多點(diǎn)快速采集系統中信號可靠轉貯技術(shù)研究

一束激光投射到物體表面時(shí)，要獲得物體受光面接收到的激光能量分布及隨時(shí)間變化情況，需在對應的位置設置激光探測系統。根據被測激光束形成的光斑直徑實(shí)際情況，在受光面上等間距分布安裝256只光電探測器，即將具有一定能量的激光脈沖轉換為相對應的電壓信號，該信號能正確反映其能量大小和變化。為了使系統能實(shí)時(shí)反映光斑各點(diǎn)的能量大小及變化情況，要求每秒采集25幀數據，即每幀的采集時(shí)間為40 ms，每個(gè)點(diǎn)的平均采集時(shí)間約為150 μs。為了保證弱光信號的采樣精度，系統可使用程控放大器，適當增大弱光信號的電壓放大倍數，即每個(gè)采樣點(diǎn)有可能采樣兩次。當首次采樣值大于門(mén)限值則認為信號足夠強，直接將采樣數據傳送給上位機，當小于該門(mén)限值時(shí)則改變放大倍數，再采樣一次，然后將結果加上特征碼傳送給上位機。為了保證測試精度，系統使用12位高速A/D芯片進(jìn)行數據轉換，因此向上位機的數據傳送以串行通信方式分兩幀進(jìn)行。上位機得到數據后作相應處理，再實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示在監視器上。上位機的數據處理和圖像顯示本文不作詳細討論，只就信號采集和傳送問(wèn)題作重點(diǎn)介紹。

1 系統多點(diǎn)采集電路構成及工作原理

圖1為系統構成原理電路圖，只畫(huà)出了信號采集部分，其他配屬電路均未畫(huà)出。本例設計安裝256個(gè)光電探測器。

1.1 CPU的選擇

本系統中CPU選用華邦公司的W77E58，其指令執行速度是51系列單片機的三倍。同樣用12 MHz的晶振，一個(gè)機器周期可降低到0.35 μs。如果每次采集和傳送需用40條指令實(shí)現,完成每條指令按兩個(gè)機器周期計算，要完成兩次采集傳送2 B數據，所用時(shí)間完全可以控制在40 μs以?xún)?。因此，選用W77E58可保證在每點(diǎn)所限時(shí)間范圍內選擇相應的探測器、啟動(dòng)A/D轉換、完成兩次采集數據、把測試結果以串行通信兩幀數據的格式傳送給上位機。

1.2 多點(diǎn)探測器選擇的實(shí)現

多點(diǎn)探測器選擇電路由1片74LS574、1片CD4515、CD4067(I)和16片CD4067(Ⅱ)構成。74LS574用于鎖存8個(gè)控制信號，它們分別為A、B、C、D和A′、B′、C′、D′；4515和4067(I)的通道選通控制端并聯(lián)，4515的16個(gè)輸出通道中的某一個(gè)通道輸出為低電平“0”，這16個(gè)輸出作為16片4067(Ⅱ)的使能端；16片4067(Ⅱ)的通道選擇控制端A′、B′、C′、D′并聯(lián)，其256個(gè)輸入通道對應256套光電探測器電壓信號輸出端。

因此，控制信號A、B、C、D決定選哪一片4067(Ⅱ)，而A′、B′、C′、D′決定選其對應的16個(gè)探測器中的某一個(gè)。4067(I)的16個(gè)輸入通道分別對應16片4067(Ⅱ)的16選1的輸出通道。

1.3 程控放大器和模數轉換

程控放大器選用單電源供電形式，其增益帶寬大于10 MHz，因此可設計成同相輸入運算放大器的形式。Rf1取9.1 k?贅，R2為精密電位器,其值為10 k?贅，Rf2取100 k?贅，放大倍數調整為兩檔：10倍和100倍。為了防止模擬開(kāi)關(guān)對放大信號的影響,將其接成反饋電路串入模擬開(kāi)關(guān)，再接到運算放大器的反相輸入端，這樣模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻就不會(huì )對放大倍數造成影響。模擬開(kāi)關(guān)選用CD4053，該芯片為3個(gè)二選一開(kāi)關(guān)，選其第三個(gè)開(kāi)關(guān)，由W77E58的P3.0控制。當P3.0為1時(shí)，指向低放大倍數檔；當P3.0為0時(shí)，則指向高放大倍數。模數轉換器采用AD678，它是12 bit AD芯片，不需外部時(shí)鐘和外部基準電壓，速度較快，5.0 μs完成一次轉換。AD678與CPU接口簡(jiǎn)單，只相當于CPU的兩個(gè)外部存儲單元。

2 通信電路構成及工作原理

系統要求對256個(gè)探測器進(jìn)行循環(huán)采集,每40 ms掃描一遍，因此每個(gè)探測器占用時(shí)間約為156.25 μs。由于執行數據采集與控制等指令需占用一定的時(shí)間，故用于通信的時(shí)間遠小于156.25 μs。本系統中使用的是12 bit的AD芯片，所以每個(gè)點(diǎn)需以?xún)蓭瑪祿母袷絺魉?，設每幀10 bit，則每個(gè)點(diǎn)有效數據就需占用20 bit，加上必要的間隔及指令執行時(shí)間，每個(gè)探測器占用的時(shí)間遠高于傳送20 bit數據所占用的時(shí)間。若按每幀數據平均12.5 bit，每幀允許使用時(shí)間50 μs，4 μs 1 bit，則波特率高達250 kHz以上，這樣高的速率就單片機的異步串行通信而言是不可能實(shí)現的，而USB則可以勝任，因此本系統選用了由FT245BM芯片構成的USB總線(xiàn)接口電路，其原理如圖2所示。

2.1 USB接口芯片FT245BM

本系統的USB通信接口芯片使用FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd)公司生產(chǎn)的FT245BM。FT245BM支持USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉換，其主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉換。芯片一方面可從主機接收USB數據，并將其轉換為并行I/O口的數據流格式發(fā)送給外設；另一方面外設可通過(guò)并行I/O口將數據轉換為USB的數據格式傳回主機。中間的轉換工作全部由芯片自動(dòng)完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)需考慮固件的設計。

FT245BM通過(guò)FIFO控制器實(shí)現與單片機的接口，借助8根數據線(xiàn)D0～D7及讀寫(xiě)控制線(xiàn)（RD、WR、RXF和TXE）完成與單片機的數據交互。其內部包含兩個(gè)FIFO數據緩沖區，一個(gè)是128 B的接收緩沖區，另一個(gè)是384 B的發(fā)送緩沖區。它們均用于USB數據與并行I/O口數據的交換緩沖區。

另外，FT245BM還包括1個(gè)內置的3.3 V的穩壓器，1個(gè)6 MHz的振蕩器、8倍頻的時(shí)鐘倍頻器、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。FT245BM采用32腳的PQFP封裝，體積小巧，易于和外設做到一塊板上。

2.2 電路工作原理

該電路將W77E58對256個(gè)光電探測器循環(huán)測得的數據通過(guò)并行接口傳送給FT245BM，相當于將FT245BM當作一個(gè)8 bit隨機存儲器對待，將數據寫(xiě)入FT245BM，然后執行下一個(gè)點(diǎn)的數據采集處理。只要USB接口波特率可以達到300 kHz以上，兩點(diǎn)采集處理間隔能在100 μs以上，系統就能可靠工作。

3 數據采樣和傳送程序示例

mov A,#00H
mov DPTR,#2000H
movx @DPTR,A
mov DPTR,#4000H
movx @DPTR,A
mov R1,#08H
djnz R1,$
movx A,@DPTR
mov 20H,A
inc DPTR
mov A,@DPTR
mov 21H,A
mov A,20H
cjnz A,#1fH,Loop2
　Loop2: jc,Loop3
Ajmp Loop
　Loop3: clr P3.0
mov DPTR,#2000H
movx @DPTR,A
mov DPTR,#4000H
movx @DPTR,A
mov R1,#10H
movx A,@DPTR
mov 20H,A
inc DPTR
movx A,@DPTR
mov 21H,A
　Loop:mov DPTR,#6000H
mov A,20H
movx @DPTR,A
mov A,21H
movx @DPTR,A
setb P3.0
END

采用USB接口從根本上解決了多點(diǎn)快速數據采集系統的大數據采集量和高速度傳送的矛盾，系統要求整個(gè)采集時(shí)間為3 min左右，在這段時(shí)間里，上位機將系統通過(guò)USB接口傳送過(guò)來(lái)的約5 MB的數據經(jīng)過(guò)處理和修正后即時(shí)顯示在計算機監視器上，可方便地觀(guān)察幾分鐘內激光發(fā)射時(shí)間里受光表面得到的能量分布和隨時(shí)間變化的過(guò)程。系統把數據處理及圖形顯示交給計算機，而把多點(diǎn)采集驅動(dòng)交給單片機完成，由USB接口負責快速信息傳遞，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢完成。該方案對多點(diǎn)高速采集系統具有普遍的應用意義，如果設計合理，監測點(diǎn)可以達到1 000個(gè)以上。