專利名稱：一種數字強震儀及其多路數據采集接口的制作方法
技術領域：
本發明涉及地震信號檢測領域，尤其涉及一種數字強震儀及其多路數據采集接
背景技術：
目前數字強震儀的多路模數轉換到微控制器的接口，多采用微控制器自帶的通用輸入/輸出口。每一路模數轉換器的數據傳輸及控制管腳都要單獨占用一個微控制器的通用輸入/輸出口，只適用于當模數轉換器的通道數較少的情況，例如3通道的數字強震儀多采用這種方式。當模數轉換器通道數較多時，例如當數字強震儀的模數轉換通道從3通道擴展到6或8通道時，以微控制器的自帶的通用輸入/輸出接口進行多路模數轉換器的數據傳輸和控制接口，主要會有以下缺點和問題1)占用的通用輸入/輸出接口較多。微控制器的自帶的通用輸入/輸出接口數量有限，當通道數較多時，微控制器不能提供足夠數量的輸入/輸出接口 ；2)降低了微控制器的處理效率。通道數量的增加意味著微控制器需要花費更多的時間來完成模數轉換數據的串-并轉換以及數據從通用輸入/輸出口到存儲空間的搬移， 降低了微控制器的處理效率，也限制了模數轉換器的最高轉換速率。3)增加了設計和實現難度。當微控制器自帶的通用輸入/輸出接口數量可以滿足設計需要時，設計復雜度和實現難度的增加，設計和實現的難度體現在通道之間的時間同步、多路信號的驅動和電路設計中的布局布線等等。目前大多數的16位或32位的微控制器都有同步串行總線接口，常用的同步串行總線由4路信號組成，分別是時鐘信號、幀同步信號、數據輸入信號及數據輸出信號。具有同步串行總線接口的設備之間可以按照約定好的規則，以相同的速率和字長進行雙向同步通信。同步串行總線接口能夠以主-從方式工作，發起同步串行通信的設備被稱為主設備， 接受同步串行通信的設備被稱為從設備。通常主設備提供同步串行通信所需的時鐘信號和幀同步信號，從設備接收時鐘信號和幀同步信號，以保證能夠與主設備進行同步通信。因此可以利用微控制器串行總線接口來解決當數字強震儀的模數轉換通道增加時帶來的問題。
發明內容
針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種數字強震儀及其多路數據采集接口。本發明提供了一種數字強震儀的多路數據采集接口，包括數據采集與控制單元，用于接收微控制器的指令以設置模數轉換器的工作模式、 對模數轉換器進行復位或者對模數轉換器進行同步；數據轉換單元，用于根據模數轉換器的狀態轉換信號鎖存模數轉換器輸出的并行數據；同步串行單元，用于將并行數據轉換為串行數據輸出至微控制器。
在一個示例中，多路數據采集接口的參考時鐘信號由晶振或者微控制器提供。在一個示例中，模數轉換器的轉換時鐘信號由參考時鐘信號經第一分頻器分頻得到。在一個示例中，數據轉換單元包括第一移位寄存器至第N移位寄存器以及第一鎖存器至第N鎖存器；第一移位寄存器至第N移位寄存器的時鐘信號與模數轉換器的轉換時鐘信號相同，N為自然數；第一移位寄存器至第N移位寄存器分別接收模數轉換器輸出的N路數據；第一鎖存器至第N鎖存器根據模數轉換器輸出的狀態轉換信號對應地鎖存第一移位寄存器至第N 移位寄存器存儲的數據。在一個示例中，同步串行單元包括第N+1鎖存器、第N+1移位寄存器和第一計數器；第N+1鎖存器根據模數轉換器的狀態轉換信號鎖存第一鎖存器至第N鎖存器上的數據；第N+1移位寄存器根據模數轉換器的狀態轉換信號以及參考時鐘信號經第二分頻器分頻得到的時鐘信號進行并串變換并輸出至微控制器；參考時鐘信號經過第二分頻器分頻并經過第一計數器計數后得到微控制器的幀同步信號；參考時鐘信號經過第二分頻器分頻得到微控制器的同步串行時鐘。在一個示例中，數據采集與控制單元包括第N+2鎖存器、第N+3鎖存器、第N+4鎖存器、第N+2移位寄存器以及第二計數器；第二計數器對參考時鐘信號經過第二分頻器分頻得到的時鐘信號進行計數以輸出鎖存信號；第N+2移位寄存器接收微控制器輸出的指令；第N+2鎖存器、第N+3鎖存器或第N+4鎖存器根據第二計數器輸出的鎖存信號鎖存微控制器輸出的指令；第N+2鎖存器輸出的指令用于控制模數轉換器的工作方式，第N+3鎖存器輸出的指令用于復位模數轉換器，第N+4鎖存器輸出的指令用于同步模數轉換器。在一個示例中，N = 8。在一個示例中，該多路數據采集接口由復雜邏輯器件實現。本發明提供了一種數字強震儀，包括模數轉換器、多路數據采集接口以及微控制器；模數轉換器輸出的并行數據由多路數據采集接口轉換為串行數據輸出至微控制器；微控制器的指令通過多路數據采集接口輸出至模數轉換器以設置模數轉換器的工作模式、對模數轉換器進行復位或者對模數轉換器進行同步。在一個示例中，多路數據采集接口為如權利要求1-8任意一項所述的數字強震儀的多路數據采集接口。本發明利用復雜可編程邏輯器件(CPLD)來實現數字強震儀多路數據采集，可以避免采用微控制器再帶的通用輸入/輸出接口所面臨的占用的通用輸入/輸出接口較多， 降低微控制器的處理效率以及增加設計和實現難度等方面的問題。利用CPLD的可編程能力，將8路模數轉換器并行連接起來，同步讀取轉換結果，轉換結果按照一定的順序轉換成串行格式輸出，串行數據配合適當的時鐘信號和幀同步信號，可與任何帶有同步串行口的微控制器連接。而同步串行口輸入的數據可以由DMA模式直接讀入到微控制器的存儲器空間，不占用微控制器的處理時間。本發明給出的方法只需要4根信號線就能完成CPLD與微控制器之間的連接，構成主-從方式的同步串行通信鏈，占用的引腳資源很少，保證了微控制器的處理效率，在一定程度上降低了設計和實現的難度。
下面結合附圖來對本發明作進一步詳細說明，其中圖1是本發明提供的系統實現框圖；圖2是本發明提供的CPLD的功能實現框圖；圖3是本發明提供的實施例。
具體實施例方式CPLD是一種成本較低，功能較強的數字集成電路芯片，適宜進行數字信號的連接以及各種接口協議的轉換。在數字強震儀的多路數據采集電路中使用CPLD，可以有效實現轉換數據同步獲取、模數轉換器控制以及與微控制器連接等功能。本發明提供的數字強震儀的多路數據采集接口三個部分組成，分別是數據采集與控制單元、數據轉換單元和同步串行單元，如圖1所示。數據采集與控制單元實現了 CPLD與8路模數轉換器的連接和控制。數字強震儀中的模數轉換器通常采用具有M位精度的高精度、大動態范圍的模數轉換器。這類模數轉換器需要外部電路提供時鐘信號和控制信號。時鐘信號作為模數轉換和數字濾波的時序基準，控制信號用來選擇模數轉換器的工作方式、實現模數轉換器的復位以及多路模數轉換器同步工作。模數轉換器以串行方式發送轉換數據并提供轉換狀態信號。CPLD要給8路模數轉換器提供同步的時鐘信號和控制信號，接收串行數據，利用轉換狀態信號驅動數據格式的轉換。數據轉換單元實現了 8路同步并行輸入的數據向同步串行數據的格式的轉換。進入到CPLD內部的數據需要按照一定的順序和格式，被轉換成串行數據，按照固定的時序提供給同步串行接口。同步串行單元實現了串行數據由CPLD到微控制器的同步傳輸以及控制命令從微控制器到CPLD的傳輸。下面說明根據附圖進行詳細說明。1、系統時鐘“系統時鐘”是整個系統工作，保持時序關系同步的基準時鐘。模數轉換器所需的 “轉換時鐘”由“分頻器1”對“系統時鐘”進行分頻后獲得，而同步串行口的“同步串行時鐘” 是由“分頻器2”對“系統時鐘”進行分頻后獲得。2、數據采集與控制單元模數轉換器在開始工作前需要設置好工作方式，設置數據由微控制器通過“同步串行輸入”端在“同步串行時鐘”的驅動下送入“移位寄存器10”，再由“計數器2”輸出的鎖存信號鎖存至“鎖存器10”，“鎖存器10”的數據通過“工作方式”端口輸出至模數轉換器來設定其工作方式。設置好工作方式，還需要對模數轉換器進行復位，復位指令由微控制器通過“同步串行輸入”端送入，鎖存至“鎖存器11”，通過“復位”端輸出。完成復位后還要進行同步，同步指令由微控制器通過“同步串行輸入”端送入，鎖存至“鎖存器12”，通過“復位” 端輸出。3、數據轉換單元完成上述控制之后，模數轉換器在“轉換時鐘”的驅動下，同步串行輸出轉換數據， 由“轉換輸入1”至“轉換輸入8”端口分別送入CPLD內的“移位寄存器1”至“移位寄存器 8”，此處移位寄存器的位寬與模數轉換器輸出數據的位寬一致。模數轉換器每完成一次轉換，發送一次脈沖信號到“轉換狀態”端，“轉換狀態”信號將“移位寄存器1，，至“移位寄存器8”內的數據分別鎖存至“鎖存器1”至“鎖存器8”，此處鎖存器的位寬與上一級移位寄存器位寬一致。4、同步串行單元“鎖存器1”至“鎖存器8”內的數據在“轉換狀態”信號的驅動下被鎖存至“鎖存器9”對應的位段，“鎖存器9”的位寬等于“鎖存器1”至“鎖存器8”位寬之和。“鎖存器9” 中的數據在“轉換狀態”信號的驅動下被移至“移位寄存器9”，該寄存器的位寬與“鎖存器 9”的位寬相同。“移位寄存器9”內的數據在“同步串行時鐘”的驅動下由“同步串行輸出” 端送出。“幀同步”由“計數器1”對“同步串行時鐘”進行計數獲得，計數值與“移位寄存器 9”的位寬相同，當達到計數值時，產生脈沖信號至“幀同步”端。圖3是本發明實現的數字強震儀多路數據采集與接口的示意圖，包括模數轉換器 (型號為 ADS1281)，CPLD (型號為 EMP1207)，微控制器(型號為 ADSP-BF533)。ADSP-BF533 同步串行口的發送時鐘管腳“tsclk”為EMP1207的全局時鐘管腳“gclk”提供“系統時鐘” 信號，頻率為4. 096MHz。“系統時鐘”信號在EMP1207內被分配給i/o管腳，提供給8路 ADSU81(圖3中僅畫出1路)的“sclk”，作為其工作的基準時鐘。“轉換時鐘”用于同步串行接口(轉換數據讀取)，連接至“elk”管腳，由“系統時鐘”分頻獲得，頻率為512KHZ。 ADS1281在“elk”的驅動下由“dout”管腳送出轉換結果，由于轉換結果為32位，EMP1207 內部的“移位寄存器1”至“移位寄存器8”以及“鎖存器1”至“鎖存器8”的位寬也應為32 位。每完成一次轉換，“drdy”發送一次負脈沖，EMP1207將其作為“轉換狀態”信號，驅動轉換數據的鎖存和并-串轉換。ADSU81的“mod”、“reset”和“syn”管腳分別對應著“工作方式”、“復位”和“同步”信號。在EMP1207上實現的同步串行口，以主設備方式與ADSP-BF533的同步串行口連接。ADSP-BF533同步串行口的“rsclk”管腳接收“同步串行時鐘”信號，“rfs”管腳接收“幀同步”信號，“dr”管腳接收“同步串行輸出”信號，“dt”管腳發送數據至“同步串行輸入”。 ADSP-BF533的同步串行口支持DMA模式，不占用CPU處理時間，將數據送到數據存儲空間進行處理。以上所述僅為本發明的優選實施方式，但本發明保護范圍并不局限于此。任何本領域的技術人員在本發明公開的技術范圍內，均可對其進行適當的改變或變化，而這種改變或變化都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，包括數據采集與控制單元，用于接收微控制器的指令以設置模數轉換器的工作模式、對模數轉換器進行復位或者對模數轉換器進行同步；數據轉換單元，用于根據模數轉換器的狀態轉換信號鎖存模數轉換器輸出的并行數據；同步串行單元，用于將并行數據轉換為串行數據輸出至微控制器。
2.如權利要求1所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，多路數據采集接口的參考時鐘信號由晶振或者微控制器提供。
3.如權利要求2所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，模數轉換器的轉換時鐘信號由參考時鐘信號經第一分頻器分頻得到。
4.如權利要求3所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，數據轉換單元包括第一移位寄存器至第N移位寄存器以及第一鎖存器至第N鎖存器；第一移位寄存器至第N移位寄存器的時鐘信號與模數轉換器的轉換時鐘信號相同，N為自然數；第一移位寄存器至第N移位寄存器分別接收模數轉換器輸出的N路數據；第一鎖存器至第N鎖存器根據模數轉換器輸出的狀態轉換信號對應地鎖存第一移位寄存器至第N移位寄存器存儲的數據。
5.如權利要求4所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，同步串行單元包括第N+1鎖存器、第N+1移位寄存器和第一計數器；第N+1鎖存器根據模數轉換器的狀態轉換信號鎖存第一鎖存器至第N鎖存器上的數據；第N+1移位寄存器根據模數轉換器的狀態轉換信號以及參考時鐘信號經第二分頻器分頻得到的時鐘信號進行并串變換并輸出至微控制器；參考時鐘信號經過第二分頻器分頻并經過第一計數器計數后得到微控制器的幀同步信號；參考時鐘信號經過第二分頻器分頻得到微控制器的同步串行時鐘。
6.如權利要求5所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，數據采集與控制單元包括第N+2鎖存器、第N+3鎖存器、第N+4鎖存器、第N+2移位寄存器以及第二計數器；第二計數器對參考時鐘信號經過第二分頻器分頻得到的時鐘信號進行計數以輸出鎖存信號；第N+2移位寄存器接收微控制器輸出的指令；第N+2鎖存器、第N+3鎖存器或第N+4鎖存器根據第二計數器輸出的鎖存信號鎖存微控制器輸出的指令；第N+2鎖存器輸出的指令用于控制模數轉換器的工作方式，第N+3鎖存器輸出的指令用于復位模數轉換器，第N+4鎖存器輸出的指令用于同步模數轉換器。
7.如權利要求6所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，N= 8。
8.如權利要求1-7任意一項所述的數字強震儀的多路數據采集接口，其特征在于，該多路數據采集接口由復雜邏輯器件實現。
9.一種數字強震儀，其特征在于，包括模數轉換器、多路數據采集接口以及微控制器； 模數轉換器輸出的并行數據由多路數據采集接口轉換為串行數據輸出至微控制器；微控制器的指令通過多路數據采集接口輸出至模數轉換器以設置模數轉換器的工作模式、對模數轉換器進行復位或者對模數轉換器進行同步。
10.如權利要求9所述的數字強震儀，其特征在于，多路數據采集接口為如權利要求 1-8任意一項所述的數字強震儀的多路數據采集接口。
全文摘要
本發明公開了一種數字強震儀及其多路數據采集接口。多路數據采集接口包括數據采集與控制單元，用于接收微控制器的指令以設置模數轉換器的工作模式、對模數轉換器進行復位或者對模數轉換器進行同步；數據轉換單元，用于根據模數轉換器的狀態轉換信號鎖存模數轉換器輸出的并行數據；同步串行單元，用于將并行數據轉換為串行數據輸出至微控制器。本發明利用復雜可編程邏輯器件(CPLD)來實現數字強震儀多路數據采集，可以避免采用微控制器再帶的通用輸入/輸出接口所面臨的占用的通用輸入/輸出接口較多，降低微控制器的處理效率以及增加設計和實現難度等方面的問題。
文檔編號G01V1/18GK102314402SQ20111021648
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者楊振宇 申請人:中國地震災害防御中心