多点快速采集系统中信号可靠转贮研究

　　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。