高速扫描采样单片机与PC机接口板的设计

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作者：张硕生,范志伟时间：2007-02-07来源：电子技术应用收藏

摘　要：为色谱-质谱联用仪设计了高速采样扫描接口电路。介绍了采用ISA卡形式以两片双端口RAM为信箱实现单片机与PC机高速通讯的接口电路,给出了实现高速、高精度采样及扫描的高性能A/D和D/A转换电路,最后给出了相应的软件设计方案。

关键词：色谱-质谱联用仪 双端口RAM 高速采样

色谱-质谱(GC-MS)联用仪可对许多产品中的多种元素进行分析测定,因此被广泛应用于农业、工业以及医药、环保、食品等领域中。GC-MS技术在未来的经济发展和科学研究中将发挥更为积极和重要的作用。

GC-MS联用仪对质谱扫描速度要求很高,需要对被测信号进行高速的实时采集,在极短的时间内获得大量的数据。因此必须设计高速的数据采集接口电路。

本文采用两片双端口RAM为信箱以ISA卡的形式完成单片机与PC机的高速通讯,采用高速高性能的A/D和D/A转换电路实现联用仪系统的高速、高精度采样及扫描。

1 系统设计思路

选择PC机作为主机,MCU作为从机组成监测系统,对测量点进行数据采集和模拟控制。在数据传输速度较高、数据量较大且需经常交换信息的场合,采取双口共享RAM缓冲区方式是最合适的[1]。双端口RAM将单片机与PC机有机地连接为一个整体,PC机和单片机的优势可以互补,使其成为功能强大的双CPU数据监测系统。

这里采用8051单片机负责数据采集和模拟控制工作,将高速采集扫描接口电路做成PC机扩展卡形式[2],直接插入PC机的I/O扩展槽内。为了进一步提高系统数据采集的实时性,采用了两片双端口RAM,以保证单片机的数据“采集”和PC机的数据“读取”并行进行。当然,这种方法使系统的控制逻辑变得复杂了。51单片机通过双端口RAM与PC机进行数据传输的示意图如图1所示。

图1 PC机与51单片机通过双端口RAM进行数据传输的示意图

整个系统的工作过程为:通过PC机键盘设定主要分析参数,其中与质函数采样扫描有关的参数由PC机传送给单片机,单片机负责具体执行。与采样扫描有关的参数有扫描方式、采样速度、开始与终止命令等,系统启动和停止命令由PC机发出,从而命令单片机开始采样与扫描或者终止采样与扫描。

单片机在接到启动命令之前不进行质函数扫描,但可以通过A/D转换器进行数据采样,将采样到的数据存到其中一片RAM中,并通知PC机将数据取走,这些数据可以作为谱图的本底数据。扫描开始之后,数据从RAM的低地址起开始依次存储,存满一片RAM后,向另一片RAM存储,同时向PC机提出申请,要求PC机尽快将这一片RAM内的数据取走,PC机确定读取RAM后读取RAM中的所有数据。待另一片RAM存满后再取走另一片RAM内的数据,如此循环。

根据色谱-质谱联用仪的性能要求,这里选用了12位的A/D转换芯片AD1674,转换时间为10μs;14位D/A转换芯片AD7534,转换时间为180μs;4K双端口RAM CY7C142;8051单片机。PC机系统通过ISA总线与接口板进行通信。

2 系统硬件设计方案

硬件设计分为两大部分:第一部分为双端口RAM的接口电路,主要包括PC机与双端口RAM CY7C142的接口电路和8051单片机与双端口RAM CY7C142的接口电路;第二部分为数据采集和扫描电路,主要指8051单片机与A/D转换器和D/A转换器的接口电路。系统整体设计框图如图2所示。当单片机接收到一批数据存满双口RAM信息时,向计算机发送一个中断申请,通知计算机到双口RAM 中去读取数据。下面分别进行介绍。