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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(shí)采集,在極短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)。因此必須設(shè)計(jì)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(jì)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。雙端口RAM將單片機(jī)與PC機(jī)有機(jī)地連接為一個(gè)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,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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)間為10μs;14位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7534,轉(zhuǎn)換時(shí)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(jì)方案 硬件設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷申請,通知計(jì)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(jì)框圖 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。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。 圖3 雙端口RAM CY7C142的接口電路 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)對采樣板的控制指令就是通過這個(gè)通道進(jìn)行的。 鎖存器74LS373(6)的一端與8051的P3.0引腳相連,另一端與74LS245相連,通過它PC機(jī)可以知道從哪一片雙端口存儲器取數(shù)據(jù)。同時(shí), 8051的P3.0引腳通過反相器或直接與CY7C142(1)或CY7C142(2)的CE(L)相連,這種連接方法使得PC機(jī)在讀RAM(1)數(shù)據(jù)和8051寫RAM(2)或PC機(jī)讀RAM(2)和8051寫RAM(1)之間來回進(jìn)行切換。8051的P3.4引腳與PC機(jī)的一個(gè)IRQ相連,完成下面功能:每當(dāng)8051寫滿一個(gè)雙端口RAM時(shí),就向PC機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷請求信號,使PC機(jī)立即響應(yīng)此中斷請求,讀取雙端口RAM的數(shù)據(jù)。 2.2 8051單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路 8051單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路如圖4所示。其中,AD1674為12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs,片內(nèi)帶有采樣保持器/放大器和三態(tài)輸出緩沖器;AD7534為14位高分辨率D/A轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.18ms;AD586為高精度5V參考電壓源,最大偏差為±2.0mV,它為AD7534提供精確的電壓基準(zhǔn)。 圖4 單片機(jī)與AD1674和AD7534的接口電路 2.3 譯碼電路 該部分涉及兩個(gè)譯碼電路,一個(gè)是與PC機(jī)ISA總線相連的譯碼電路(1),另一個(gè)是與8051相連的譯碼電路(2)。譯碼電路(1)如圖5所示,譯碼電路(2)如圖6所示。 圖5 與PC機(jī)ISA總線相連的譯碼電路 圖6 與8051相連的譯碼電路 由此,板上五個(gè)I/O地址代表的含義是:100H——PC機(jī)對8051輸出控制命令口;101H——PC機(jī)讀取雙端口RAM數(shù)據(jù)時(shí)的低八位地址口;102H——PC機(jī)讀取雙端口RAM數(shù)據(jù)時(shí)的高三位地址口;103H——PC機(jī)讀取RAM的數(shù)據(jù)口;104H——表明雙端口RAM1、2的標(biāo)志口。 3 軟件設(shè)計(jì)方案 整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分:單片機(jī)系統(tǒng)部分和PC機(jī)部分。這里僅介紹數(shù)據(jù)采集和PC機(jī)取數(shù)程序。 3.1 數(shù)據(jù)采集程序 單片機(jī)發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換指令后,AD1674開始工作,采集到數(shù)據(jù)后存到CY7C142(1)中。當(dāng)RAM1存滿后,單片機(jī)發(fā)出中斷請求,通知PC機(jī)從雙端口RAM1中取走數(shù)據(jù),同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)存到CY7C142(2)中,RAM2存滿后通知PC機(jī)取數(shù),如此循環(huán)。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖7所示。 圖7 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 3.2 PC機(jī)讀取RAM程序 PC機(jī)接到單片機(jī)發(fā)來的中斷申請后,立即從雙端口RAM中讀取數(shù)據(jù),首先判斷104口的狀態(tài)以確定取哪一個(gè)RAM內(nèi)的數(shù)據(jù),然后向CY7C142讀取1024個(gè)數(shù)據(jù)(每個(gè)數(shù)據(jù)兩個(gè)字節(jié))后中止,等待單片機(jī)發(fā)出下一個(gè)中斷申請。PC機(jī)讀取RAM程序流程圖如圖8所示。 圖8 PC機(jī)讀取RAM程序流程圖 讀取數(shù)據(jù)的過程為:首先向101H口、102H口輸出低八位、高三位地址,然后向103口讀取數(shù)據(jù),此后將地址加一再讀取八位數(shù)據(jù),直到將2048個(gè)字節(jié)(1024個(gè)數(shù)據(jù))都讀完。這樣, 數(shù)據(jù)被采樣控制器8051送入RAM, 同時(shí)采樣數(shù)據(jù)又被PC機(jī)取走, 這兩部分工作互不干擾, 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不斷、大數(shù)據(jù)量、高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。 實(shí)驗(yàn)表明,采用雙端口RAM作為主從CPU的中介是一種實(shí)用、高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,該方法使得信息交換方便、快速、可靠,加上高速、高性能的A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)了色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀系統(tǒng)的高速、高精度數(shù)據(jù)采集及掃描。 |
