高速扫描采样单片机与PC机接口板的设计

       摘要：为色谱-质谱联用仪设计了高速采样扫描接口电路。介绍了采用ISA卡形式以两片双端口RAM为信箱实现单片机与PC机高速通讯的接口电路，给出了实现高速、高采集及扫描的高性能A/D和D/A转换电路，给出了相应的软件设计方案。

     关键词：色谱-质谱联用仪 双端口RAM 高速采样

色普-质谱（GC-MS）联用仪可对许多产品中的多种元素进行分析测定，因此被广泛应用于农业、工业以及医药、环保、食品等领域中。GC-MS技术在未来的经济发展和科学研究中将发挥更为积极和重要的作用。

GC-MS联用仪对质谱扫描速度要求很高，需要对被测信号进行高速的实时采集，在极短的时间内获得大量的数据。因此必须设计高速的数据采集接口电路。

本文采用两片双端口RAM为信箱以ISA卡的形式完成单片机与PC机的高速通讯，采用高速高性能的A/D和D/A转换电路实现联用仪系统的高速、高采样及扫描。

1 系统设计思路

选择PC机作为主机，MCU作为从机组成监测系统，对测量点进行数据采集和模拟控制。在数据传输速度较高、数据量较大且需经常交换信息的场合，采取双口共享RAM缓冲区方式是合适的。双端口RAM将单片机与PC机有机地连接在一个整体，PC机和单片机的优势可以互补，使其他为功能强大的双CPU数据监测系统。

这里采用8051单片机负责数据采集和模拟控制工作，将高速采集扫描接口电路做成PC机扩展卡形式，直接插入PC机的I/O扩展槽内。为了进一步提高系统数据采集的实时性，采用了两片双端口RAM，以保证单片机的数据“采集”和PC机的数据“读取”并行进行。当然，这种方法使系统的控制逻辑变得复杂了。51单片机通过双端口RAM与PC机进行数据传输的示意图如图1所示。

整个系统的工作过程为：通过PC机键盘设定主要分析参数，其中与质函数采样扫描有关的参数由PC机传送给单片机，单片机负责具体执行。与采样扫描有关的参数有扫描方式、采样速度、开始与终止命令等，系统启动和停止命令由PC机发出，从而命令单片机开始采样与扫描或者终止采样与扫描。

    单片机在接到启动命令之前不进行质函数扫描，但可以通过A/D转换器进行数据采样，将采样到的数据存到其中一片RAM中，并通知PC机将数据取走，这些数据可以作为谱图的本底数据。扫描开始之后，数据从RAM的低地址起开始依次存储，存满一片RAM后，向另一片RAM存储，同时向PC机提出申请，要求PC机尽快将这一片RAM内的数据取卡，PC机确定读取RAM后读取RAM中的所有数据。待另一片RAM存满后再取走另一片RAM内的数据，如此循环。

根据色谱-质谱联用仪的性能要求，这里选用了12位的A/D转换芯片AD1674，转换时间为10μs；14位D/A转换芯片AD7534，转换时间为180μs；4K双端口RAMCY7C142；8051单片机。PC机系统通过ISA总线与接口板进行通信。

2 系统硬件设计方案

硬件设计分为两大部分：部分为双端口RAM的接口电路，主要包括PC机与双端口RA同CY7C142的接口电路和8051单片机与双端口RAM CY7C142的接口电路；第二部分为数据采集和扫描电路，主要指8051单片机与A/D转换器和D/A转换器的接口电路。系统整体设计框图如图2所示。当单片机接收到一批数据存满双口RAM信息时，向计算机发送一个中断申请，通知计算机到双口RAM中去读取数据。下面分别进行介绍。

图3

    2．1 双端口RAM的接口电路

CY7C142为一片2K×8的双端口静态RAM。由系统的工作过程可知，PC机只需对CY7C142进行读，8051单片机则只需对其进行写。这里将CY7C142的左侧端口与PC机的ISA总线相连，右侧端口与8051单片机相连。分别用字母符号L、R表示左端口、右端口。双端口RAM CY7C142的接口电路如图3所示。

由图可见两片双端口存储器的左端数据线D0（L）～D7（L）、低八位地址线A0（L）～A7（L）和高三位地址线A8（L）～A10（L）都是通过锁存器74LS373（4）、74LS373（3）和74LS373（2）与74LS245相连接到PC机的数据总线上的；左端OE（L）与PC机的IOR相连，R/W（L）直接接成高电平，这样PC机只能对这两片存储器进行读。两片双端口存储器的右端数据线D0（R）～D7（R）与8051单片机的数据线口P0.0～P0.7相连，低八位地址线A0（R）～A7（R）与锁存器74LS373（5）相连，高三位地址线A8（L）～A10（L）分别与P2.0～P2.2相连；OE（R）直接接成高电平，R/W（R）与8051的WR信号相接，这样8051只能对存储器进行写；两片存储器的CE（R）分别与译码器（2）相连。锁存器74LS373（1）的一端与8051的P1.0～P1.7相连，另一端与连接PC机数据总线的74LS245相连，PC机对采样板的控制指令就是通过这个通道进行的。锁存器74LS373（6）的一端与8051的P3.0引脚相连，另一端与74LS245相连，通过它PC机可以知道从哪一片双端口存储器取数据。同时，8051的P3.0引脚通过反相器或直接与CY7C142（1）或CY7C142（2）的CE（L）相连，这种连接方法使得PC机在读RAM（1）数据和8051写入RAM（2）或PC机读RAM（2）和8051写RAM（1）之间来回进行切换。8051的P3.4引脚与PC机的一个IRQ相连，完成下面功能：每当8051写满一个双端口RAM时，就向PC机发出一个中断请求信号，使PC机立即响应此中断请求，读取双端口RAM的数据。

图4

    2．2 8051单片机与AD1674和AD7534的接口电路

8051单片机与AD1674和AD7534的接口电路如图4所示。其中，AD1674和12位逐次逼近式A/D转换芯片。转换时间为10μs，片内带有采样保持器/放大器和三态输出缓冲器；AD7534为14位高分辨率D/A转换芯片，转换时间为0.18ms；AD586为高5V参考电压源，偏差为±2.0mV，它为AD7534提供的电压基准。

图5

    2．3 译码电路

该部分涉及两个译码电路，一个是与PC机ISA总线相连的译码电路（1），另一个是与8051相连的译码电路（2）。译码电路（1）如图5所示，译码电路（2）如图6所示。

由此，板上五个I/O地址代表的含义是：100H——PC机对8051输出控制命令；101H——PC机读取双端口RAM数据时的低八位地址口；102H——PC机读取取端口RAM数据时的高三位地址口；103H——PC机读取RAM的数据口；104H——表明双端口RAM1、2的标志口。3 软件设计方案

整个系统的软件设计分为两部分：单片机系统部分和PC机部分。这里仅介绍数据采集和PC机取数程序。

    3．1 数据采集程序

单片机发出A/D转换指令后，AD1674开始工作，采集到数据后存到CY7C142（1）中。当RAM1存满后，单片机发出中断请求，通知PC机从双端口RA同中取走数据，同时将采集的数据存到CY7C142（2）中，RAM2存满后通知PC机取数，如此循环。数据采集程序流程图如图7所示。

3．2 PC机读取RAM程序

PC机接收单片机发来的中断申请后，立即从双端口RAM中读取数据，首先判断104口的状态以确定取哪一个RAM内的数据，然后向CY7C142的读取1024个数据（每个数据两个字节）后中止，等待单片机发出下一个中断申请。PC机读取RAM程序流程图如图8所示。

    读取数据的过程为：首先向101H口、102H口输出低八位、高三位地址，然后向103口读取数据，此后读地址加一再读取八位数据，直到将2048个字节（1024个数据）都都读完。

这样，数据被采样控制器8051送入RAM，同时采样数据又被PC机取走，这两部分工作互不干扰，实现了连续不断、大数据量、高速、实时的数据采集。

    实验表明，采用双端口RAM作为主从CPU的中介是一种实用、高效的系统设计方法，该方法使得信息交换方便、快速、可靠，加上高速、高性能的A/D和D/A转换电路，实现了色谱-质谱联用仪系统的高速/高数据采集及扫描。