隨著科學技術的發展,計算機在測量與控制中的應用日益廣泛。為了使外部世界的模擬信號與計算機接口,需要進行模/數轉換,該轉換一般通過A/D芯片來完成。目前市場上出現了各種A/D芯片,且各種A/D芯片具有不同的控制方式和應用條件。對于高速數據采集,最大采樣頻率取決于A/D的轉換時間以及數據的傳輸時間。提高最大采樣頻率可通過縮短A/D的轉換時間或提高數據的傳輸速度來實現。如果與PC機接口,數據的傳輸速度決定于PC機的主頻以及數據的傳輸方式,常用的有查詢和中斷方式,若采用DMA傳輸方式則可進一步提高數據的傳輸速度。本文選取AD1674芯片,設計具有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸方式的數據采集電路。該電路既可以采用定時器定時,通過8253定時器的控制設煊可變的采樣變(步進間隔為1μs),獲得高準確的采樣間隔;也可以采用軟件定時,通過端口寫啟動A/D來實現。在時序方面,該電路解決了A/D控制信號與計算機時序匹配問題,可能與高檔PC機進行接口。

　　1 硬件設計

　　1.1 AD1674接口電路

　　文獻[1]詳細介紹了AD1674芯片的性能和控制信號的時序。在完全受控方式下,最好是用邏輯控制信號CE啟動數據讀或A/D轉換;在CE有效時,片選信號CS應有效,并且控制信號R/C和A0已確定,只有滿足這種時序,AD1674才能正常工作。

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　　1.2 A/D轉換及數據的讀時序

　　對A/D接口電路而言,只有PC機的時序與AD1674的要求時序匹配才能保證電路的正常工作。該電路的A/D轉換及數據的讀時序如圖1所示。

　　A在/D轉換時,8253的定時脈沖或端口寫脈沖QD經過延時和調節定時寬度后,使A/D的使能控制CE開始啟動A/D轉換。同時QD寬度為1μs的低電平脈沖(在端口寫啟動方式下,1μs的低脈沖是由端口寫脈沖經調節定時寬度后獲得)使R/C的轉換有效,A0及片選CS可在A/D轉換前設置為有效。當讀取A/D轉換后的數據時,端口讀信號或DMA讀信號D直接使A/CD的使能控制CE啟動數據讀,此時R/C=1,R/C的讀有效,開始12位數據的讀取。當A0=0時,讀取高八位數據;當A0=1時,讀取數據低四位,讀完后A0=0,準備下一次A/D轉換。可見該時序既能與PC機接口,又能使AD1674正常工作。

　　1.3 A/D轉換及數據讀取的實現電路

　　本電路的AD1674工作在完全受控方式。A/D轉換為12位,而轉換后數據分兩次讀取,即先讀數據的高八位,后讀數據的低四位。

　　1.3.1 A/D轉換的啟動方式

　　A/D轉換的啟動方式有兩種：8253定時器硬件啟動和寫端口軟件啟動。

　　8253定時器啟動方式應用于對數據采集的時隔要求準確的場合,該方式是利用8253的定時脈沖啟動A/D轉換,通過8253數據總線緩沖器(端口地址為&0X23F)輸出鑒別通道的計數初值,通過向6位鎖存器74LS174(端口地址為&0X23B)寫入控制字設定8253的控制字以及A/D片選控制位。6位鎖存器數據位定義說明如下：

　　A1A0=00:&0X23D口輸出的數據為計數器0的計數值。

　　A1A0=01:&0X23F口輸出的數據為計數器1的計數值。

　　A1A0=10:&0X23F口輸出的數據為計數器2的計數值。

　　A1A0=11:&0X23F口輸出的數據為計數器8253的方式字。

　　G0&G1=1:起動計數器0和計數器1;G0&G=0：禁止計數器0和計數器1。

　　CS=1:選中A/D芯片CS=0;不選中A/D芯片。

　　具體的實現電路如圖2所示。首先將8253定時通道0與通道1串聯起來定時,通道0的時鐘輸入CLK0的頻率是2MHz,工作在方式3(方波比率發生器)下,通道0的輸出OUT0為頻率1MHz的方波,作為通道1的輸入時鐘CLK1。通道1設定為方式2,即通道1的輸出OUT1從輸出開始一直維持高電平,計數回零后,輸出為低電平并自動重新裝入原計數值,低電平維持一個時鐘周期后,輸出恢復高電平并重新作減法計數。輸出OUT1分為兩路信號,一路通過與門U18A輸出,作為AD1674的R/C控制信號;另一路經過單穩觸發器U24延時和調節定時寬度后,再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號。當OUT1輸出寬度為1μs的低電平脈沖時,一方面使控制信號R/C的轉換有效,同時經延時和調節定時寬度后,使A/D的使能控制CE開始啟動A/D轉換。因此在裝入計數初值以后,只要設置6位鎖存器U8的控制字,就可利用8253定時器啟動A/D。

　　寫啟動A/D方式應用于軟件定時,即通過對端口(地址為&0X23D)寫來觸發A/D轉換。如圖2所示,端口寫信號一方面經過單穩觸發器U6A調節定時寬度(寬度為1μs)后,作為AD1674的R/C控制信號,同時經過另一單穩觸發器U24延時和調節定時寬度后,再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號。

　　可見兩種啟動A/D轉換的過程相似。相比較而言,前者的采樣間隔是由8253定時脈沖的周期決定的,屬于可編程定時器方式定時,共特點是采樣間隔準確;后者則由相鄰兩次寫端口(地址為&0X23D)的時間差決定采樣間隔,為軟件定時方式,特點是靈活方便。

　　1.3.2 A/D轉換數據的讀取方式

　　在數據采集系統中,計算機讀取A/D轉換數據的方式一般有三種,即查詢、中斷和DMA方式。其中查詢方式就是通過查詢標志位來判斷A/D是否轉換完畢,如果A/D轉換完畢則讀入轉換的數據。這種方式下CPU主動查詢,通過CPU讀取A/D轉換的數據,故實現的硬件電路簡單,但數據讀取速度慢,同時在WINDOWS的多任務執行方式下,存在著A/D轉換數據不能及時讀入的問題。中斷方式是利用A/D轉換完畢的標志位觸發一硬中斷,然后中斷管理器向CPU提出中斷申請。在中斷允許的情況下,執行中斷服務程序讀入轉換的數據。這種方式實現的硬件電路也比較簡單,但中斷服務程序的介入,引起數據采集程序的斷點的不可預測性,這樣會導致數據采集程序的失控。DMA方式利用A/D轉換完畢的標志位向DMA控制器提出DMA申請,當DMA控制器從CPU取得總線控制權時,接口便與內存之間直接地進行數據交換(不經過CPU)。這種方式下,由于不經過CPU讀入數據,故提高了數據傳輸速度。同時由于A/D轉換器主動申請數據傳輸,而DMA申請比外設中斷申請的優先級高,A/D轉換數據能夠及時讀入,系統性能也得到了提高,但實現的硬件電路較前兩種方式復雜。

　　本電路設計有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸方式。通過一撥碼盤開關來選擇不同的的傳輸方式。如圖3所示,當A/D轉換完畢時,標志位STS由高電平變為低是電平,從而引起D觸發器U20A觸發,U20A的輸出Q由低電平變成高電平。當撥碼盤開關S1選擇為查詢方式時,該U20A的輸出Q通過一個三態門(端口地址為&0X23F)與數據線D6相連,提供計算機查詢;在中斷方式下,該U20A的輸出Q直接與硬中斷引腳IRQ2相連,當Q由低電平變成高電平時,引起計算機中斷。在前兩種方式下,通過軟件編程,向一鎖存器U22的最低位寫入0或1,選擇讀取A/D轉換數據的高八位或低四位,且由專門的端口(地址為&0X23D)讀取A/D轉換的數據。實現的硬件電路簡單。而在DMA方式下,通過應答信號DACK1尋址,并不由專門的端口讀取A/D轉換的數據,故選擇A/D轉換數據的高八位或低四位的功能必須由硬件電路來實現,比較而言,電路更復雜一些。

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　　下面介紹DMA方式下的具體實現電路。DMA請求電路由兩個D觸發器組成,當A/D轉換完畢時,U20A的輸出Q由低電平變成高電平,DRQ1=1,DMA通道1發出請求,DRQ1被認可后進行兩次DMA傳輸。在第一次DMA傳輸期間,觸發器U20B的輸出Q為低電平,A/D轉換數據的高八位傳輸到指定內存單元。在第一次DMA傳輸結束時,DACK1由低電平變成高電平,觸發器U20B的輸出為高電平,但觸發器U20A的輸出Q仍然是高電平,該電平申請第二次DMA傳輸。在第二次DMA傳輸期間,觸發器U20B的輸出為高電平,A/D轉換數據的低四位傳輸到指定的內存單元。當第二次DMA傳輸結束時,DACK1由低電平變成高電平,使觸發U20B輸出低電平,同時觸發器U20A的輸出Q變為低電平,DRQ1=0變為低電平,DRQ1=0,DMA通道1的請求被撤銷,結束一次A/D轉換12位數據傳輸過程。

　　2 軟件設計

　　該接口電路支持各種帶有口指令操作的高級語言和8086/8088匯編語言。以下就以Turbo C為例對相應的部分編程,經供參考。

　　2.1 A/D編程

　　該編程適合于中斷或查詢方式下的編程,端口地址=0x238～0x23f。

　　outportb(0x23c,0x00); /*初始化清零*/

　　outportb(0x23a,0x00); /*選擇傳輸高8位數據并為A/D轉換作準備*/

　　{

　　}; /*啟動A/D并檢查A/D是否轉換完畢*/

　　dh=inportb(0x23d); /*輸入高八位數據*/

　　outporth(0x23a,0x01); /*選擇傳輸低四位數據*/

　　dl=inportb(0x23d); /*輸入低四位數據*/

　　outportb(0x23a,0x00); /*選擇傳輸高8位數據并為A/D轉換作準備*/

　　dl=dl>>4;

　　dh1=dh;

　　dl=(dh1<<4)+dl;

　　dh=dh>>4; /*將高八位低四位數據轉化為高四位低八位數據*/

　　d=dh*256+dl; /*拼合12位數據*/

　　u=(d-2047)*10.0/4096; /*轉換電壓值*/

　　2.2 寫啟動和查詢方式的編程

　　outportb(0x23d,0x00); /*寫啟動A/D轉換*/

　　if(inporth(0x23e)&0x80);/*D7=1則A/D轉換完畢*/

　　2.3 8253定時器編程

　　outportb(0x23b,0x03); /*set 8253 timer into writing mode word state*/

　　outportb(0x23f,0x36); /*set 0 channel working with mode 3*/

　　outportb(0x23f,0x74); /*set 1 channel working with mode 2*/

　　outportb(0x23b,0x00); /*set to write data to 0 Channel mode */

　　outportb(0x23f,0x02); /*write low data to 0 channel*/

　　outportb(0x23f,0x00); /*write high data to 0 channel*/

　　outportb(0x23b,0x01); /*set to write data to 1 channel*/

　　outportb(0x23f,LC1); /*write low data to 1 channel*/

　　outportb(0x23f,HC1); /*write high data to 1 channel*/

　　outportb(0x23b,0x0c); /*啟動CH0,CH1工作*/

　　其中采樣頻率決寫入計數器1的計數值。

　　2.4 DMA方式下PC主機中8237A DMA控制器編程

　　8237A DMA控制器具有4個DMA通道,該接口電路使用通道1。

　　outportb(0x0x,0x05); /*mask DMA channel 1*/

　　outportb(0x0c,0x00); /*clear byet pointer flip*/

　　outportb(0x0b,0x55); /*write mode word.demand mode,address tincrease,autoinitialization,write trasfer and select 1*/

　　outportb(0x83,SEG); /*write page number*/

　　outportb(0x02,LA); /*write low 8 bit address*/

　　outportb(0x02,HA); /*write hige 8 bit address*/

　　outportb(0x03,LC); /*write low 8 bit count data*/

　　outportb(0x03,HC); /*write hige 8 bit count data*

　　outportb(0x03,0x01); /*clear mask bit of DMA channel*/

　　其中寫入11口的數值應按照具體的工作方式來確定,寫入131口的頁地址SEG取20位絕對地址的最高4位的數值,而將低16位地址的數值寫入地址寄存器。寫基值字節計數寄存器的字節總數值應為需要傳輸的字節數減1。

　　2.5 中斷服務程序的編寫以有中斷向量的裝入

　　void interrupt int9() /*中斷服務程序*/

　　{ disable();

　　ah5=inportb(0x23d); /*輸入高八位數據*/

　　outportb(0x23a,0x01); /*選擇傳輸低四位數據*/

　　dl5=inportb(0x23d); /*輸入低四位數據*/

　　outportb(0x23a,0x00); /*選擇傳輸高8位數據并為A/D轉換作準備*/

　　outportb(0x23c,0x00); /*A/D轉換完畢的標志位清零*/

　　outportb(0x20,0x20);

　　enable();

　　}

　　void stall 1(void interrupt(*faddr)())

　　{

　　disable();

　　setvect(INT1,faddr); /*裝入中斷服務程序*/

　　enable();

　　}

　　本文介紹一種基于AD1674設計的接口電路,該電路具有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸功能,同時采用8253定時脈沖或端口寫兩種A/D啟動方式。其中DMA方式實現了數據的快速傳輸,而兩種A/D啟動方式將會使采樣率的設定更加靈活。應用本文原理設計的可插入通用PC機的數據采集板已用于我們的高頻多譜勒和到達角探測分析系統中,取得了滿意的效果。這些設計方法和原理在其它實際數據采集系統的設計過程中,也會具有重要的參考價值。