隨著航空器以高度自動(dòng)化的趨勢發(fā)展,，傳感器數(shù)據(jù)需要被快速采集和高精度轉(zhuǎn)換，以便飛行控制系統(tǒng)使用和處理,。傳統(tǒng)的集成于DSP的A/D轉(zhuǎn)換芯片往往不能滿足速度和精度的要求,，因此需要使用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。同時(shí),，隨著嵌入式計(jì)算機(jī)種類的多樣化,，部分嵌入式計(jì)算機(jī)不再集成A/D芯片，由于各種因素在選擇不含A/D轉(zhuǎn)換功能的嵌入式計(jì)算機(jī)時(shí),，也必須考慮如何對(duì)獨(dú)立A/D芯片進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的快速采集與轉(zhuǎn)換,。在項(xiàng)目的研發(fā)中，通過使用SBS公司的CDT2000模塊,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AD7891芯片的控制,，取得了快速、精確的轉(zhuǎn)換效果,。CDT2000含有豐富的I/O口,，同時(shí)電位值與普通A/D芯片的引腳電位吻合，因此可以方便地與A/D芯片引腳連接,；而且其I/O的電位變化迅速,，能夠滿足高速轉(zhuǎn)換的要求。文中給出了系統(tǒng)主要的硬件電路和CDT2000 I/O對(duì)AD7891芯片的控制方法,，同時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果做了數(shù)據(jù)分析,。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)概況

    本轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)換頻率不低于100 Hz，對(duì)于0~10 V的輸入電壓,，轉(zhuǎn)換誤差不大于10 mV,。為達(dá)到以上要求， 系統(tǒng)選用的硬件包括SBS公司的嵌入式PC/104計(jì)算機(jī),、CDT2000模塊,，ADI公司的AD7891型號(hào)芯片和Fairchild公司的DM74LS73A型號(hào)JK觸發(fā)器,。

1.2 PC/104與CDT2000 I/O口

    PC/104是嵌入式PC的機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)，它秉承了IBM-PC開放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),，與IBM-PC 100%兼容,。

    CDT2000是16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器與數(shù)字量I/O模塊，通過總線與PC/104模塊連接,，可將由PC/104模塊構(gòu)成的系統(tǒng)變成一個(gè)高性能的控制系統(tǒng)。CDT2000有48通道TTL/CMOS 兼容的數(shù)字量I/O,，這些I/O由模塊上的71055可編程外圍接口(PPI)芯片提供,，由I/O連接器引出。端口能直接與外部設(shè)備或信號(hào)連接,，端口高電位為5 V,，低電位為0 V。

    CDT2000的48通道數(shù)字量I/O在硬件上以兩排I/O口排列,，每排包括24路數(shù)字量I/O,；這24路I/O又分為口0(8條線)、口1(8條線),、口2(8條線)3組,，每組I/O都分配有獨(dú)立的基地址，因此可以單獨(dú)決定每組I/O的輸入/輸出模式,。

1.3 AD7891芯片

    AD7891是一款8通道,、12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有并行和串行兩種接口模式,。本系統(tǒng)采用的輸入量程為-10 V~

+10 V,，理論轉(zhuǎn)換精度可達(dá)4.88 mV。

    在單通道輸入,，采用硬件啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí),，AD7891的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)454.5 kS/s。芯片的每個(gè)輸入通道都擁有過電壓保護(hù)機(jī)制,，允許的過壓值為±17 V,。

    AD7891可以通過MODE引腳來選擇并行或串行接口模式。無論是串行還是并行工作模式,，芯片均能提供標(biāo)準(zhǔn)控制輸入及快速數(shù)據(jù)訪問時(shí)間特性,，確保與現(xiàn)代微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器輕松對(duì)接^[2],。由于CDT2000模塊提供豐富的I/O口,，本轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用并行接口方式。芯片端口的控制以及數(shù)據(jù)的讀寫全部通過CDT2000的I/O口實(shí)現(xiàn),，既滿足轉(zhuǎn)換的快速性要求,，在硬件上也較容易實(shí)現(xiàn),。

1.4 DM74LS73A型號(hào)JK觸發(fā)器

    DM74LS73A是負(fù)脈沖邊緣觸發(fā)型的主-從JK觸發(fā)器，當(dāng)觸發(fā)器CLK端電位由低升高時(shí),，可觸發(fā)輸出端Q,、的電位變化。

    A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),，AD7891的EOC端輸出脈寬為80 ns的負(fù)脈沖,。但CDT2000沒有捕捉負(fù)脈沖的功能，因此在AD7891與CDT2000之間增加一個(gè)JK觸發(fā)器,，由觸發(fā)器CLK端捕捉EOC引腳輸出的負(fù)脈沖,。EOC引腳輸出的負(fù)脈沖使JK觸發(fā)器Q端的電位變化時(shí)，表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,。

1.5 系統(tǒng)硬件連接

    根據(jù)以上系統(tǒng)各硬件的性能及特性,，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件連接電路如圖1所示。

    圖1中,，由CDT2000 I/O指向AD7891和JK觸發(fā)器的箭頭線表示CDT2000 I/O口以輸出模式與AD7891和JK觸發(fā)器的引腳連接,，I/O通過輸出電位的變化實(shí)現(xiàn)AD7891和JK觸發(fā)器中與之連接的各引腳的功能；由AD7891和JK觸發(fā)器指向CDT2000 I/O的箭頭線表示CDT2000 I/O口以輸入模式與AD7891和JK觸發(fā)器的引腳連接,，I/O口讀取AD7891和JK觸發(fā)器中與之連接的各引腳的電位,，通過總線傳遞給PC/104；CDT2000 I/O與AD7891間的雙向箭頭線表示AD7891上的引腳為復(fù)用端口,，I/O口既要以輸出模式控制該引腳的電位,，又要在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，以輸入模式讀取該引腳的電位,。

    在A/D轉(zhuǎn)換過程中,，CDT2000 I/O始終向AD7891的STANDBY和MODE引腳輸出高電位，以使AD7891處于正常工作狀態(tài)和并行工作模式,；向JK觸發(fā)器的J引腳和K引腳分別給予低電位和高電位,，以使A/D轉(zhuǎn)換開始前JK觸發(fā)器的Q輸出端為低電位。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)由AD7891的EOC引腳輸出的負(fù)脈沖將使Q輸出端的低電位轉(zhuǎn)換為高電位,，經(jīng)I/O口讀取后告知PC/104 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,。同時(shí)在每次A/D轉(zhuǎn)換開始前，向JK觸發(fā)器的CLR引腳給予一不小于30 ns的負(fù)脈沖,，使Q輸出端恢復(fù)低電位,。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 AD7891時(shí)序分析

    為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)換，首先對(duì)AD7891的轉(zhuǎn)換時(shí)序進(jìn)行分析,。并行接口模式下AD7891的轉(zhuǎn)換時(shí)序見圖2,。

    圖2中，t₁為從CS到RD/WR的觸發(fā)時(shí)間，為0 ns,；t₂為寫脈沖寬度,，不小于35 ns；t₃為寫有效數(shù)據(jù)時(shí)間,，不小于25 ns,；t₄為有效數(shù)據(jù)保持時(shí)間，不小于5 ns,；t₅為CS到RD/WR的保持時(shí)間,，為0 ns；t₆為CONVST脈沖寬度時(shí)間,，不小于35 ns,；t₇為EOC脈沖寬度時(shí)間，不小于55 ns,；t₈為讀脈沖寬度,，不小于35 ns,；t₉為RD下降沿之后讀數(shù)據(jù)時(shí)間,，不小于25 ns；t_CONV為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間,，不大于1.6 μs,；t₁₀不小于30 ns。

2.2 I/O口對(duì)AD7891工作時(shí)序的控制

    AD7891的工作時(shí)序由CDT2000的I/O口控制,，因此在操作I/O口的電位變化時(shí),，必須根據(jù)AD7891的轉(zhuǎn)換時(shí)序，合理地分配以上時(shí)間,，以實(shí)現(xiàn)快速高效的轉(zhuǎn)換,。

    在硬件層，PC/104核心處理器的晶振頻率為100 MHz,，單周期指令的執(zhí)行時(shí)間為10 ns,。PC/104通過總線操作改變CDT2000的I/O口的電位。一次總線操作的時(shí)間在1 μs以上,，即C語言操縱I/O口電位變化的代碼執(zhí)行時(shí)間在1 μs以上,，遠(yuǎn)大于時(shí)序中要求的各負(fù)脈沖時(shí)間。因此在連續(xù)改變I/O口電位時(shí),，無需考慮延時(shí),。

    AD7891的DB0~DB5為復(fù)用數(shù)據(jù)線，寫入數(shù)據(jù)時(shí),，通過這6個(gè)引腳改變AD7891控制寄存器的數(shù)值,；讀取數(shù)據(jù)時(shí)，通過這6個(gè)引腳獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的低6位數(shù)值,。因此在每次A/D轉(zhuǎn)換中,，與這6個(gè)引腳連接的I/O口都要進(jìn)行一次輸入/輸出模式的轉(zhuǎn)換,。而CDT2000 I/O的特性是在某一路I/O由輸入模式轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵瞿Ｊ綍r(shí)，同一排I/O中所有輸出口的電位都會(huì)清零,，因此必須保證與AD7891 DB0~DB5連接的6個(gè)I/O口的輸入/輸出模式改變時(shí),，不會(huì)影響其他輸出端口的電位，否則將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗,。為實(shí)現(xiàn)以上條件,，需將與AD7891 DB0~DB5連接的6個(gè)I/O口單獨(dú)安排在CDT2000 I/O的一排，而與AD7891其他引腳連接的I/O口在另一排,。

    使用CDT2000 I/O對(duì)AD7891的控制操作中,，首先向JK觸發(fā)器的CLR引腳輸出一負(fù)脈沖，使其Q輸出端恢復(fù)低電位,；然后將與AD7891芯片DB0~DB5引腳連接的I/O置為輸出模式,，并向其輸出電位以選擇A/D輸入通道和轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出格式；然后向WR引腳輸出負(fù)脈沖,，將DB0~DB5引腳的電位數(shù)據(jù)寫入控制寄存器,；隨后向CONVST引腳輸出負(fù)脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，待Q端電位升高后,，將與DB0~DB5引腳連接的I/O改為輸入模式,；然后將RD引腳電位置底，讀取DB0~DB11引腳的電位值,，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,；最后將RD引腳電位置高，完成A/D轉(zhuǎn)換,。以上為完成一次A/D轉(zhuǎn)換的操作流程,，其執(zhí)行時(shí)間不超過25 μs，轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)4×10⁴ Hz,，滿足系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換頻率大于100 Hz的要求,。

3 試驗(yàn)結(jié)果

    AD7891轉(zhuǎn)換數(shù)值的輸出格式既可以是普通二進(jìn)制形式也可以是補(bǔ)碼形式，由FORMAT引腳的電位控制,。普通二進(jìn)制形式時(shí),，輸出范圍為0~4 095；補(bǔ)碼形式時(shí),，輸出范圍為-2 048~2 047,。轉(zhuǎn)換數(shù)值理論上與輸入電壓呈線性關(guān)系。由于項(xiàng)目要求采集的電壓范圍為0~10 V,，因此本轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選擇的輸出格式為普通二進(jìn)制形式,。試驗(yàn)中輸入電壓由穩(wěn)壓電源提供，在輸入電壓固定時(shí)，取轉(zhuǎn)換數(shù)值的平均值作為轉(zhuǎn)換結(jié)果,，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示,。

    對(duì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)換值線性擬合獲得的參數(shù)中，R平方值（相關(guān)系數(shù)）為1,，說明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入電壓呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,，這與理論相符合。對(duì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)換值擬合得到的線性函數(shù)為：

式(1),、(2)中y為A/D轉(zhuǎn)換值,，x為輸入電壓。對(duì)比式(1)和式(2)表明,，試驗(yàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果相較理論值存在2 077.26-2 047.50=29.76的偏差,，即零漂值。將零漂值修正后,，試驗(yàn)值與理論值的差值為：

式(3)說明轉(zhuǎn)換誤差隨著采集電壓增大而增大,，當(dāng)輸入電壓范圍為0~10 V時(shí)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)換值與理論值的最大差值為0.4,，轉(zhuǎn)換誤差在最低有效位以內(nèi),。對(duì)于12位的A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)最低有效位的誤差表征4.88 mV轉(zhuǎn)換誤差,，因此該系統(tǒng)滿足轉(zhuǎn)換誤差不大于10 mV的設(shè)計(jì)要求,。

    本文基于CDT2000 I/O對(duì)A/D芯片的控制,，設(shè)計(jì)了一種A/D高速采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng),，通過使用CDT2000 I/O對(duì)AD7891和JK觸發(fā)器各引腳電位的控制及讀取，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬數(shù)據(jù)的高速采集和轉(zhuǎn)換,。系統(tǒng)完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間小于25 μs,，滿足系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換頻率大于100 Hz的要求；對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果中存在的固定偏差修正后,，轉(zhuǎn)換誤差不超過4.88 mV,，滿足系統(tǒng)對(duì)采集精度的要求。本系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單,、編程容易,、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 何學(xué)輝,，蘇濤.TMS320VC5402 DSP與串行AD73360 A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2003，29(11)：67-70.

[2] 趙綱領(lǐng),，蔚永強(qiáng),，張寧，等.基于DSP I/O口的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，2007,，44(2)：54-56.

[3] 劉春生,，游志剛，李小波.AD7891高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[J].國外電子元器件,，2001(3)：6-9.

[4] 陳勁操.利用增強(qiáng)型并行口設(shè)計(jì)12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子工程師,，2001，27(7)：1-3

[5] 鄺堅(jiān).Tornado/VxWorks入門與提高[M].北京：科學(xué)出版社,，2004.

[6] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)(第3版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2005.