高精度采樣及掃描。
1 系統(tǒng)設計思路
選擇PC機作為主機,MCU作為從機組成監(jiān)測系統(tǒng),對測量點進行數(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將單片機與PC機有機地連接為一個整體,PC機和單片機的優(yōu)勢可以互補,使其成為功能強大的雙CPU數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。
這里采用8051單片機負責數(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機擴展卡形式[2],直接插入PC機的I/O擴展槽內(nèi)。為了進一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實時性,采用了兩片雙端口RAM,以保證單片機的數(shù)據(jù)“采集”和PC機的數(shù)據(jù)“讀取”并行進行。當然,這種方法使系統(tǒng)的控制邏輯變得復雜了。51單片機通過雙端口RAM與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D如圖1所示。
圖1 PC機與51單片機通過雙端口RAM進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D
整個系統(tǒng)的工作過程為:通過PC機鍵盤設定主要分析參數(shù),其中與質(zhì)函數(shù)采樣掃描有關的參數(shù)由PC機傳送給單片機,單片機負責具體執(zhí)行。與采樣掃描有關的參數(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機發(fā)出,從而命令單片機開始采樣與掃描或者終止采樣與掃描。
單片機在接到啟動命令之前不進行質(zhì)函數(shù)掃描,但可以通過A/D轉(zhuǎn)換器進行數(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,同時向PC機提出申請,要求PC機盡快將這一片RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)取走,PC機確定讀取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)換時間為10μs;14位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7534,轉(zhuǎn)換時間為180μs;4K雙端口RAM CY7C142;8051單片機。PC機系統(tǒng)通過ISA總線與接口板進行通信。
2 系統(tǒng)硬件設計方案
硬件設計分為兩大部分:第一部分為雙端口RAM的接口電路,主要包括PC機與雙端口RAM CY7C142的接口電路和8051單片機與雙端口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)整體設計框圖如圖2所示。當單片機接收到一批數(shù)據(jù)存滿雙口RAM信息時,向計算機發(fā)送一個中斷申請,通知計算機到雙口RAM 中去讀取數(shù)據(jù)。下面分別進行介紹。
圖2 系統(tǒng)整體設計框圖
圖3 雙端口RAM CY7C142的接口電路
圖4 單片機與AD1674和AD7534的接口電路
2.1 雙端口RAM的接口電路
CY7C142為一片2K
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