多点快速采集系统中信号可靠转贮技术研究

一束激光投射到物体表面时，要获得物体受光面接收到的激光能量分布及随时间变化情况，需在对应的位置设置激光探测系统。根据被测激光束形成的光斑直径实际情况，在受光面上等间距分布安装256只光电探测器，即将具有一定能量的激光脉冲转换为相对应的电压信号，该信号能正确反映其能量大小和变化。为了使系统能实时反映光斑各点的能量大小及变化情况，要求每秒采集25帧数据，即每帧的采集时间为40 ms，每个点的平均采集时间约为150 μs。为了保证弱光信号的采样精度，系统可使用程控放大器，适当增大弱光信号的电压放大倍数，即每个采样点有可能采样两次。当首次采样值大于门限值则认为信号足够强，直接将采样数据传送给上位机，当小于该门限值时则改变放大倍数，再采样一次，然后将结果加上特征码传送给上位机。为了保证测试精度，系统使用12位高速A/D芯片进行数据转换，因此向上位机的数据传送以串行通信方式分两帧进行。上位机得到数据后作相应处理，再实时动态显示在监视器上。上位机的数据处理和图像显示本文不作详细讨论，只就信号采集和传送问题作重点介绍。
1 系统多点采集电路构成及工作原理
图1为系统构成原理电路图，只画出了信号采集部分，其他配属电路均未画出。本例设计安装256个光电探测器。

1.1 CPU的选择
本系统中CPU选用华邦公司的W77E58，其指令执行速度是51系列单片机的三倍。同样用12 MHz的晶振，一个机器周期可降低到0.35 μs。如果每次采集和传送需用40条指令实现,完成每条指令按两个机器周期计算，要完成两次采集传送2 B数据，所用时间完全可以控制在40 μs以内。因此，选用W77E58可保证在每点所限时间范围内选择相应的探测器、启动A/D转换、完成两次采集数据、把测试结果以串行通信两帧数据的格式传送给上位机。
1.2 多点探测器选择的实现
多点探测器选择电路由1片74LS574、1片CD4515、CD4067(I)和16片CD4067(Ⅱ)构成。74LS574用于锁存8个控制信号，它们分别为A、B、C、D和A′、B′、C′、D′；4515和4067(I)的通道选通控制端并联，4515的16个输出通道中的某一个通道输出为低电平"0"，这16个输出作为16片4067(Ⅱ)的使能端；16片4067(Ⅱ)的通道选择控制端A′、B′、C′、D′并联，其256个输入通道对应256套光电探测器电压信号输出端。
因此，控制信号A、B、C、D决定选哪一片4067(Ⅱ)，而A′、B′、C′、D′决定选其对应的16个探测器中的某一个。4067(I)的16个输入通道分别对应16片4067(Ⅱ)的16选1的输出通道。
1.3 程控放大器和模数转换
程控放大器选用单电源供电形式，其增益带宽大于10 MHz，因此可设计成同相输入运算放大器的形式。Rf1取9.1 k?赘，R2为精密电位器,其值为10 k?赘，Rf2取100 k?赘，放大倍数调整为两档：10倍和100倍。为了防止模拟开关对放大信号的影响,将其接成反馈电路串入模拟开关，再接到运算放大器的反相输入端，这样模拟开关的导通电阻就不会对放大倍数造成影响。模拟开关选用CD4053，该芯片为3个二选一开关，选其第三个开关，由W77E58的P3.0控制。当P3.0为1时，指向低放大倍数档；当P3.0为0时，则指向高放大倍数。模数转换器采用AD678，它是12 bit AD芯片，不需外部时钟和外部基准电压，速度较快，5.0 μs完成一次转换。AD678与CPU接口简单，只相当于CPU的两个外部存储单元。
2 通信电路构成及工作原理
系统要求对256个探测器进行循环采集,每40 ms扫描一遍，因此每个探测器占用时间约为156.25 μs。由于执行数据采集与控制等指令需占用一定的时间，故用于通信的时间远小于156.25 μs。本系统中使用的是12 bit的AD芯片，所以每个点需以两帧数据的格式传送，设每帧10 bit，则每个点有效数据就需占用20 bit，加上必要的间隔及指令执行时间，每个探测器占用的时间远高于传送20 bit数据所占用的时间。若按每帧数据平均12.5 bit，每帧允许使用时间50 μs，4 μs 1 bit，则波特率高达250 kHz以上，这样高的速率就单片机的异步串行通信而言是不可能实现的，而USB则可以胜任，因此本系统选用了由FT245BM芯片构成的USB总线接口电路，其原理如图2所示。

2.1 USB接口芯片FT245BM
本系统的USB通信接口芯片使用FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd)公司生产的FT245BM。FT245BM支持USB协议与并行I/O协议之间的转换，其主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换。芯片一方面可从主机接收USB数据，并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设；另一方面外设可通过并行I/O口将数据转换为USB的数据格式传回主机。中间的转换工作全部由芯片自动完成，开发者无需考虑固件的设计。
FT245BM通过FIFO控制器实现与单片机的接口，借助8根数据线D0～D7及读写控制线（RD、WR、RXF和TXE）完成与单片机的数据交互。其内部包含两个FIFO数据缓冲区，一个是128 B的接收缓冲区，另一个是384 B的发送缓冲区。它们均用于USB数据与并行I/O口数据的交换缓冲区。
另外，FT245BM还包括1个内置的3.3 V的稳压器，1个6 MHz的振荡器、8倍频的时钟倍频器、USB锁相环和EEPROM接口。FT245BM采用32脚的PQFP封装，体积小巧，易于和外设做到一块板上。
2.2 电路工作原理
该电路将W77E58对256个光电探测器循环测得的数据通过并行接口传送给FT245BM，相当于将FT245BM当作一个8 bit随机存储器对待，将数据写入FT245BM，然后执行下一个点的数据采集处理。只要USB接口波特率可以达到300 kHz以上，两点采集处理间隔能在100 μs以上，系统就能可靠工作。
3 数据采样和传送程序示例
mov A,#00H
mov DPTR,#2000H
movx @DPTR,A
mov DPTR,#4000H
movx @DPTR,A
mov R1,#08H
djnz R1,$
movx A,@DPTR
mov 20H,A
inc DPTR
mov A,@DPTR
mov 21H,A
mov A,20H
cjnz A,#1fH,Loop2
　Loop2: jc,Loop3
Ajmp Loop
　Loop3: clr P3.0
mov DPTR,#2000H
movx @DPTR,A
mov DPTR,#4000H
movx @DPTR,A
mov R1,#10H
movx A,@DPTR
mov 20H,A
inc DPTR
movx A,@DPTR
mov 21H,A
　Loop:mov DPTR,#6000H
mov A,20H
movx @DPTR,A
mov A,21H
movx @DPTR,A
setb P3.0
END