基于A/D芯片AD1674設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路

  摘要：介紹了基于AD1671芯片設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路,該電路具有查詢、中斷和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸功能,并且采用8253定時(shí)脈沖和端口寫兩種A/D啟動(dòng)方式,適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

    關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換 8253定時(shí)器 DMA方式

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)在測(cè)量與控制中的應(yīng)用日益廣泛。為了使外部世界的模擬信號(hào)與計(jì)算機(jī)接口,需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,該轉(zhuǎn)換一般通過A/D芯片來完成。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)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(yīng)用條件。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集,最大采樣頻率取決于A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。提高最大采樣頻率可通過縮短A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間或提高數(shù)據(jù)的傳輸速度來實(shí)現(xiàn)。如果與PC機(jī)接口,數(shù)據(jù)的傳輸速度決定于PC機(jī)的主頻以及數(shù)據(jù)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(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。本文選取AD1674芯片,設(shè)計(jì)具有查詢、中斷和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸方式的數(shù)據(jù)采集電路。該電路既可以采用定時(shí)器定時(shí),通過8253定時(shí)器的控制設(shè)煊可變的采樣變（步進(jìn)間隔為1μs）,獲得高準(zhǔn)確的采樣間隔;也可以采用軟件定時(shí),通過端口寫啟動(dòng)A/D來實(shí)現(xiàn)。在時(shí)序方面,該電路解決了A/D控制信號(hào)與計(jì)算機(jī)時(shí)序匹配問題,可能與高檔PC機(jī)進(jìn)行接口。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 AD1674接口電路

文獻(xiàn)[1]詳細(xì)介紹了AD1674芯片的性能和控制信號(hào)的時(shí)序。在完全受控方式下,最好是用邏輯控制信號(hào)CE啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀或A/D轉(zhuǎn)換;在CE有效時(shí),片選信號(hào)CS應(yīng)有效,并且控制信號(hào)R/C和A0已確定,只有滿足這種時(shí)序,AD1674才能正常工作。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的讀時(shí)序

對(duì)A/D接口電路而言,只有PC機(jī)的時(shí)序與AD1674的要求時(shí)序匹配才能保證電路的正常工作。該電路的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的讀時(shí)序如圖1所示。

A在/D轉(zhuǎn)換時(shí),8253的定時(shí)脈沖或端口寫脈沖QD經(jīng)過延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后,使A/D的使能控制CE開始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。同時(shí)QD寬度為1μs的低電平脈沖（在端口寫啟動(dòng)方式下,1μs的低脈沖是由端口寫脈沖經(jīng)調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后獲得）使R/C的轉(zhuǎn)換有效,A0及片選CS可在A/D轉(zhuǎn)換前設(shè)置為有效。當(dāng)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)時(shí),端口讀信號(hào)或DMA讀信號(hào)D直接使A/CD的使能控制CE啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀,此時(shí)R/C=1,R/C的讀有效,開始12位數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)A0=0時(shí),讀取高八位數(shù)據(jù);當(dāng)A0=1時(shí),讀取數(shù)據(jù)低四位,讀完后A0=0,準(zhǔn)備下一次A/D轉(zhuǎn)換?？梢娫摃r(shí)序既能與PC機(jī)接口,又能使AD1674正常工作。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取的實(shí)現(xiàn)電路

本電路的AD1674工作在完全受控方式。A/D轉(zhuǎn)換為12位,而轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)分兩次讀取,即先讀數(shù)據(jù)的高八位,后讀數(shù)據(jù)的低四位。

1.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方式

A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方式有兩種：8253定時(shí)器硬件啟動(dòng)和寫端口軟件啟動(dòng)。

8253定時(shí)器啟動(dòng)方式應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)采集的時(shí)隔要求準(zhǔn)確的場(chǎng)合,該方式是利用8253的定時(shí)脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,通過8253數(shù)據(jù)總線緩沖器（端口地址為&0X23F）輸出鑒別通道的計(jì)數(shù)初值,通過向6位鎖存器74LS174（端口地址為&0X23B）寫入控制字設(shè)定8253的控制字以及A/D片選控制位。6位鎖存器數(shù)據(jù)位定義說明如下：

A1A0=00:&0X23D口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值。

A1A0=01:&0X23F口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值。

A1A0=10:&0X23F口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值。

A1A0=11:&0X23F口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器8253的方式字。

G0&G1=1:起動(dòng)計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1;G0&G=0：禁止計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1。

CS=1:選中A/D芯片CS=0;不選中A/D芯片。

具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。首先將8253定時(shí)通道0與通道1串聯(lián)起來定時(shí),通道0的時(shí)鐘輸入CLK0的頻率是2MHz,工作在方式3（方波比率發(fā)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(shí)鐘CLK1。通道1設(shè)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(jì)數(shù)回零后,輸出為低電平并自動(dòng)重新裝入原計(jì)數(shù)值,低電平維持一個(gè)時(shí)鐘周期后,輸出恢復(fù)高電平并重新作減法計(jì)數(shù)。輸出OUT1分為兩路信號(hào),一路通過與門U18A輸出,作為AD1674的R/C控制信號(hào);另一路經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器U24延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后,再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號(hào)。當(dāng)OUT1輸出寬度為1μs的低電平脈沖時(shí),一方面使控制信號(hào)R/C的轉(zhuǎn)換有效,同時(shí)經(jīng)延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后,使A/D的使能控制CE開始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。因此在裝入計(jì)數(shù)初值以后,只要設(shè)置6位鎖存器U8的控制字,就可利用8253定時(shí)器啟動(dòng)A/D。

寫啟動(dòng)A/D方式應(yīng)用于軟件定時(shí),即通過對(duì)端口（地址為&0X23D）寫來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。如圖2所示,端口寫信號(hào)一方面經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器U6A調(diào)節(jié)定時(shí)寬度（寬度為1μs）后,作為AD1674的R/C控制信號(hào),同時(shí)經(jīng)過另一單穩(wěn)觸發(fā)器U24延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后,再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號(hào)。

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

1.3.2 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取方式

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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(biāo)志位來判斷A/D是否轉(zhuǎn)換完畢,如果A/D轉(zhuǎn)換完畢則讀入轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。這種方式下CPU主動(dòng)查詢,通過CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),故實(shí)現(xiàn)的硬件電路簡(jiǎn)單,但數(shù)據(jù)讀取速度慢,同時(shí)在WINDOWS的多任務(wù)執(zhí)行方式下,存在著A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)不能及時(shí)讀入的問題。中斷方式是利用A/D轉(zhuǎn)換完畢的標(biāo)志位觸發(fā)一硬中斷,然后中斷管理器向CPU提出中斷申請(qǐng)。在中斷允許的情況下,執(zhí)行中斷服務(wù)程序讀入轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。這種方式實(shí)現(xiàn)的硬件電路也比較簡(jiǎn)單,但中斷服務(wù)程序的介入,引起數(shù)據(jù)采集程序的斷點(diǎn)的不可預(yù)測(cè)性,這樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集程序的失控。DMA方式利用A/D轉(zhuǎn)換完畢的標(biāo)志位向DMA控制器提出DMA申請(qǐng),當(dāng)DMA控制器從CPU取得總線控制權(quán)時(shí),接口便與內(nèi)存之間直接地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（不經(jīng)過CPU）。這種方式下,由于不經(jīng)過CPU讀入數(shù)據(jù),故提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。同時(shí)由于A/D轉(zhuǎn)換器主動(dòng)申請(qǐng)數(shù)據(jù)傳輸,而DMA申請(qǐng)比外設(shè)中斷申請(qǐng)的優(yōu)先級(jí)高,A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能夠及時(shí)讀入,系統(tǒng)性能也得到了提高,但實(shí)現(xiàn)的硬件電路較前兩種方式復(fù)雜。

本電路設(shè)計(jì)有查詢、中斷和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸方式。通過一撥碼盤開關(guān)來選擇不同的的傳輸方式。如圖3所示,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí),標(biāo)志位STS由高電平變?yōu)榈褪请娖?從而引起D觸發(fā)器U20A觸發(fā),U20A的輸出Q由低電平變成高電平。當(dāng)撥碼盤開關(guān)S1選擇為查詢方式時(shí),該U20A的輸出Q通過一個(gè)三態(tài)門（端口地址為&0X23F）與數(shù)據(jù)線D6相連,提供計(jì)算機(jī)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(dāng)Q由低電平變成高電平時(shí),引起計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高八位或低四位,且由專門的端口（地址為&0X23D）讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)的硬件電路簡(jiǎn)單。而在DMA方式下,通過應(yīng)答信號(hào)DACK1尋址,并不由專門的端口讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),故選擇A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高八位或低四位的功能必須由硬件電路來實(shí)現(xiàn),比較而言,電路更復(fù)雜一些。

    下面介紹DMA方式下的具體實(shí)現(xiàn)電路。DMA請(qǐng)求電路由兩個(gè)D觸發(fā)器組成,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí),U20A的輸出Q由低電平變成高電平,DRQ1=1,DMA通道1發(fā)出請(qǐng)求,DRQ1被認(rèn)可后進(jìn)行兩次DMA傳輸。在第一次DMA傳輸期間,觸發(fā)器U20B的輸出Q為低電平,A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高八位傳輸?shù)街付▋?nèi)存單元。在第一次DMA傳輸結(jié)束時(shí),DACK1由低電平變成高電平,觸發(fā)器U20B的輸出為高電平,但觸發(fā)器U20A的輸出Q仍然是高電平,該電平申請(qǐng)第二次DMA傳輸。在第二次DMA傳輸期間,觸發(fā)器U20B的輸出為高電平,A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低四位傳輸?shù)街付ǖ膬?nèi)存單元。當(dāng)?shù)诙蜠MA傳輸結(jié)束時(shí),DACK1由低電平變成高電平,使觸發(fā)U20B輸出低電平,同時(shí)觸發(fā)器U20A的輸出Q變?yōu)榈碗娖?DRQ1=0變?yōu)榈碗娖?DRQ1=0,DMA通道1的請(qǐng)求被撤銷,結(jié)束一次A/D轉(zhuǎn)換12位數(shù)據(jù)傳輸過程。

2 軟件設(shè)計(jì)

該接口電路支持各種帶有口指令操作的高級(jí)語言和8086/8088匯編語言。以下就以Turbo C為例對(duì)相應(yīng)的部分編程,經(jīng)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(shù)據(jù)并為A/D轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備*/

{

}; /*啟動(dòng)A/D并檢查A/D是否轉(zhuǎn)換完畢*/

dh=inportb(0x23d); /*輸入高八位數(shù)據(jù)*/

outporth(0x23a,0x01); /*選擇傳輸?shù)退奈粩?shù)據(jù)*/

dl=inportb(0x23d); /*輸入低四位數(shù)據(jù)*/

outportb(0x23a,0x00); /*選擇傳輸高8位數(shù)據(jù)并為A/D轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備*/

dl=dl>>4;

dh1=dh;

dl=(dh1<<4)+dl;

dh=dh>>4; /*將高八位低四位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高四位低八位數(shù)據(jù)*/

d=dh*256+dl; /*拼合12位數(shù)據(jù)*/

u=(d-2047)*10.0/4096; /*轉(zhuǎn)換電壓值*/

2.2 寫啟動(dòng)和查詢方式的編程

outportb(0x23d,0x00); /*寫啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換*/

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

2.3 8253定時(shí)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(dòng)CH0,CH1工作*/

其中采樣頻率決寫入計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值。

2.4 DMA方式下PC主機(jī)中8237A DMA控制器編程

8237A DMA控制器具有4個(gè)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(shù)值應(yīng)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(duì)地址的最高4位的數(shù)值,而將低16位地址的數(shù)值寫入地址寄存器。寫基值字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器的字節(jié)總數(shù)值應(yīng)為需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)減1。

2.5 中斷服務(wù)程序的編寫以有中斷向量的裝入

void interrupt int9() /*中斷服務(wù)程序*/

{ disable();

ah5=inportb(0x23d); /*輸入高八位數(shù)據(jù)*/

outportb(0x23a,0x01); /*選擇傳輸?shù)退奈粩?shù)據(jù)*/

dl5=inportb(0x23d); /*輸入低四位數(shù)據(jù)*/

outportb(0x23a,0x00); /*選擇傳輸高8位數(shù)據(jù)并為A/D轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備*/

outportb(0x23c,0x00); /*A/D轉(zhuǎn)換完畢的標(biāo)志位清零*/

outportb(0x20,0x20);

enable();

}

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

{

disable();

setvect(INT1,faddr); /*裝入中斷服務(wù)程序*/

enable();

}

本文介紹一種基于AD1674設(shè)計(jì)的接口電路,該電路具有查詢、中斷和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸功能,同時(shí)采用8253定時(shí)脈沖或端口寫兩種A/D啟動(dòng)方式。其中DMA方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸,而兩種A/D啟動(dòng)方式將會(huì)使采樣率的設(shè)定更加靈活。應(yīng)用本文原理設(shè)計(jì)的可插入通用PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集板已用于我們的高頻多譜勒和到達(dá)角探測(cè)分析系統(tǒng)中,取得了滿意的效果。這些設(shè)計(jì)方法和原理在其它實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,也會(huì)具有重要的參考價(jià)值。