摘 要: 介紹了基于AD1674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定時脈沖和端口寫兩種A/D" title="A/D">A/D啟動方式，適合于不同的應(yīng)用場合。

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

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　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在測量與控制中的應(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)換時間以及數(shù)據(jù)的傳輸時間。提高最大采樣頻率可通過縮短A/D的轉(zhuǎn)換時間或提高數(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" title="傳輸方式">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器定時，通過8253定時器的控制設(shè)定可變的采樣率(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，通過端口寫啟動A/D來實(shí)現(xiàn)。在時序方面，該電路解決了A/D控制信號" title="控制信號">控制信號與計(jì)算機(jī)時序的匹配問題，可以與高檔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(shù)據(jù)讀或A/D轉(zhuǎn)換;在CE有效時，片選信號應(yīng)有效，并且控制信號R/和A0已確定，只有滿足這種時序，AD1674才能正常工作。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的讀時序

　　對A/D接口電路" title="接口電路">接口電路而言，只有PC機(jī)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(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的讀時序如圖1所示。

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　　在A/D轉(zhuǎn)換時，8253的定時脈沖或端口寫脈沖QD經(jīng)過延時和調(diào)節(jié)定時寬度后，使A/D的使能控制CE開始啟動A/D轉(zhuǎn)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(jīng)調(diào)節(jié)定時寬度后獲得)使R/的轉(zhuǎn)換有效，A0及片選可在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，端口讀信號或DMA讀信號D直接使A/D的使能控制CE啟動數(shù)據(jù)讀，此時R/=1，R/C的讀有效，開始12位數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)A0=0時，讀取高八位數(shù)據(jù);當(dāng)A0=1時，讀取數(shù)據(jù)的低四位，讀完后A0=0，準(zhǔn)備下一次A/D轉(zhuǎn)換?？梢娫摃r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)換的啟動方式

????A/D轉(zhuǎn)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(yīng)用于對數(shù)據(jù)采集的間隔要求準(zhǔn)確的場合，該方式是利用8253的定時脈沖啟動A/D轉(zhuǎn)換，通過8253數(shù)據(jù)總線緩沖器(端口地址為&0X23F)輸出各通道的計(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:

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　　A1A0=00:&0X23F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定時通道0與通道1串聯(lián)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(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" title="高電平">高電平，計(jì)數(shù)回零后，輸出為低電平并自動重新裝入原計(jì)數(shù)值，低電平維持一個時鐘周期后，輸出又恢復(fù)高電平并重新作減法計(jì)數(shù)。輸出OUT1分為兩路信號，一路通過與門U18A輸出，作為AD1674的R/控制信號;另一路經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器U24延時和調(diào)節(jié)定時寬度后，再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號。當(dāng)OUT1輸出寬度為1μs的低電平脈沖時，一方面使控制信號R/的轉(zhuǎn)換有效，同時經(jīng)延時和調(diào)節(jié)定時寬度后，使A/D的使能控制CE開始啟動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定時器啟動A/D。

　　寫啟動A/D方式應(yīng)用于軟件定時，即通過對端口(地址為&0X23D)寫來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。如圖2所示，端口寫信號一方面經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器U6A調(diào)節(jié)定時寬度(寬度為1μs)后，作為AD1674的R/控制信號，同時經(jīng)過另一單穩(wěn)觸發(fā)器U24延時和調(diào)節(jié)定時寬度后，再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號。

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　　可見兩種啟動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定時脈沖的周期決定的，屬于可編程定時器方式定時，其特點(diǎn)是采樣間隔準(zhǔn)確;后者則由相鄰兩次寫端口(地址為&0X23D)的時間差決定采樣間隔，為軟件定時方式，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)的硬件電路簡單，但數(shù)據(jù)讀取速度慢，同時在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。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)測性，這樣會導(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，當(dāng)DMA控制器從CPU取得總線控制權(quán)時，接口便與內(nèi)存之間直接進(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。同時由于A/D轉(zhuǎn)換器主動申請數(shù)據(jù)傳輸，而DMA申請比外設(shè)中斷申請的優(yōu)先級高，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能夠及時讀入，系統(tǒng)的性能也得到了提高，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)具有查詢、中斷和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸方式。通過一撥碼盤開關(guān)來選擇不同的傳輸方式。如圖3所示，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時，標(biāo)志位STS由高電平變?yōu)榈碗娖?，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，該U20A的輸出Q通過一個三態(tài)門(端口地址為&0X23F)與數(shù)據(jù)線D7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，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)的硬件電路簡單。而在DMA方式下，通過應(yīng)答信號尋址，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。

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　　下面介紹DMA方式下的具體實(shí)現(xiàn)電路。DMA請求電路由兩個D觸發(fā)器組成，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)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(fā)出請求，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ǖ膬?nèi)存單元。在第一次DMA傳輸結(jié)束時，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，DACK1由低電平變成高電平，使觸發(fā)器U20B輸出低電平，同時觸發(fā)器U20A的輸出Q變?yōu)榈碗娖?，DRQ1=0，DMA通道1的請求被撤銷，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語言和8086/8088匯編語言。以下就以Turbo C為例對相應(yīng)的部分編程，以供參考。

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)*/

　　outportb(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 寫啟動和查詢方式的編程

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

??? if (inportb(0x23e)&0x80);????? /*D7=1則A/D轉(zhuǎn)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*/

????其中采樣頻率決定寫入計(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DMA通道，該接口電路使用通道1。

　　outportb(0x0a，0x05)；??　　　 /*mask DMA channel 1*/

　　outportb(0x0c，0x00)；?? 　　　/*clear byte 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(0x0a，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)程序的編寫以及中斷向量的裝入

　　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)*/

　　??? al5=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 stall1(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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸，而兩種A/D啟動方式將會使采樣率的設(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普勒和到達(dá)角探測分析系統(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，也會具有重要的參考價(jià)值。

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參考文獻(xiàn)

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