摘　要：為色譜-質譜聯用儀設計了高速采樣掃描接口電路。介紹了采用ISA卡形式以兩片雙端口RAM為信箱實現單片機與PC機高速通訊的接口電路,給出了實現高速、高精度采樣及掃描的高性能A/D和D/A轉換電路,最后給出了相應的軟件設計方案。
 
關鍵詞：色譜-質譜聯用儀 雙端口RAM 高速采樣 

色譜-質譜(GC-MS)聯用儀可對許多產品中的多種元素進行分析測定,因此被廣泛應用于農業、工業以及醫藥、環保、食品等領域中。GC-MS技術在未來的經濟發展和科學研究中將發揮更為積極和重要的作用。
 
GC-MS聯用儀對質譜掃描速度要求很高,需要對被測信號進行高速的實時采集,在極短的時間內獲得大量的數據。因此必須設計高速的數據采集接口電路。 

本文采用兩片雙端口RAM為信箱以ISA卡的形式完成單片機與PC機的高速通訊,采用高速高性能的A/D和D/A轉換電路實現聯用儀系統的高速、高精度采樣及掃描。
 
1 系統設計思路 

選擇PC機作為主機,MCU作為從機組成監測系統,對測量點進行數據采集和模擬控制。在數據傳輸速度較高、數據量較大且需經常交換信息的場合,采取雙口共享RAM緩沖區方式是最合適的[1]。雙端口RAM將單片機與PC機有機地連接為一個整體,PC機和單片機的優勢可以互補,使其成為功能強大的雙CPU數據監測系統。
 
這里采用8051單片機負責數據采集和模擬控制工作,將高速采集掃描接口電路做成PC機擴展卡形式[2],直接插入PC機的I/O擴展槽內。為了進一步提高系統數據采集的實時性,采用了兩片雙端口RAM,以保證單片機的數據“采集”和PC機的數據“讀取”并行進行。當然,這種方法使系統的控制邏輯變得復雜了。51單片機通過雙端口RAM與PC機進行數據傳輸的示意圖如圖1所示。 

 


圖1 PC機與51單片機通過雙端口RAM進行數據傳輸的示意圖

整個系統的工作過程為:通過PC機鍵盤設定主要分析參數,其中與質函數采樣掃描有關的參數由PC機傳送給單片機,單片機負責具體執行。與采樣掃描有關的參數有掃描方式、采樣速度、開始與終止命令等,系統啟動和停止命令由PC機發出,從而命令單片機開始采樣與掃描或者終止采樣與掃描。
 
單片機在接到啟動命令之前不進行質函數掃描,但可以通過A/D轉換器進行數據采樣,將采樣到的數據存到其中一片RAM中,并通知PC機將數據取走,這些數據可以作為譜圖的本底數據。掃描開始之后,數據從RAM的低地址起開始依次存儲,存滿一片RAM后,向另一片RAM存儲,同時向PC機提出申請,要求PC機盡快將這一片RAM內的數據取走,PC機確定讀取RAM后讀取RAM中的所有數據。待另一片RAM存滿后再取走另一片RAM內的數據,如此循環。 

根據色譜-質譜聯用儀的性能要求,這里選用了12位的A/D轉換芯片AD1674,轉換時間為10μs;14位D/A轉換芯片AD7534,轉換時間為180μs;4K雙端口RAM CY7C142;8051單片機。PC機系統通過ISA總線與接口板進行通信。 

2 系統硬件設計方案 

硬件設計分為兩大部分:第一部分為雙端口RAM的接口電路,主要包括PC機與雙端口RAM CY7C142的接口電路和8051單片機與雙端口RAM CY7C142的接口電路;第二部分為數據采集和掃描電路,主要指8051單片機與A/D轉換器和D/A轉換器的接口電路。系統整體設計框圖如圖2所示。當單片機接收到一批數據存滿雙口RAM信息時,向計算機發送一個中斷申請,通知計算機到雙口RAM 中去讀取數據。下面分別進行介紹。

 


圖2 系統整體設計框圖

圖3 雙端口RAM CY7C142的接口電路

圖4 單片機與AD1674和AD7534的接口電路

2.1 雙端口RAM的接口電路
 
CY7C142為一片2K