基于EPP的化学分析数据采集系统

摘 要：本文介绍了一种在化学分析中替代X－Y记录仪的并行数据采集系统。该系统利用IEEE1284的EPP增强并口模式，提供了通过PC机打印端口实现对仪器、仪表设备的双向控制与数据传送的一种解决方案。
关键词：增强并口；标准并口；IEEE1284；数据采集

概述
化学反应中参数变化的观察记录设备通常采用X－Y记录仪，它能够同时记录两个维度，并能够直接记录反应信号强弱变化。但是X－Y记录仪是机械式的记录工具，由于机械技术和工艺的限制，不可能达到很高的和灵敏度。对于快速变化、信号电压微弱的化学反应就无能为力。而本设计介绍的这个主要用于化学分析的采集器，采用电子技术对信号电压进行采集并直接与PC机接口。可同时采集三路独立信号，并自带时标，共提供4个维度的参数；提供自校准功能；采样速度较高，单通道采样可达10KHz；直接通过并行口接入PC机联机操作，便于数据传送、分析；前置放大采用隔离放大器，适于采集非相关的信号电压。且通道隔离度高。

系统设计
基于EPP的并行数据采集系统由AVR单片机及其外围电路组成，结构框图如图1所示。
EPP通讯方式简介及其实现
通常计算机的并行接口即打印机接口工作在IEEE1284的SPP(标准并口)模式，这种模式只能单向传送数据，同时达不到很高的速率，因此我们选用了IEEE1284的EPP(增强并口)模式来传送数据、指令。相对SPP模式，EPP模式提供了双向数据传送的功能，同时由硬件来控制握手时序，从而能使传输速率高达2Mbyte/s。为适应高速采样及传送数据的要求，采集系统使用EPP工作模式与PC机通过并行端口进行通讯。
PC机端对并行端口的访问是通过端口寄存器来实现的。通过访问相应端口的相应位即可获取或者设置端口上相应信号的值。在SPP模式下，有三个端口寄存器(数据、状态及控制寄存器)，分别对应端口引脚上的数据、状态和控制信号。
EPP较SPP多增加两个端口寄存器(EPP的地址与数据寄存器)，如并行端口的地址为Base。EPP模式下仍可使用SPP的三个端口寄存器进行SPP端口操作，同时EPP增加了EPP的地址、数据寄存器，对这两个寄存器进行的读/写操作将引发EPP的硬件时序对外设进行读/写操作，实现EPP数据传输。特别要说明的是EPP模式下的超时问题。EPP握手过程中为防止握手信号丢失造成等候过程中死循环，当Address/Data Strobe 拉低时启动一个计时器，如计10ms后外设仍无Wait信号的响应就结束本次发送/接收，同时置Time Out状态位(EPP1.9)。当Time Out置位时EPP端口将不能正常工作，因此要经常监视Time Out位，一旦超时需向此位写“1”来清除，从而保证EPP端口的正常工作。
隔离放大电路设计
由于所采集信号为化学反应参数，要求采样信号之间彼此完全独立，且采样环境要求抗干扰能力强。所以前置放大器采用隔离放大器。隔离放大电路如图2所示。
整个隔离放大器电路实行三级放大。采用低功耗、高低噪声仪用放大器AD620，使用一个精密电阻来调节增益作为放大；使用隔离放大器作为二级放大，同时起到隔离作用；采用OP07高仪用放大器，作为调零和微调使用。
完全隔离要求放大器两边的电源也必须隔离，因而电源设计为由不同绕线组引出的交流电处理而得到。其中AD620及隔离放大器的输入部分为信号源，单独使用两路±12V和5V模拟电压；隔离放大器的输出部分和OP07则使用另两路电源，从而将电源完全隔离开来。
采集器量程从±5mV到±10V分为11档，通过调节前置放大器的放大倍数来改变设置。量程调整共设两级，级通过AD620的增益调整电阻调整，第二级调整AD620输出信号的分压从而改变隔离放大器的输入。调整过程通过继电器组来完成，即通过继电器控制增益调整电阻、分压电阻的使用与否，从而改变总增益。
EPP接口电路－总线隔离与控制
由于单片机I/O引脚数有限，仅连接必要的握手信号到PC机的EPP端口：使用单片机的PB2、3及PD0、1四个I/O引脚来模拟EPP端口的Wait、Data Strobe、Interrupt、Write四路控制信号的时序(数据传送不需要Address Strobe，而Interrupt用于请求PC以读取上传数据)。
EPP直接接口的实现
EPP直接接口实现，即使用单片机编程技术完全实现EPP握手信号的时序。由于有10ms的时间限制，所以采用汇编语言编写子程序以加快响应速度。
总线隔离与控制
由于在PC的打印端口上除了采集器还要连接打印机，所以必须有一个地址译码的过程。通过观察EPP地址发送周期可以看出，地址值可在Address Strobe的上升沿被移入地址寄存器，所以设计中采用锁存器在Address Strobe的作用下将地址锁存，并译码后驱动双掷继电器切换打印机和采集器EPP接口的关键控制线，使得采集器和打印机之间不致发生误动作。
要切换的关键控制线选用EPP的Wait和Write信号。其中Write即SPP中的Strobe，是SPP数据传送的触发沿，必须隔离。而EPP的Wait也是握手不可少的关键，这样EPP和SPP的数据传送就完全隔离了。其他控制线及EPP中保留的引脚，则由计算机并行口直接与打印机端口直接相连(参见图3)。
系统中数据由8位数据总线传送。为防止传送中打印机数据与采集系统互相干扰，使用双向三态芯片将采集系统数据总线与PC－打印机数据总线隔离。
通讯协议设计
由前文可知EPP读/写操作均由PC机主动发起，而从机(采集系统)被动响应，采集系统如要求传送数据，则必须通过非指令的其他途径，如发出中断信号给PC机要求其发出读取指令。
在命令解释的过程中，命令越长(字节数越多)则越增加解释的难度，因此控制指令设计为不超过2字节。单字节指令为动作指令，如启动、停止、复位等；双字节指令为设置指令，其后一字节为设置数据，如启用通道设置、量程设置、采样频率设置等。系统状态或采样数据作为参数回传指令和数据回传指令的回传数据处理，根据指令回传相应的数据。
软件结构设计
AVR单片机主程序循环体采用汇编语言编写，以适应高速运转的需要。主要有3个动作，通过判断相应的标志来执行：其中EPP命令即通过监测外围硬件确认有PC机发来的EPP数据 ；采样时间由定时器决定，以控制采样频率；有数据传送标志表明数据在连续传送过程中。采样时间的定义(定时时间)、数据传送的开始以及隔离放大器的控制，通过自定协议由EPP命令的执行来完成。

几个具体问题
设置的预置和保存问题
AT90S8515自带E2PROM，使用PC机改变设置后可将设置值自动保存在E2PROM中，从而下次使用时可直接恢复的设置，进一步可提供多组设置便于选择。
可靠性与抗干扰问题
系统中启用了AT90S8515自带的WatchDog，从而避免程序因某些原因而引起“飞掉”或“死机”，提高了系统的整体可靠性。此外，由于A/D采样较高(12位)，在系统的研制过程中采用了各种抗干扰的措施，如大面积接地制板，A/D输入全部采用屏蔽线等。从而限度上减少了外界干扰的影响。

结语
基于EPP的化学分析数据采集系统充分利用单片机系统及PC机的硬件资源及其集成软件环境，力求创造一个具有强大功能与良好用户界面的化学分析用采集系统，实验证明达到了预定要求。同时也提供了一种中、高速数据采集及控制的解决方案。■

参考文献
1 耿德根, 宋建国, 马潮, 叶勇编. AVR高速嵌入式单片机原理与应用. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.
2 AVR单片机系统. 中国台湾：Atmel公司
3 Jan Axelson. 并行端口大全. 中国电力出版社, 2001 
4 AD620 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD620_122143.html.
5 OP07 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/OP07_950754.html.
6 PB2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PB2_1202177.html.
7 AT90S8515 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT90S8515_143990.html.