摘 要: 介紹了基于AD1674芯片設計的數據采集電路，該電路具有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸功能，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，適合于不同的應用場合。
關鍵詞: A/D轉換? 8253定時器? DMA方式
?
隨著科學技術的發展，計算機在測量與控制中的應用日益廣泛。為了使外部世界的模擬信號與計算機接口，需要進行模/數轉換，該轉換一般通過A/D芯片來完成。目前市場上出現了各種A/D芯片，且各種A/D芯片具有不同的控制方式和應用條件。對于高速數據采集，最大采樣頻率取決于A/D的轉換時間以及數據的傳輸時間。提高最大采樣頻率可通過縮短A/D的轉換時間或提高數據的傳輸速度來實現。如果與PC機接口，數據的傳輸速度決定于PC機的主頻以及數據的傳輸方式" title="傳輸方式">傳輸方式，常用的有查詢和中斷方式，若采用DMA傳輸方式則可進一步提高數據的傳輸速度。本文選取AD1674芯片，設計具有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸方式的數據采集電路。該電路既可以采用定時器定時，通過8253定時器的控制設定可變的采樣率(步進間隔為1μs)，獲得高準確的采樣間隔;也可以采用軟件定時，通過端口寫啟動A/D來實現。在時序方面，該電路解決了A/D控制信號" title="控制信號">控制信號與計算機時序的匹配問題，可以與高檔PC機進行接口。
1 硬件設計
1.1 AD1674接口電路
??? 文獻[1]詳細介紹了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啟動數據讀或A/D轉換;在CE有效時，片選信號
應有效，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轉換及數據的讀時序
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轉換及數據的讀時序如圖1所示。
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在A/D轉換時，8253的定時脈沖或端口寫脈沖QD經過延時和調節定時寬度后，使A/D的使能控制CE開始啟動A/D轉換。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調節定時寬度后獲得)使R/
的轉換有效，A0及片選
可在A/D轉換前設置為有效。當讀取A/D轉換后的數據時，端口讀信號或DMA讀信號D直接使A/D的使能控制CE啟動數據讀，此時R/=1，R/C的讀有效，開始12位數據的讀取。當A0=0時，讀取高八位數據;當A0=1時，讀取數據的低四位，讀完后A0=0，準備下一次A/D轉換。可見該時序既能與PC機接口，又能使AD1674正常工作。
1.3 A/D轉換及數據讀取的實現電路
本電路的AD1674工作在完全受控方式。A/D轉換為12位，而轉換后數據分兩次讀取，即先讀數據的高八位，后讀數據的低四位。
1.3.1 A/D轉換的啟動方式
????A/D轉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定時器啟動方式應用于對數據采集的間隔要求準確的場合，該方式是利用8253的定時脈沖啟動A/D轉換，通過8253數據總線緩沖器(端口地址為&0X23F)輸出各通道的計數初值，通過向6位鎖存器74LS174(端口地址為&0X23B)寫入控制字設定8253的控制字以及A/D片選控制位。6位鎖存器數據位定義說明如下:
?
A1A0=00:&0X23F口輸出的數據為計數器0的計數值。
A1A0=01:&0X23F口輸出的數據為計數器1的計數值。
A1A0=10:&0X23F口輸出的數據為計數器2的計數值。
A1A0=11:&0X23F口輸出的數據為計數器8253的方式字。
G0&G1=1:起動計數器0和計數器1; G0&G=0:禁止計數器0和計數器1。
CS=1:選中A/D芯片CS=0:不選中A/D芯片。
具體的實現電路如圖2所示。首先將8253定時通道0與通道1串聯起來定時，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，計數回零后，輸出為低電平并自動重新裝入原計數值，低電平維持一個時鐘周期后，輸出又恢復高電平并重新作減法計數。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;另一路經過單穩觸發器U24延時和調節定時寬度后，再通過或門U15C輸出作為AD1674的CE控制信號。當OUT1輸出寬度為1μs的低電平脈沖時，一方面使控制信號R/的轉換有效，同時經延時和調節定時寬度后，使A/D的使能控制CE開始啟動A/D轉換。因此在裝入計數初值以后，只要設置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方式應用于軟件定時，即通過對端口(地址為&0X23D)寫來觸發A/D轉換。如圖2所示，端口寫信號一方面經過單穩觸發器U6A調節定時寬度(寬度為1μs)后，作為AD1674的R/控制信號，同時經過另一單穩觸發器U24延時和調節定時寬度后，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，其特點是采樣間隔準確;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，特點是靈活方便。
1.3.2 A/D轉換數據的讀取方式
在數據采集系統中，計算機讀取A/D轉換數據的方式一般有三種，即查詢、中斷和DMA方式。其中查詢方式就是通過查詢標志位來判斷A/D是否轉換完畢，如果A/D轉換完畢則讀入轉換的數據。這種方式下CPU主動查詢，通過CPU讀取A/D轉換的數據，故實現的硬件電路簡單，但數據讀取速度慢，同時在WINDOWS的多任務執行方式下，存在著A/D轉換數據不能及時讀入的問題。中斷方式是利用A/D轉換完畢的標志位觸發一硬中斷，然后中斷管理器向CPU提出中斷申請。在中斷允許的情況下，執行中斷服務程序讀入轉換的數據。這種方式實現的硬件電路也比較簡單，但中斷服務程序的介入，引起數據采集程序的斷點的不可預測性，這樣會導致數據采集程序的失控。DMA方式利用A/D轉換完畢的標志位向DMA控制器提出DMA申請，當DMA控制器從CPU取得總線控制權時，接口便與內存之間直接進行數據交換(不經過CPU)。這種方式下，由于不經過CPU讀入數據，故提高了數據傳輸速度。同時由于A/D轉換器主動申請數據傳輸，而DMA申請比外設中斷申請的優先級高，A/D轉換數據能夠及時讀入，系統的性能也得到了提高，但實現的硬件電路較前兩種方式復雜。
本電路設計具有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸方式。通過一撥碼盤開關來選擇不同的傳輸方式。如圖3所示，當A/D轉換完畢時，標志位STS由高電平變為低電平，從而引起D觸發器U20A觸發，U20A的輸出Q由低電平變成高電平。當撥碼盤開關S1選擇為查詢方式時，該U20A的輸出Q通過一個三態門(端口地址為&0X23F)與數據線D7相連，提供計算機查詢;在中斷方式下，該U20A的輸出Q直接與硬中斷引腳IRQ2相連，當Q由低電平變成高電平時，引起計算機中斷。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轉換數據的高八位或低四位，且由專門的端口(地址為&0X23D)讀取A/D轉換的數據。實現的硬件電路簡單。而在DMA方式下，通過應答信號
尋址，并不由專門的端口讀取A/D轉換的數據，故選擇A/D轉換數據的高八位或低四位的功能必須由硬件電路來實現，比較而言，電路更復雜一些。
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下面介紹DMA方式下的具體實現電路。DMA請求電路由兩個D觸發器組成，當A/D轉換完畢時，U20A的輸出Q由低電平變成高電平，DRQ1=1，DMA通道1發出請求，DRQ1被認可后進行兩次DMA傳輸。在第一次DMA傳輸期間，觸發器U20B的輸出Q為低電平，A/D轉換數據的高八位傳輸到指定的內存單元。在第一次DMA傳輸結束時，由低電平變成高電平，觸發器U20B的輸出為高電平，但觸發器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，觸發器U20B的輸出為高電平，A/D轉換數據的低四位傳輸到指定的內存單元。當第二次DMA傳輸結束時，DACK1由低電平變成高電平，使觸發器U20B輸出低電平，同時觸發器U20A的輸出Q變為低電平，DRQ1=0，DMA通道1的請求被撤銷，結束一次A/D轉換12位數據傳輸過程。
2 軟件設計
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位數據
????????????????????????????????????????并為A/D轉換作準備*/
{?
?????????????????? }；?????????? /*啟動A/D并檢查A/D是否轉換完畢*/
dh=inportb(0x23d)；? ???? /*輸入高八位數據*/
outportb(0x23a，0x01)；???????? ?/*選擇傳輸低四位數據*/
dl=inportb(0x23d)； ??? ?????? /*輸入低四位數據*/
outportb(0x23a，0x00)；??????? ?/*選擇傳輸高8位數據并為A/D轉換作準備*/
dl=dl>>4；
dh1=dh；
dl=(dh1<<4)+dl；
dh=dh>>4；??????????? ?????????? /*將高八位低四位數據
?????????????????????????????????? ??? 轉化為高四位低八位數據*/
d=dh*256+dl；???????????????? ?? /*拼合12位數據*/
u=(d-2047)*10.0/4096；?????????? /*轉換電壓值*/
2.2 寫啟動和查詢方式的編程
??? outportb(0x23d，0x00);???????? /*寫啟動A/D轉換*/
??? if (inportb(0x23e)&0x80);????? /*D7=1則A/D轉換完畢*/
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數器1的計數值。
2.4 DMA方式下PC主機中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口的數值應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位的數值，而將低16位地址的數值寫入地址寄存器。寫基值字節計數寄存器的字節總數值應為需要傳輸的字節數減1。
2.5 中斷服務程序的編寫以及中斷向量的裝入
void interrupt int9()?? ? ?? /*中斷服務程序*/
{ disable()；
ah5=inportb(0x23d)；? /*輸入高八位數據*/
outportb(0x23a，0x01)； /*選擇傳輸低四位數據*/
??? al5=inportb(0x23d)；? /*輸入低四位數據*/
??? outportb(0x23a，0x00)； /*選擇傳輸高8位數據并為A/D轉換作準備*/
??? outportb(0x23c，0x00)； /*A/D轉換完畢的標志位清零*/
??? outportb(0x20，0x20)；
??? enable()；
????????}
????void stall1(void interrupt(*faddr)())
????? {
??? disable()；
??? setvect(INT1，faddr)； /*裝入中斷服務程序*/
??? enable()；
??? }
本文介紹一種基于AD1674設計的接口電路，該電路具有查詢、中斷和DMA三種數據傳輸功能，同時采用8253定時脈沖或端口寫兩種A/D啟動方式。其中DMA方式實現了數據的快速傳輸，而兩種A/D啟動方式將會使采樣率的設定更加靈活。應用本文原理設計的可插入通用PC機的數據采集板已用于我們的高頻多普勒和到達角探測分析系統中，取得了滿意的效果。這些設計方法和原理在其它實際數據采集系統的設計過程中，也會具有重要的參考價值。
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參考文獻
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