基于TLC5540的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：TLC5540 高速數(shù)據(jù)采集 時(shí)序 控制

在高速數(shù)據(jù)采集卡中，核心部分是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。隨著制造ADC的技術(shù)不斷技術(shù)，美國(guó)的TI公司和ADI公司都開(kāi)發(fā)出采樣速度在100Msps，但價(jià)位低廉的器件。本設(shè)計(jì)采用TI公司的TLC5540，其特點(diǎn)是：

*8位分辨率；

*最高轉(zhuǎn)換速率達(dá)40Msps；

*內(nèi)部采樣和保持功能；

*模擬輸入帶寬≥75MHz（典型值）；

*內(nèi)部基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生器。

它的引腳排列和功能如圖1所示。

其中OE端是輸出允許端。當(dāng)OE為低電平時(shí)，允許數(shù)據(jù)輸出；反之，D1～D8為高阻狀態(tài)。ANALOG IN為模擬輸入端，CLK為時(shí)鐘輸入端，其它一些引腳為一些地線、電源線、基準(zhǔn)電壓的輸入調(diào)節(jié)端等。整個(gè)芯片的控制非常方便。

在數(shù)據(jù)采集中卡中，它的采樣頻率不僅僅取決于ADC的轉(zhuǎn)換速率。在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣頻率可表示如下：

fs=1/(tCONV+tACQ+tAID)

式中，tCONV是A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，tACQ是采樣保持時(shí)間，tAID是數(shù)據(jù)傳輸與處理等輔助操作時(shí)間。可見(jiàn)，所謂高速，除了要求提高A/D轉(zhuǎn)換的速度外，更重要的是設(shè)法減少tAID的時(shí)間。

設(shè)計(jì)中，在擴(kuò)展板上增加1個(gè)或多個(gè)微控制器，作為前端從機(jī)，主要負(fù)責(zé)采樣過(guò)程控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)序的控制。微控制器與主機(jī)之間必須有專(zhuān)用的聯(lián)絡(luò)通道，以便主機(jī)能對(duì)從機(jī)實(shí)行控制及主從機(jī)之間的狀態(tài)信息交換。這樣，在高速采樣的過(guò)程中，CPU不需要參與，采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完全由外部電路自動(dòng)進(jìn)行。在采樣期間，CPU可以做自己的數(shù)據(jù)處理和其它工作。采樣結(jié)束后，再由CPU讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。完成后，又繼續(xù)采樣。數(shù)據(jù)采樣與處理是交替進(jìn)行的，即所謂的“間隙式采樣方式”。當(dāng)然，這是針對(duì)高速數(shù)據(jù)采樣時(shí)采用的方法。在慢速采樣時(shí)，可以完全由主機(jī)自行采樣，實(shí)現(xiàn)邊采樣、邊讀數(shù)、邊處理的真正同步方式。

整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

在本設(shè)計(jì)中采用AT89C51作為高速數(shù)據(jù)采集卡的控制核心。它的主要功能是：

①使用P1口與主機(jī)通信，接收PC機(jī)的命令及數(shù)據(jù)并糾錯(cuò)、解釋、存儲(chǔ)、執(zhí)行；

②送出MCU當(dāng)前狀態(tài)信息，以便主機(jī)查詢(xún)；

③根據(jù)機(jī)的命令設(shè)置控制端口的I/O狀態(tài)，昭選擇采樣速率、是否允許讀寫(xiě)RAM等。

前面已經(jīng)提到，在整個(gè)采樣過(guò)程中，MCU負(fù)責(zé)全面的控制工作，主機(jī)與采樣電路之間不需要任何的線路。主機(jī)只要把所要完成的任務(wù)編成規(guī)格化的指令，在每一次采樣開(kāi)始前全部發(fā)給從機(jī)。但它的數(shù)據(jù)只能送出，而不可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)的端口。從機(jī)的地位是被動(dòng)的，送出的數(shù)據(jù)是否被接受由主機(jī)決定。

在本電路中，時(shí)序控制是非常重要的，尤其是ADC的采樣時(shí)序和存儲(chǔ)器的讀取時(shí)序的配合很重要。TLC5540的時(shí)序控制比較方便，輸出使能端OE一直置低，通過(guò)控制時(shí)鐘輸入端CLK來(lái)控制采樣速率和存儲(chǔ)速率。從圖2可以看出，在擴(kuò)展了1個(gè)存儲(chǔ)器的同時(shí)擴(kuò)展了1個(gè)地址發(fā)生器。地址發(fā)生器是由計(jì)數(shù)器組成的。也就是說(shuō)，計(jì)數(shù)器計(jì)1個(gè)數(shù)，它的地址就改變一下。在本電路中，把外部輸入的時(shí)鐘作為T(mén)LC5540的CLK端和計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端。

具體示意圖如圖3所示。

通過(guò)這樣的電路，ADC的采樣時(shí)序和存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)序就可以很好的配合，保證采樣1個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)1個(gè)數(shù)據(jù)，不會(huì)發(fā)生丟失的情況。

以上所述，是采集卡需要采集高速數(shù)據(jù)時(shí)采用的控制方法。在設(shè)計(jì)中，為了提高卡的適用面，還特別設(shè)計(jì)了對(duì)于采集慢速數(shù)據(jù)的方法。