單片機系統中高速數據采集的實(shí)現

在單片機系統中通常要用到高速數據采集。雖然目前單片機的工作頻率不斷提高,但仍然無(wú)法滿(mǎn)足如周期信號頻譜分析等需要采用高速數據采集的場(chǎng)合。對于速率在l00 kS/s以上的數據采集，如果采用一般的中斷查詢(xún)法就不易實(shí)現,因此可考慮通過(guò)存儲器直接存儲轉換數據來(lái)實(shí)現1 MHz以上的高速數據采集。

1系統結構

系統由單片機、高速A/D轉換器、高速靜態(tài)RAM及切換控制電路等部分組成,如圖1所示。靜態(tài)RAM用作單片機與A/D轉換器之間的數據緩沖。

RAM的數據線(xiàn)和地址線(xiàn)由總線(xiàn)切換電路來(lái)控制,選擇連接單片機總線(xiàn)或連接到A/D轉換器的數據輸出和地址發(fā)生器輸出地址。RAM的讀寫(xiě)由讀寫(xiě)控制電路實(shí)現。

在數據采集期間,存儲器的寫(xiě)入地址由可預置的16位地址發(fā)生器產(chǎn)生,其溢出信號作為數據采集結束控制。

圖1中單片機采用89C5l；靜態(tài)RAM由2片CYPRESS公司的高速靜態(tài)存儲器CY7Cl9920構成64 k的存儲器，典型讀寫(xiě)時(shí)間20 ns；轉換器采用MAXIM公司的流水線(xiàn)型高速A/D轉換器MAXl426, 采用循環(huán)采集方式；總線(xiàn)切換采用74F245三態(tài)總線(xiàn)收發(fā)器并聯(lián)方式，典型傳輸時(shí)間為65 ns；地址發(fā)生器是由4片計數器74Fl63級聯(lián)組成的可預置數的16位二進(jìn)制計數器,可以預置16位地址的初值,也就是傳輸數據塊的起始地址。一片 74Fl63的典型傳輸時(shí)間是65ns,所以地址發(fā)生器的延時(shí)時(shí)間為26 ns。

2原理與設計

2.1數據采集

數據采集控制電路如圖2所示。系統開(kāi)機運行時(shí)或進(jìn)行內部數據處理時(shí)應把D觸發(fā)器清零,使數據采集電路處于禁止狀態(tài)。當單片機完成初始化或準備就緒后,首先向地址發(fā)生器寫(xiě)入數據塊的起始地址,并把總線(xiàn)切換控制線(xiàn)置位,把RAM的控制權交給采集電路。置位D觸發(fā)器開(kāi)始數據采集,然后等待數據采集結束。在數據采集過(guò)程中,單片機也可以通過(guò)對D觸發(fā)器清零強行中斷數據采集。當采集數據寫(xiě)滿(mǎn)靜態(tài)RAM時(shí),地址發(fā)生器發(fā)出一個(gè)溢出脈沖,使D觸發(fā)器清零。D觸發(fā)器的輸出經(jīng)與門(mén)使地址發(fā)生器和A/D轉換器停止工作,并同時(shí)通過(guò)結束標志通知單片機。

2.2總線(xiàn)控制

總線(xiàn)的選擇控制是由2組74F245三態(tài)總線(xiàn)收發(fā)器完成。2組總線(xiàn)收發(fā)器一端接至靜態(tài)RAM的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn),另一端則分別接單片機總線(xiàn)和地址發(fā)生器的地址輸出與A/D轉換器的數據輸出構成的外部總線(xiàn)。在數據采集期間,選通外部總線(xiàn),由A/D轉換器把采集到的數據直按寫(xiě)入到靜態(tài)RAM中保存。當數據采集結束后,選通單片機系統總線(xiàn),由單片機對靜態(tài)RAM中的數據進(jìn)行運算處理。數據總線(xiàn)是8根，故需要2片74F245對數據線(xiàn)進(jìn)行切換；而地址線(xiàn)有l6根,則需要4片74F245對地址線(xiàn)進(jìn)行切換。

2.3數據傳輸

時(shí)鐘信號的占空比為05,經(jīng)過(guò)與門(mén)之后輸出到地址發(fā)生器、A/D轉換器和靜態(tài)RAM的寫(xiě)控制端。地址發(fā)生器設計為上升沿觸發(fā)方式,A/D轉換器 MAXl426也是上升沿開(kāi)始轉換。故當上升沿到來(lái)時(shí),地址發(fā)生器把地址加1形成新的地址。同時(shí),A/D轉換器進(jìn)行模數轉換。當時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí),A/D 轉換器的輸出數據已穩定的放到了數據總線(xiàn)上,故下降沿將他寫(xiě)入到靜態(tài)RAM的新地址中。由于74F245的典型傳輸時(shí)間為6.5 ns,故地址發(fā)生器的延時(shí)時(shí)間是26 ns。而A/D轉換器MAX1426的最高時(shí)鐘頻率為10 MHz，故從開(kāi)始轉換到數據穩定輸出的最短時(shí)間為50 ns，所以地址發(fā)生器完全能夠滿(mǎn)足要求。