基于ATmegal28控制器和CH375接口的高速數據采集系統

　　1 引言

　　在核探測領域中，需要對各種高速信號進行采集處理，目前常用的方式是在PC機中安裝數據采集卡，如ISA卡、PCI卡。這些卡由于采用可編程邏輯器件(PLD)控制高速模數轉換器進行轉換，利用ISA總線(16 Mbit/s)、PCI總線(132 Mbit/s)進行數據傳送，故具有采集速率高，數據傳輸速度快，支持“即插即用”等優點。但是其安裝不方便，價格高，尤其是受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。筆者設計的采集系統采用AVR單片機ATmegal28作為主控制器，取代了常用的5l系列單片機，控制高速模數轉換器AD9220進行轉換，采集速率高達5 Ms/s。采用通用串行總線(USB)進行數據傳送，不僅繼承了ISA卡、PCI卡采集速度快的優點，而且克服了它們的缺點，具有易用、可擴展、快速、傳輸可靠等優點。該系統現已應用到4 MeV正離子靜電加速器的輻射防護中。

　　2 系統硬件設計

　　該數據采集系統硬件模塊總體結構如圖l所示，輸入信號幅度的范圍為0 V~5 V。

　　輸入信號首先進入觸發電路，該電路主要由比較器AD790和數字電位器X9241組成。AD790是一款高速、精密的電壓比較器，反應時間為45ns。通過ATmegal28可控制多種采集模式，觸發電壓可調節，可實現軟件觸發(對輸入信號進行無觸發連續采集)、后觸發(當輸入信號上升沿電壓大于觸發電壓時開始采集)和前觸發(當輸入信號上升沿電壓小于觸發電壓時停止采集)三種采集模式。圖2為后觸發采集模式的電路原理簡圖，LM136-5.O為5 V基準源，ATmegal28通過I2C總線控制X924l設定觸發電壓，比較器AD790的輸出連接到ATmegal28的中斷輸入端。當輸入端電壓大于觸發電壓時，AD790輸出低電平，以中斷的形式通知ATmega-128，使其開始數據采集。

　　當觸發條件滿足后，ATmegal28啟動模數轉換器AD9220進行轉換，將轉換后的數據存入數據存儲器中，待上位機查詢讀取。ATmegal28控制模數轉換與數據存儲器擴展電路如圖3所示。

　　ATmegal28是AVR系列中功能最強的單片機。該系列單片機運用Harvard結構(具有預取指令功能)，即對程序存儲器和數據存儲器帶有不同的存儲器和總線，當執行某一指令時，下一指令預先從程序存儲器中取出，使程序可以高效率地執行，其機器周期為1個時鐘周期，絕大多數指令均為單周期指令，1 MHz的頻率有接近1 MI/s的性能。

　　高速模數轉換電路中，AD9220是ADI公司一款性能優良的12位高速模數轉換器，速率高達10MS/s。選擇內部參考源，用單端輸入方式來進行采樣，采樣一次需要一個時鐘周期，其速率取決于輸入時鐘的頻率，電壓輸入范圍為0 V~5 V。