以微机为基础的多通道同步数据采集系统.doc

IEEE电子工业汇报，VOL.IE-31，1984年11月4日以微机为基础的多通道同步数据采集系统G. SRIDHARAN大部分抽象的多通道数据采集系统都是使用一个连续的数据转换方法。因此，模拟信号的采样瞬间在时间上是分散的。然而，当数据是必学的对于研究系统识别标志的时候，或者当快速的数据转换对于大量的模拟通道是有关的时候，同步信号才可以满足需要的。一个对于以微型计算机为基础的8通道同步数据采集系统具有成本效益的技术在这里被提出来。当使用单板机的SDK - 85的时候，完整的数据转换和提取存储在RAM中的值只需要93微秒的CPU时间。作为A / D转换器（ADC's）是一个内存映射的操作模式，该系统几乎可以无限期地扩大。同时该电路也可处理的12位的A / D转换器。I. 引言多通道数据采集系统，往往需要在数字化测量和控制上应用。它们总是涉及A / D转换。A/D转换器 (ADC)是先于模拟转换开关 (MUX)和采样保持器 (S/H)的 1 -51。 当ADC转换时间相对于采样间隔非常小，时分多路转换方法（TDM）将是适当的。但是，如果采样时间小而且很多通道有对象了，TDM的方法是不合适的。此外，如果数据采集成为系统辨识实验装置的一部分，那么各种各样的信号像输入,输出,和状态是需要同时采样的。例如，一个活跃的磁悬浮的参数估计在四位集合输入和输出信号将要被用于测量采样间隔小于一毫秒的时候，我们发现了TDM技术的不精确。这是因为，对于一个20（毫秒/通道）的采集时间，8通道转换活动将跨越近百分之二十的采样间隔。各种输入和输出没有一致的采样可能导致估计失误。其他的研究人员也已经表达了对同时的A/D转换识别系统环境的渴望6。在本论文中，我们提出了一个同步常识8通道的微机接口数据采集系统的原始方案。它只需要数据总线和一些地址和接口控制线，并致力于存储器映射的设备。在一个零时文件里从开始转换到存储了8个字节，这软件只用了大约93毫秒。这一经济有效的方法可以更容易被扩展去处理更多的模拟通道。在这篇论文里，电路细节和运算控制程序都被解释了。投稿日期1984年3月14日，修订1984年6月12日.作者与国防冶金研究实验室，P.0.Kanchanbagh，海得拉巴，500 258，印度II. 多通道数据采集系统的分类如图1所示，描述了一些实现多路数据采集功能的方法，以及它们的硬件要求。各种模拟信号的连续A/D转化用TDM方法是最简单的。如果模拟信号的时间常数按ADC的转换时间的比例很大，那么S/H放大器可以忽略。器件有ADC，模拟多路复用器和S / H放大器，全部组合在一个包里，可供选择.¹同步数据采集是更复杂的。一种方法是使用一个ADC，S / H放大器和模拟开关结合，用来完成功能。S / H放大器和模拟多路复用通道一样多，因为这里将需要模拟信号。每个模拟信号进行采样都有独特的S / H放大器。多路转换器，S/H放大器的运用时与ADC一个一个按顺序连接的。这种方法可称为一个假同步数据转换，因为，抽样是同步的，实际的A / D转换是受单个ADC的影响，和各种模拟信号抑制S/H设备是被TDM挑选出来的。在这里，整段转换时期内每个S / H器件是保持连接到ADC输入线，此外S / H设备须在“持有”模式，直至整个转换活动结束。因此，地址总线的简单编码，可能不足以产生必要的控制信号。相反，一个专用输出端口将是必要的。为了推断出能够证明有利性超过上述的方法，接下来的设计目的就被确定了。1）数据采集应该是在性质上真正同步。这可以通过分配一个独立的ADC给每个模拟通道可以简单的实现。有趣的是，这个因素使得它比图1的方法的成本划算²2）微机有效的在微机内存系统上运用地址总线，数据总线和一些控制输入，将操作在内存地图模式和界面上。3）它应该能够扩大，以支持大量的模拟通道的能力。¹ Burr-Brown Research Corportation的SDM853和SDM857,以及 Analog Devices, Inc.的AD363, 都是一些例子。² 在目前的市场价格，低成本的采样/保持放大器AD582成本消耗比CMOS 8位A / D转换器AD7574约1.6倍。多通道数据采集系统（N-通道）按时间划分的多通道（TDM）同步的ABCDADC+S/H AMP +MUX内部ADC-MUX&S/HADC+N-S/H AMPS+MUXN-ADCS(被提议的技术)图1多通道数据采集系统的分类，各种方法的需求设备的说明III. 推荐的方法为了说明这个方法，一个8通道，8位同步数据采集系统在这里被选出来。在这方面，CMOS单片器件，AD7574 7，在单片机SDK-858,9软件控制之下，完成A/D转换。AD7574是一个8位单片微机兼容的ADC，转换时间是15毫秒。它的数据线采用三态逻辑，允许直接了连接到微机数据总线。因此，它作为一个内存印象图装置时很界面的。通过CS非和RD非输入，所有的ADC的操作被控制。该设备可能工作在RAM，ROM，或缓存模式。选择正确的方法如下。在一个缓存模式后， 在ADC的READ命令压迫下，处理器进入WAIT状态的处理器，启动转换，和完成传输数字化信息给CPU。因此，这种模式，运用于多路ADC转换不能用同步数据。在ROM模式，转换开始和READ数据有一个组合的命令。执行一次数据READ自动启动一个新的转换。因此，如果所有通道将开始一次，三态总线冲突将上升，因为所有ADC数据总线相互连接。然而，RAM运行方式不涉及任何这类问题，因为单独的命令用于启动转换和READ数据操作。因此，AD7574在这里作为RAM设备操作。在此，当设备CS非变为低电平，而RD非是高电平是，转换将启动。随即， BUSY引脚变为低电平并保持，直到转换完成。在此之后，如果双方的CS非和RD非被迫变低电平，8位数据将出现在数据总线上。所有这些操作很容易实现的，通过存储器的引用指令。图2：这是被提出的数据采集系统的电路。实际上是8路A/D转换器在这里只描述两个，为了清晰，不显示模拟电路的A/D转换。单极和双极的模拟输入配置都可用。图3：数据采样系统的时序图图2显示电路图。在这里该接口描述在适当的时候有助于维护所有器件。该地址的译码和控制产生二进制解码器芯片的选择。82059和一些与门电路运作原理如下。首先，STA 8000使得8205 #2工作，使O.非端口放在一个低电平有效。通过与门，所有的AD7574的CS的低电平脉冲。因此，所有的ADC的转换同时开始。用软件延时循环时，CPU等待大约18 ps的转换活动去完成，否则ADC的BUSY脚可用于产生一个中断信号。在此之后，各种ADC转换器通过执行单独的存储器READ指令被读写。例如，LDA 8000使8205 #1的 O.非引脚变低电平。因此，数模转换器 #0的RD非和CS非都跳到低电平，向CPU传递8位数据。同样地，另外通道的数据也被读入。图3用图形阐明了与时间的关系。程序列表如下。在这里，第一个指令的执行使所有模拟信号的A/D转换开始。经过短暂的延迟，所有的8位数据通过执行一个十六位的指令传输到内存块的位置。 STA 8000; 开始所有的ADC转换MVI A, 04LI: DCRA; 延时JNZ LI; 18µsLDA 8000; 0通道的数据转移到cpuSTA 20B0; 把该值存储到内存LDA 8001; 同样地，其他通道也是这样STA 20B1; 读入和存储. . .LDA 8007STA 20B7IV. 讨论对于一个330 ns的微电脑时钟周期，该方案只需要93微秒去完成采集数据。其他的多通道数据采集的方法将需要更长的时间因为转换将在基础通道上进行。因此，同步转换已经造成了CPU时间额外减少的优势。这里介绍的电路同样可以处理12位A/D转换。 一个12位ADC可以容易的连接到一个8位单片机的数据总线，并通过连续两次读操作，12位数据传送到CPU 10。该SDK - 85使地址位置8000 - FFFF的外部内存扩展可用。因此本来所有这些区域都是可用的，8205只要一对地址足够选择A/D转换通过分配微机大量的“不重要”的位地址。但是，当需要具单独的和非冗余寻址的时候，8205一些额外的也许也会用到。在这里A / D转换器被当做寄存器，不仅简化了的软件，而且几乎无限的A/D转换可连接到处理器通过扩大地址译码电路。我们希望，对于多通道同步数据采集系统需要的数据转换（如系统识别研究）或大量的模拟通道的快速数据采样（如在工业环境）来说，该技术在这里被提议都将证明其价值。参考文献1 C. K. Chow, S. S. M. Wang, T. Kaneko, and T. R. Perry, "超音成像的实验数据采集系统" IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-28, pp. 79-83, 1979.2 S. A. Tyuluman, D. C. Schroder, and M. E. Austin, "一个基于微处理器的系统的监测和太阳能装置控制,"IEEE Trans. Ind. Electron. Contr. Instrum., vol. IECI-27, pp. 1-4,Feb. 1980.3 Y. Kimura, K-I. Hasegawa, and A. Sekiguchi, "一个基于微处理器处理多余仪表信号的系统," IEEE Trans. Id. Electron. Contr. Instrum., vol. IECI-27, pp. 218-222,Aug. 1980.4 G. A. Alameda, J. A. Bennet, and R. R. Birge, "通用微机数据采集和激光控制电路提供给单光子和双光子的激光光谱研究使用," Rev. Sci. Instrum., vol. 52, pp. 1664-1675, Nov. 1981.51 R. M. Williams, J. R. Haumann, and R. V. White, "一个电池驱动的数据采集系统," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol.IM-32, pp. 356-360, June 1983.6 G. P. Rao, D. C. Saha, T. M. Rao, K. Aghoramurthy, and A. Bhaya," 连续动力系统中一个基于微处理器的在线参数识别系统," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. IE-29, pp. 197-201, Aug. 1982.7 "CMOS aP compatible 8-bit ADC, AS7574," in Data Acquisition Components and Subsystems Catalog, pp. 10-81-10-88, Analog Devices, Inc., MA, 1980.8 SDK-85 System Design Kit User's Manual, Intel Corp., CA, 1978.9 MCS-85 User's Manual, Intel Corp. CA, Jan. 1978.10 "Fast, complete A/D converter with microprocessor interface,AD574," Data Acquisition Components and Subsystems Catalog,pp. 10-35-10-42, Analog Devices, Inc., MA, 1980.5