基于A/D芯片AD1674设计的数据采集电路

    摘要：介绍了基于AD1671芯片设计的数据采集电路，该电路具有查询、中断和DMA三种数据传输功能，并且采用8253定时脉冲和端口写两种A/D启动方式，适合于不同的应用场合。

随着科学技术的发展，计算机在测量与控制中的应用日益广泛。为了使外部世界的模拟信号与计算机接口，需要进行模/数转换，该转换一般通过A/D芯片来完成。目前市场上出现了各种A/D芯片，且各种A/D芯片具有不同的控制方式和应用条件。对于高速数据采集，最大采样频率取决于A/D的转换时间以及数据的传输时间。提高最大采样频率可通过缩短A/D的转换时间或提高数据的传输速度来实现。如果与PC机接口，数据的传输速度决定于PC机的主频以及数据的传输方式，常用的有查询和中断方式，若采用DMA传输方式则可进一步提高数据的传输速度。本文选取AD1674芯片，设计具有查询、中断和DMA三种数据传输方式的数据采集电路。该电路既可以采用定时器定时，通过8253定时器的控制设煊可变的采样变（步进间隔为1μs），获得高准确的采样间隔；也可以采用软件定时，通过端口写启动A/D来实现。在时序方面，该电路解决了A/D控制信号与计算机时序匹配问题，可能与高档PC机进行接口。

1 硬件设计

1.1 AD1674接口电路

文献[1]详细介绍了AD1674芯片的性能和控制信号的时序。在完全受控方式下，最好是用逻辑控制信号CE启动数据读或A/D转换；在CE有效时，片选信号CS应有效，并且控制信号R/C和A0已确定，只有满足这种时序，AD1674才能正常工作。

1.2 A/D转换及数据的读时序

对A/D接口电路而言，只有PC机的时序与AD1674的要求时序匹配才能保证电路的正常工作。该电路的A/D转换及数据的读时序如图1所示。

A在/D转换时，8253的定时脉冲或端口写脉冲QD经过延时和调节定时宽度后，使A/D的使能控制CE开始启动A/D转换。同时QD宽度为1μs的低电平脉冲（在端口写启动方式下，1μs的低脉冲是由端口写脉冲经调节定时宽度后获得）使R/C的转换有效，A0及片选CS可在A/D转换前设置为有效。当读取A/D转换后的数据时，端口读信号或DMA读信号D直接使A/CD的使能控制CE启动数据读，此时R/C=1，R/C的读有效，开始12位数据的读取。当A0=0时，读取高八位数据；当A0=1时，读取数据低四位，读完后A0=0，准备下一次A/D转换。可见该时序既能与PC机接口，又能使AD1674正常工作。

1.3 A/D转换及数据读取的实现电路

本电路的AD1674工作在完全受控方式。A/D转换为12位，而转换后数据分两次读取，即先读数据的高八位，后读数据的低四位。

1.3.1 A/D转换的启动方式

A/D转换的启动方式有两种：8253定时器硬件启动和写端口软件启动。

8253定时器启动方式应用于对数据采集的时隔要求准确的场合，该方式是利用8253的定时脉冲启动A/D转换，通过8253数据总线缓冲器（端口地址为&0X23F）输出鉴别通道的计数初值，通过向6位锁存器74LS174（端口地址为&0X23B）写入控制字设定8253的控制字以及A/D片选控制位。6位锁存器数据位定义说明如下：

A1A0=00:&0X23D口输出的数据为计数器0的计数值。

A1A0=01:&0X23F口输出的数据为计数器1的计数值。

A1A0=10:&0X23F口输出的数据为计数器2的计数值。

A1A0=11:&0X23F口输出的数据为计数器8253的方式字。

G0&G1=1:起动计数器0和计数器1；G0&G=0：禁止计数器0和计数器1。

CS=1:选中A/D芯片CS=0；不选中A/D芯片。

具体的实现电路如图2所示。首先将8253定时通道0与通道1串联起来定时，通道0的时钟输入CLK0的频率是2MHz，工作在方式3（方波比率发生器）下，通道0的输出OUT0为频率1MHz的方波，作为通道1的输入时钟CLK1。通道1设定为方式2，即通道1的输出OUT1从输出开始一直维持高电平，计数回零后，输出为低电平并自动重新装入原计数值，低电平维持一个时钟周期后，输出恢复高电平并重新作减法计数。输出OUT1分为两路信号，一路通过与门U18A输出，作为AD1674的R/C控制信号；另一路经过单稳触发器U24延时和调节定时宽度后，再通过或门U15C输出作为AD1674的CE控制信号。当OUT1输出宽度为1μs的低电平脉冲时，一方面使控制信号R/C的转换有效，同时经延时和调节定时宽度后，使A/D的使能控制CE开始启动A/D转换。因此在装入计数初值以后，只要设置6位锁存器U8的控制字，就可利用8253定时器启动A/D。

写启动A/D方式应用于软件定时，即通过对端口（地址为&0X23D）写来触发A/D转换。如图2所示，端口写信号一方面经过单稳触发器U6A调节定时宽度（宽度为1μs）后，作为AD1674的R/C控制信号，同时经过另一单稳触发器U24延时和调节定时宽度后，再通过或门U15C输出作为AD1674的CE控制信号。

可见两种启动A/D转换的过程相似。相比较而言，前者的采样间隔是由8253定时脉冲的周期决定的，属于可编程定时器方式定时，共特点是采样间隔准确；后者则由相邻两次写端口（地址为&0X23D）的时间差决定采样间隔，为软件定时方式，特点是灵活方便。

1.3.2 A/D转换数据的读取方式

在数据采集系统中，计算机读取A/D转换数据的方式一般有三种，即查询、中断和DMA方式。其中查询方式就是通过查询标志位来判断A/D是否转换完毕，如果A/D转换完毕则读入转换的数据。这种方式下CPU主动查询，通过CPU读取A/D转换的数据，故实现的硬件电路简单，但数据读取速度慢，同时在WINDOWS的多任务执行方式下，存在着A/D转换数据不能及时读入的问题。中断方式是利用A/D转换完毕的标志位触发一硬中断，然后中断管理器向CPU提出中断申请。在中断允许的情况下，执行中断服务程序读入转换的数据。这种方式实现的硬件电路也比较简单，但中断服务程序的介入，引起数据采集程序的断点的不可预测性，这样会导致数据采集程序的失控。DMA方式利用A/D转换完毕的标志位向DMA控制器提出DMA申请，当DMA控制器从CPU取得总线控制权时，接口便与内存之间直接地进行数据交换（不经过CPU）。这种方式下，由于不经过CPU读入数据，故提高了数据传输速度。同时由于A/D转换器主动申请数据传输，而DMA申请比外设中断申请的优先级高，A/D转换数据能够及时读入，系统性能也得到了提高，但实现的硬件电路较前两种方式复杂。

本电路设计有查询、中断和DMA三种数据传输方式。通过一拨码盘开关来选择不同的的传输方式。如图3所示，当A/D转换完毕时，标志位STS由高电平变为低是电平，从而引起D触发器U20A触发，U20A的输出Q由低电平变成高电平。当拨码盘开关S1选择为查询方式时，该U20A的输出Q通过一个三态门（端口地址为&0X23F）与数据线D6相连，提供计算机查询；在中断方式下，该U20A的输出Q直接与硬中断引脚IRQ2相连，当Q由低电平变成高电平时，引起计算机中断。在前两种方式下，通过软件编程，向一锁存器U22的最低位写入0或1，选择读取A/D转换数据的高八位或低四位，且由专门的端口（地址为&0X23D）读取A/D转换的数据。实现的硬件电路简单。而在DMA方式下，通过应答信号DACK1寻址，并不由专门的端口读取A/D转换的数据，故选择A/D转换数据的高八位或低四位的功能必须由硬件电路来实现，比较而言，电路更复杂一些。

    下面介绍DMA方式下的具体实现电路。DMA请求电路由两个D触发器组成，当A/D转换完毕时，U20A的输出Q由低电平变成高电平，DRQ1=1，DMA通道1发出请求，DRQ1被认可后进行两次DMA传输。在第一次DMA传输期间，触发器U20B的输出Q为低电平，A/D转换数据的高八位传输到指定内存单元。在第一次DMA传输结束时，DACK1由低电平变成高电平，触发器U20B的输出为高电平，但触发器U20A的输出Q仍然是高电平，该电平申请第二次DMA传输。在第二次DMA传输期间，触发器U20B的输出为高电平，A/D转换数据的低四位传输到指定的内存单元。当第二次DMA传输结束时，DACK1由低电平变成高电平，使触发U20B输出低电平，同时触发器U20A的输出Q变为低电平，DRQ1=0变为低电平，DRQ1=0，DMA通道1的请求被撤销，结束一次A/D转换12位数据传输过程。

2 软件设计

该接口电路支持各种带有口指令操作的高级语言和8086/8088汇编语言。以下就以Turbo C为例对相应的部分编程，经供参考。

2.1 A/D编程

该编程适合于中断或查询方式下的编程，端口地址=0x238～0x23f。

outportb(0x23c,0x00)； /*初始化清零*/

outportb(0x23a,0x00)； /*选择传输高8位数据并为A/D转换作准备*/

{

}; /*启动A/D并检查A/D是否转换完毕*/

dh=inportb(0x23d); /*输入高八位数据*/

outporth(0x23a,0x01); /*选择传输低四位数据*/

dl=inportb(0x23d); /*输入低四位数据*/

outportb(0x23a,0x00); /*选择传输高8位数据并为A/D转换作准备*/

dl=dl>>4；

dh1=dh;

dl=(dh1<<4)+dl;

dh=dh>>4; /*将高八位低四位数据转化为高四位低八位数据*/

d=dh*256+dl; /*拼合12位数据*/

u=(d-2047)*10.0/4096; /*转换电压值*/

2.2 写启动和查询方式的编程

outportb(0x23d,0x00)； /*写启动A/D转换*/

if(inporth(0x23e)&0x80);/*D7=1则A/D转换完毕*/

2.3 8253定时器编程

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); /*启动CH0,CH1工作*/

其中采样频率决写入计数器1的计数值。

2.4 DMA方式下PC主机中8237A DMA控制器编程

8237A DMA控制器具有4个DMA通道，该接口电路使用通道1。

outportb(0x0x,0x05); /*mask DMA channel 1*/

outportb(0x0c,0x00); /*clear byet 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(0x03,0x01); /*clear mask bit of DMA channel*/

其中写入11口的数值应按照具体的工作方式来确定，写入131口的页地址SEG取20位绝对地址的最高4位的数值，而将低16位地址的数值写入地址寄存器。写基值字节计数寄存器的字节总数值应为需要传输的字节数减1。

2.5 中断服务程序的编写以有中断向量的装入

void interrupt int9() /*中断服务程序*/

{ disable();

ah5=inportb(0x23d); /*输入高八位数据*/

outportb(0x23a,0x01); /*选择传输低四位数据*/

dl5=inportb(0x23d); /*输入低四位数据*/

outportb(0x23a,0x00)； /*选择传输高8位数据并为A/D转换作准备*/

outportb(0x23c,0x00); /*A/D转换完毕的标志位清零*/

outportb(0x20,0x20);

enable();

}

void stall 1(void interrupt(*faddr)())

{

disable();

setvect(INT1,faddr); /*装入中断服务程序*/

enable();

}

本文介绍一种基于AD1674设计的接口电路，该电路具有查询、中断和DMA三种数据传输功能，同时采用8253定时脉冲或端口写两种A/D启动方式。其中DMA方式实现了数据的快速传输，而两种A/D启动方式将会使采样率的设定更加灵活。应用本文原理设计的可插入通用PC机的数据采集板已用于我们的高频多谱勒和到达角探测分析系统中，取得了满意的效果。这些设计方法和原理在其它实际数据采集系统的设计过程中，也会具有重要的参考价值。