張碩生, 范志偉
(北京石油化工學(xué)院 自動化系, 北京102617)
摘　要 為色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設(shè)計了高速采樣掃描接口電路。介紹了采用ISA卡形式以兩片雙端口RAM為信箱實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)高速通訊的接口電路,給出了實(shí)現(xiàn)高速、高精度采樣及掃描的高性能A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,最后給出了相應(yīng)的軟件設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞：色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 雙端口RAM 高速采樣
色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀可對許多產(chǎn)品中的多種元素進(jìn)行分析測定,因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及醫(yī)藥、環(huán)保、食品等領(lǐng)域中。GC-MS技術(shù)在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)研究中將發(fā)揮更為積極和重要的作用。
GC-MS聯(lián)用儀對質(zhì)譜掃描速度要求很高,需要對被測信號進(jìn)行高速的實(shí)時采集,在極短的時間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)。因此必須設(shè)計高速的數(shù)據(jù)采集接口電路。
本文采用兩片雙端口RAM為信箱以ISA卡的形式完成單片機(jī)與PC機(jī)的高速通訊,采用高速高性能的A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)聯(lián)用儀系統(tǒng)的高速、高精度采樣及掃描。
1 系統(tǒng)設(shè)計思路
選擇PC機(jī)作為主機(jī),MCU作為從機(jī)組成監(jiān)測系統(tǒng),對測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模擬控制。在數(shù)據(jù)傳輸速度較高、數(shù)據(jù)量較大且需經(jīng)常交換信息的場合,采取雙口共享RAM緩沖區(qū)方式是最合適的[1]。雙端口RAM將單片機(jī)與PC機(jī)有機(jī)地連接為一個整體,PC機(jī)和單片機(jī)的優(yōu)勢可以互補(bǔ),使其成為功能強(qiáng)大的雙CPU數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。
這里采用8051單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和模擬控制工作,將高速采集掃描接口電路做成PC機(jī)擴(kuò)展卡形式[2],直接插入PC機(jī)的I/O擴(kuò)展槽內(nèi)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性,采用了兩片雙端口RAM,以保證單片機(jī)的數(shù)據(jù)“采集”和PC機(jī)的數(shù)據(jù)“讀取”并行進(jìn)行。當(dāng)然,這種方法使系統(tǒng)的控制邏輯變得復(fù)雜了。51單片機(jī)通過雙端口RAM與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D如圖1所示。

圖1 PC機(jī)與51單片機(jī)通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D
整個系統(tǒng)的工作過程為:通過PC機(jī)鍵盤設(shè)定主要分析參數(shù),其中與質(zhì)函數(shù)采樣掃描有關(guān)的參數(shù)由PC機(jī)傳送給單片機(jī),單片機(jī)負(fù)責(zé)具體執(zhí)行。與采樣掃描有關(guān)的參數(shù)有掃描方式、采樣速度、開始與終止命令等,系統(tǒng)啟動和停止命令由PC機(jī)發(fā)出,從而命令單片機(jī)開始采樣與掃描或者終止采樣與掃描。
單片機(jī)在接到啟動命令之前不進(jìn)行質(zhì)函數(shù)掃描,但可以通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,將采樣到的數(shù)據(jù)存到其中一片RAM中,并通知PC機(jī)將數(shù)據(jù)取走,這些數(shù)據(jù)可以作為譜圖的本底數(shù)據(jù)。掃描開始之后,數(shù)據(jù)從RAM的低地址起開始依次存儲,存滿一片RAM后,向另一片RAM存儲,同時向PC機(jī)提出申請,要求PC機(jī)盡快將這一片RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)取走,PC機(jī)確定讀取RAM后讀取RAM中的所有數(shù)據(jù)。待另一片RAM存滿后再取走另一片RAM內(nèi)的數(shù)據(jù),如此循環(huán)。
根據(jù)色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的性能要求,這里選用了12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674,轉(zhuǎn)換時間為10μs;14位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7534,轉(zhuǎn)換時間為180μs;4K雙端口RAM CY7C142;8051單片機(jī)。PC機(jī)系統(tǒng)通過ISA總線與接口板進(jìn)行通信。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案
硬件設(shè)計分為兩大部分:第一部分為雙端口RAM的接口電路,主要包括PC機(jī)與雙端口RAM CY7C142的接口電路和8051單片機(jī)與雙端口RAM CY7C142的接口電路;第二部分為數(shù)據(jù)采集和掃描電路,主要指8051單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示。當(dāng)單片機(jī)接收到一批數(shù)據(jù)存滿雙口RAM信息時,向計算機(jī)發(fā)送一個中斷申請,通知計算機(jī)到雙口RAM 中去讀取數(shù)據(jù)。下面分別進(jìn)行介紹。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

圖3 雙端口RAM CY7C142的接口電路

圖4 單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路
2.1 雙端口RAM的接口電路
CY7C142為一片2K×8的雙端口靜態(tài)RAM[3]。由系統(tǒng)的工作過程可知,PC機(jī)只需對CY7C142進(jìn)行讀,8051單片機(jī)則只需對其進(jìn)行寫。這里將CY7C142的左側(cè)端口與PC機(jī)的ISA總線相連,右側(cè)端口與8051單片機(jī)相連。分別用字母符號L、R表示左端口、右端口。雙端口RAM CY7C142的接口電路如圖3所示。
由圖可見兩片雙端口存儲器的左端數(shù)據(jù)線D0(L)~D7(L)、低八位地址線A0(L)~A7(L)和高三位地址線A8(L)~A10(L)都是通過鎖存器74LS373(4)、74LS373(3)和74LS373(2)與74LS245相連接到PC機(jī)的數(shù)據(jù)總線上的;左端OE(L)與PC機(jī)的IOR相連,R/W(L)直接接成高電平,這樣PC機(jī)只能對這兩片存儲器進(jìn)行讀。兩片雙端口存儲器的右端數(shù)據(jù)線D0(R)~D7(R)與8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)線口P0.0~P0.7相連,低八位地址線A0(R)~A7(R)與鎖存器74LS373(5)相連,高三位地址線A8(L)~A10(L)分別與P2.0~P2.2相連;OE(R)直接接成高電平,R/W(R)與8051的WR信號相接,這樣8051只能對存儲器進(jìn)行寫;兩片存儲器的CE(R)分別與譯碼器(2)相連。鎖存器74LS373(1)的一端與8051的P1.0~P1.7相連,另一端與連接PC機(jī)數(shù)據(jù)總線的74LS245相連,PC機(jī)對采樣板的