基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡電路與軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書學(xué) 院 精儀學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 年 級(jí) 2007 姓 名 張祿鵬 指導(dǎo)教師 李艷寧 2011 年 6 月 24 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書題目：基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡電路與軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 張祿鵬 學(xué)院名稱 精儀學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 學(xué) 號(hào) 3007202082 指導(dǎo)教師 李艷寧 職 稱 教授 一、原始依據(jù)（包括設(shè)計(jì)或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等。）數(shù)據(jù)采集卡是儀器儀表中常用的模塊，一般包含多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道、D/A轉(zhuǎn)換通道和I/O通道，它與LabView等軟件開發(fā)平臺(tái)聯(lián)用可以便利地設(shè)計(jì)出高水平測控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模擬量輸出和動(dòng)

2、作控制等，應(yīng)用十分廣泛和便利。數(shù)據(jù)采集卡涉及模擬電路、數(shù)字電路、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、I/O控制、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件技術(shù)等。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是就是開發(fā)基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的電路和軟件驅(qū)動(dòng)，對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行綜合訓(xùn)練。設(shè)計(jì)將利用實(shí)驗(yàn)室的各種電路開發(fā)儀器、設(shè)備、計(jì)算機(jī)和軟件工具等條件，完成電路板的設(shè)計(jì)、加工與調(diào)試以及軟件編程。本設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)，可以迅速提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試能力。二、參考文獻(xiàn)1 中泰研創(chuàng)，PCI總線8336A使用說明書，2010年10月2 張國雄, 金篆芷，測控電路，機(jī)械工業(yè)出版社，2000年，ISBN：7-111-08247-83 徐惠民，安德寧，延明，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)，

3、人民郵電出版社 2009.9，ISBN：978-7-115-19767-24 周明德, 蔣本珊，微機(jī)原理與接口技術(shù)，人民郵電出版社，2007，ISBN：978-7-115-15751-5 5 戴鵬飛，測試工程與LabVIEW應(yīng)用6 李江全，LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)，人民郵電出版社，2010，9787115227140三、設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容和要求（包括設(shè)計(jì)或研究內(nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求。）1、技術(shù)指標(biāo)：A/D轉(zhuǎn)化：12bit，32通道（單）或16通道（雙）轉(zhuǎn)換速率250 kHz輸入范圍：010V，程控增益1、2、5、10倍（可定制）D/

4、A轉(zhuǎn)換：12bit，4通道輸出范圍：05V、±5V（可定制），010mA、420mA；可編程DIO：32通道2、設(shè)計(jì)具有上述功能的采集卡原理圖；3、調(diào)試該信號(hào)采集卡，并開發(fā)它的軟件驅(qū)動(dòng)程序；4、開發(fā)基于LabView的軟件程序，對(duì)信號(hào)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)化、可編程DIO等功能的測試；5、提交與本設(shè)計(jì)相關(guān)的各種原理圖和軟件源代碼等技術(shù)資料；6、翻譯相當(dāng)于5000漢字的英文文獻(xiàn)；撰寫20000字以上的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日審題小組組長（簽字）年 月 日天津大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡電路與軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)學(xué)院名稱精密學(xué)院

5、專業(yè)名稱測控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名張祿鵬指導(dǎo)教師李艷寧一、 課題的來源及意義計(jì)算機(jī)測控技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用。基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的測控系統(tǒng)主要分為兩種類型。一類是以各種單片機(jī)、可編程邏輯芯片為核心組成的測控系統(tǒng)，這類測控系統(tǒng)一般適用于功能要求相對(duì)簡單的被控對(duì)象，可獨(dú)立構(gòu)成測控系統(tǒng)，或以PC機(jī)作為上位機(jī)構(gòu)成兩級(jí)級(jí)聯(lián)的測控系統(tǒng)，此時(shí)PC機(jī)一般負(fù)責(zé)界面處理。一類是以PC機(jī)為核心構(gòu)成的測控系統(tǒng)，PC機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡及接口電路連接到被控對(duì)象。由于PC機(jī)具有高性能、易用性、可擴(kuò)展性和豐富的軟件資源等，此類系統(tǒng)可適用于功能要求較為復(fù)雜的被控對(duì)象。計(jì)算機(jī)總線的飛速發(fā)展使高速大容量的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)成為可能，用于

6、數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)總線有ISA總線、PCI總線以及PCI Express總線等。ISA總線位寬度為8位或者16位。它使用方便，無需開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，在上個(gè)世紀(jì)80年代得到廣泛應(yīng)用。不過它的弱點(diǎn)也是顯而易見的，比如傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等。后來在PC98規(guī)范中，就開始放棄了ISA總線，而Intel從i810芯片組開始，也不再提供對(duì)ISA接口的支持。PCI Express總線(Peripheral Component Interconnect Express，外圍組件高速互連)，簡稱PCIE，是新一代的總線接口。PCI Express總線采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，比起P

7、CI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都享有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到很高的頻率，達(dá)到PCI總線所不能提供的帶寬。隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求越來越高，PCI Express總線將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。但目前在進(jìn)行簡易數(shù)據(jù)采集時(shí)，PCI總線在數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域仍然是主流，將基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡嵌入PC機(jī)的PCI擴(kuò)展插槽中，這樣可充分利用微處理器的控制功能、PC機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理能力以及多任務(wù)工作方式等特點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入采集。二、 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩rPCI局部總線(Pedpherd Component Interconnect，周邊元件擴(kuò)展

8、接口)是由英特爾（Intel）公司1991年推出的用于定義局部總線的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)允許在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝多達(dá)10個(gè)遵從PCI標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展卡。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達(dá)到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，基本上滿足了當(dāng)時(shí)處理器的發(fā)展需要。隨著對(duì)更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI總線，后來又提出把PCI 總線的頻率提升到66MHz。目前廣泛采用的是32-bit、33MHz的PCI 總線，64bit的PCI插槽更多是應(yīng)用于服務(wù)器產(chǎn)品。PCI總線系統(tǒng)要求有一個(gè)PCI控制卡，它必須安裝在一個(gè)PCI插槽內(nèi)。這種插槽是目前主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在

9、當(dāng)前流行的臺(tái)式機(jī)主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有56個(gè)PCI插槽，而小一點(diǎn)的MATX主板也都帶有23個(gè)PCI插槽。目前市面上的PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系統(tǒng)可選用目前流行的 Windows 系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡單，使用時(shí)只需將接口卡插入機(jī)內(nèi)任何一個(gè)PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號(hào)電纜從機(jī)箱外部直接接入，可實(shí)現(xiàn)模入模出、數(shù)入輸出等功能，安裝使用方便，程序編制簡單。三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法電路部分設(shè)計(jì)完成模入模出PCI總線接口卡硬件電路，主要由主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換

10、電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字量輸入輸出電路和接口控制邏輯電路構(gòu)成，A/D 轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換均為12位，同時(shí)還設(shè)計(jì)備有32路單通道或16路雙通道輸入和4路輸出接口，以及32通道可編程DIO。模入部分外部模擬信號(hào)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇后送入高速放大器處理，處理后的信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式可以選用程序觸發(fā)、定時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)、外同步觸發(fā)等方式，轉(zhuǎn)換狀態(tài)可以用程序查詢，也可以用中斷方式通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。模擬量輸出部分由D/A 轉(zhuǎn)換器件和有關(guān)的基準(zhǔn)源、運(yùn)放、阻容件和跨接選擇器組成，D/A部分具有加電自動(dòng)清零功能。數(shù)字量輸入輸出電路為用戶提供16 路DI及16 路DO的信號(hào)，DO部分具備

11、加電清零功能。軟件驅(qū)動(dòng)部分根據(jù)Windows驅(qū)動(dòng)程序模型（WDM）編寫Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序，支持即插即用。驅(qū)動(dòng)程序可以采用三種方法動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，分別是用中斷觸發(fā)、DMA 觸發(fā)和看門狗觸發(fā)。開發(fā)基于LabView的軟件程序，設(shè)計(jì)圖型界面實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)化、可編程DIO等功能。四、 實(shí)驗(yàn)方案由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和LabVIEW程序組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)發(fā)器的不同波形信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測試。編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的DIO端口的控制，測試數(shù)字信號(hào)輸入輸出功能。測試各項(xiàng)功能時(shí)需調(diào)用DLL中對(duì)應(yīng)的函數(shù)。五、 進(jìn)度安排2010.12.102011.3.10：了解設(shè)計(jì)任務(wù)要求

12、，查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行準(zhǔn)備工作。2011.3.112011.4.20：確定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)采集卡原理圖并繪制PCB板。2011.4.212011.4.31：制作數(shù)據(jù)采集卡實(shí)物，并調(diào)試信號(hào)采集卡。2011.5.12011.5.30：開發(fā)開發(fā)軟件驅(qū)動(dòng)程序和LabView的軟件程序。2011.6.12011.6.18：整理原理圖和源代碼等，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。六、 主要參考文獻(xiàn)1 中泰研創(chuàng)，PCI總線8336A使用說明書，2010年10月2 張國雄, 金篆芷，測控電路，機(jī)械工業(yè)出版社，2000年，ISBN：7-111-08247-83 徐惠民，安德寧，延明，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)，人民郵電出版社 2009.

13、9，ISBN：978-7-115-19767-24 周明德, 蔣本珊，微機(jī)原理與接口技術(shù)，人民郵電出版社，2007，ISBN：978-7-115-15751-5 5 戴鵬飛，測試工程與LabVIEW應(yīng)用6 李江全，LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)，人民郵電出版社，2010，9787115227140選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不能指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不能審題小組組長（簽字）年 月 日摘 要隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的進(jìn)步和日益成熟，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，由于ISA總線的固有缺陷，基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系

14、統(tǒng)逐漸取代ISA總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，成為數(shù)據(jù)采集的主流。本文分析了PCI總線數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案和性能參數(shù),采用FPGA簡化數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。利用EDA技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡電路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集電路部分包括:前端采樣電路、FPGA控制電路、PCI接口電路、電源供電電路以及其他功能部分電路?；赪DM模型編寫Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序，完成上機(jī)調(diào)試。最后編寫數(shù)據(jù)采集卡各部分功能的程序函數(shù)，使用LabVIEW程序等對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集和其他功能進(jìn)行測試。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；PCI總線；模數(shù)轉(zhuǎn)換；FPGA；WDMABSTRACTAlong with the rapid developm

15、ent of information technology and electronic technology, computer data collection technology has been widely applied. Because the inherent defects of ISA bus, data acquisition systems based on PCI bus gradually replace the ones using ISA bus, becoming the mainstream of DAQ. This paper analyzes the d

16、esigns and performance parameters of PCI bus data collection card. The application of FPGA simplifies the structure and increase the reliability of data acquisition cards. Data acquisition card hardware is designed with EDA technique. The DAQ circuit components include the input sampaling circu

17、it，F(xiàn)PGA control circuit, PCI interface circuit,  power supply circuits, and other functional parts.The driver for windows is written base on WDM and tested on a computer.At last, programs are written for various fuctions of the data acquisition card, and these functions are tested with pro

18、grams such as LabVIEW.Key words：DAQ；PCI bus；ADC；FPGA；WDM目 錄 第一章 緒論11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用11.2 PCI總線概述21.3 PCI數(shù)據(jù)采集卡現(xiàn)狀綜述5第二章 PCI總線規(guī)范和接口設(shè)計(jì)方案72.1 PCI總線規(guī)范72.2 PCI接口設(shè)計(jì)方案102.3 PCI9052接口芯片11第三章 數(shù)據(jù)采集卡硬件電路設(shè)計(jì)143.1 數(shù)據(jù)采集卡硬件電路結(jié)構(gòu)143.2 電源供電電路143.3 FPGA控制電路153.4 前端采樣電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路163.5 PCI接口電路23第四章 驅(qū)動(dòng)程序編寫264.1 Windows環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序2

19、64.2 設(shè)備的操作28第五章 數(shù)據(jù)采集卡功能編程與測試305.1 數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)連接庫305.2 數(shù)據(jù)采集卡功能測試31第六章 總結(jié)與展望37參考文獻(xiàn)38外文資料中文譯文致 謝2天津大學(xué)2011屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標(biāo)是測試中不依靠相關(guān)的測試文件，由非熟練人員進(jìn)行操作并且測試任務(wù)是由測試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的，由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)， 因而得到了初步的認(rèn)可。大約在60年代后期，國外就有成

20、套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)入市場，此階段的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代中后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就使用的總線而言，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線，工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測試系統(tǒng)，該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類

21、：一類以儀器儀表和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，這類系統(tǒng)主要由于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應(yīng)用；第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這種接口系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，把相應(yīng)的接口卡裝在專用的機(jī)箱內(nèi)，然后由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制這類系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多1。這兩種系統(tǒng)中如果采集測試任務(wù)改變，只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng)，或?qū)⑿驴ㄔ偬砑拥綄Ｓ玫臋C(jī)箱即可完成硬件平臺(tái)重建，比專用系統(tǒng)靈活得多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理使系統(tǒng)的成本降低，體積減小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。20世紀(jì)90年代至今，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍

22、事，航空電子設(shè)備及宇航技術(shù) 工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個(gè)新的系統(tǒng)?，F(xiàn)階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速模塊化和即插即用方向發(fā)展、典型系統(tǒng)有VXI總線系統(tǒng)，PCI、PXI總線系統(tǒng)等，數(shù)據(jù)位已達(dá)到32位總線寬度，采樣頻率可以達(dá)到100MSps2。由于采用了高密度，屏蔽型，針孔式的連接器和卡式模塊可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性，但其昂貴的價(jià)格是阻礙它在自動(dòng)化領(lǐng)域普及的一個(gè)

23、重要因素。但是，并行總線系統(tǒng)在軍事等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展，可靠性不斷提高。串行總線傳送的是串行的位(bit)信號(hào),一般只適用于采集低頻或變化緩慢的傳感器或信號(hào)調(diào)理器輸出信號(hào)。其在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)工廠管理層局域網(wǎng)車間層的局域網(wǎng)和底層的設(shè)備網(wǎng)已經(jīng)可以有效地連接在一起，可以有效地把多臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控3。1.2 PCI總線概述1.2.1 微機(jī)總線概述任何一個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如果將各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一

24、組線路與CPU直接連接，那么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。為了簡化硬件電路設(shè)計(jì)、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連?？偩€是支持一種多于二個(gè)模塊（或子系統(tǒng)）間傳送信息的公共通路。計(jì)算機(jī)各組成部分可以通過總線傳送各種數(shù)據(jù)和命令4。初期的總線實(shí)際上就是微處理器芯片總線的延伸,是微處理器與外部硬件接口的通路。從微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的第一條標(biāo)準(zhǔn)化總線S-100總線于1975年出現(xiàn)至今,微機(jī)系統(tǒng)的性能,有了很大的提高,原先存在的一些總線標(biāo)準(zhǔn)已不適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)

25、展需要,因而有的被淘汰，有的進(jìn)行了改進(jìn)5 。一般微機(jī)系統(tǒng)的總線如圖1-1。圖1-1 微機(jī)系統(tǒng)的總線微機(jī)中總線一般有系統(tǒng)總線、局部總線和擴(kuò)充總線。系統(tǒng)總線是微機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連，如I2C總線、SPI總線、SCI總線等；而局部總線是微機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級(jí)的互連，如ISA總線、VESA 總線、PCI總線等；擴(kuò)充總線則是微機(jī)和外部設(shè)備之間的總線，微機(jī)作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級(jí)的互連，如RS-485總線、IEEE-488總線、USB總線等。從廣義上說，計(jì)算機(jī)通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應(yīng)的通

26、信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實(shí)時(shí)性好，但由于占用的口線多，不適于小型化產(chǎn)品；而串行通信速率雖低，但在數(shù)據(jù)通信吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信一般可分為異步模式和同步模式。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，總線技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善，而使計(jì)算機(jī)總線技術(shù)種類繁多，各具特色。1.2.2 PCI總線簡介PCI（Peripheral Component Interconnect，即外圍部件互連）由Intel在1992年發(fā)布，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集團(tuán)，其英文全稱為：Peripheral Co

27、mponent Interconnect Special Interest Group(外圍部件互連專業(yè)組)，簡稱PCISIG。PCISIG發(fā)表了PCI2.0技術(shù)規(guī)范，并在微機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的影響6。從創(chuàng)立規(guī)范發(fā)展至今， PCI總線已成為了計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線作為一種先進(jìn)的高性能32/64位局部總線，非常適合于顯卡、網(wǎng)卡、多串口卡等高速外設(shè)，PCI總線取代了早先的ISA總線成為微機(jī)系統(tǒng)的主流總線。當(dāng)然與在PCI總線后面出現(xiàn)專門用于顯卡的AGP總線和現(xiàn)在的PCI Express總線，但是PCI能從1992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點(diǎn)，比如即插即用(Plug and Play)、中斷共享

28、等。所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。而不象舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)配置。ISA卡的一個(gè)重要局限在于中斷是獨(dú)占的，而計(jì)算機(jī)的中斷號(hào)只有16個(gè)，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時(shí)就會(huì)有問題了。PCI總線硬件與軟件兩部分組成實(shí)現(xiàn)中斷共享。PCI總線具有嚴(yán)格的規(guī)范，這就保證了良好的兼容性符合PCI規(guī)范的擴(kuò)展卡可以插入任何PCI系統(tǒng)工作。和其他只為圖形加速或視頻操作的局部總線相比，PCI總線是一套更加整體化整體的系統(tǒng)解決方案。1.2.3 PCI總線的特點(diǎn)PCI總線不依附于某個(gè)具體處理器，是在CPU

29、和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體有一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送，支持多處理器和并發(fā)工作。PCI總線還具有良好的擴(kuò)展性，通過PCI-PCI橋路，可允許無限的擴(kuò)展7。具體來說，PCI總線具有以下特點(diǎn)：1)數(shù)據(jù)傳輸率高 PCI的數(shù)據(jù)總線寬度為32位，可擴(kuò)充到64位。它以33 MHz的時(shí)鐘頻率操作。因此，若采用32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)132 MB/s；而采用64位寬度，則最高傳輸速率可達(dá)264 MB/s。2)支持突發(fā)傳輸(Burst Transmission)通常的數(shù)據(jù)傳輸是先輸出地址后進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，即使所要傳輸數(shù)據(jù)的地址是連續(xù)的，每次也要有輸出

30、和建立地址的階段。而PCI支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸周期，該周期在一個(gè)地址相位(phase)后可跟若干個(gè)數(shù)據(jù)相位。這意味著傳輸從某一個(gè)地址開始后，可以連續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，而每次的操作數(shù)地址是自動(dòng)加l形成的。顯然，這減少了無謂的地址操作，加快了傳輸速度。這種傳輸方式對(duì)使用高性能圖形設(shè)備尤為重要。3)支持多主控器不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的。這樣做的好處是，一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由一個(gè)PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個(gè)PCI設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備，Target或Slave)?？偩€上的所有時(shí)序

31、的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時(shí)刻只能供一對(duì)設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個(gè)仲裁機(jī)構(gòu)(Arbiter)，來決定在誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。在同一條PCI總線上可以有多個(gè)總線主控器(主設(shè)備)，各個(gè)主控器通過總線仲裁競爭總線控制權(quán)。4)減少存取延遲PCI總線能夠大幅度減少外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需的時(shí)間，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩?。例如，?duì)于連接局域網(wǎng)的以太網(wǎng)控制器，其緩沖區(qū)隨時(shí)從網(wǎng)絡(luò)接收大量信息，如果等待總線使用權(quán)的時(shí)間過長，會(huì)使網(wǎng)卡無法及時(shí)在緩沖區(qū)溢出之前迅速將數(shù)據(jù)送給中央處理器，而被迫將接收的信息作額外的處理。5)獨(dú)立于處理器傳統(tǒng)的系統(tǒng)總線(如ISA總線)實(shí)際上是中央處理器信號(hào)

32、的延伸或再驅(qū)動(dòng)，而PCI總線以一種獨(dú)特的中間緩沖器方式，獨(dú)立于處理器，并將中央處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開。一般來說，在中央處理總線上增加更多的設(shè)備或部件，會(huì)降低系統(tǒng)性能和可靠程度。而有了這種緩沖器的設(shè)計(jì)方式，用戶可隨意增添外圍設(shè)備，而不必?fù)?dān)心會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。這種獨(dú)立于處理器的總線結(jié)構(gòu)還可保證外圍設(shè)備互連系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不會(huì)因處理器技術(shù)的變化而變得過時(shí)。 6)支持即插即用(Plug and Play)所謂即插即用，是指在新的接口卡插入PCI總線插槽時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別并裝入相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因而立即可以使用。即插即用功能使用戶在安裝接口卡時(shí)不必再撥開關(guān)或設(shè)跳線，也不會(huì)因設(shè)置有錯(cuò)而使接口卡或系統(tǒng)無

33、法工作。即插即用的硬件基礎(chǔ)是每個(gè)PCI接口卡(PCI設(shè)備)中的256個(gè)字節(jié)的配置寄存器。在操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)或在PCI接口卡剛接入時(shí)PCI總線驅(qū)動(dòng)程序要訪問這些寄存器，以便對(duì)其初始化，并裝入相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。7)數(shù)據(jù)完整性PCI總線提供了數(shù)據(jù)和地址的奇偶校驗(yàn)功能，保證了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。8)適用于多種機(jī)型PCI總線適用于各種規(guī)格的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)以及服務(wù)器等。通過支持33 V的電源環(huán)境，PCI局部總線可應(yīng)用在便攜式計(jì)算機(jī)中。在服務(wù)器環(huán)境下，往往要求能連接較多的外圍設(shè)備，而PCI總線規(guī)范規(guī)定一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中可同時(shí)使用多條PCI總線，這又使得PCI總線廣泛應(yīng)用于服務(wù)器中。9

34、)低成本、高可靠性PCI總線插槽短而精致(總線物理引腳窄且間距小)；為總線標(biāo)準(zhǔn)提供支持的PCI芯片均為超大規(guī)模集成電路，體積小而可靠性更高；PCI總線采用地址數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)，減少了引腳需求。這些使得PCI板卡的小型化成為可能，從而使成本降低，而可靠性提高。PCI總線的硬件曾進(jìn)行2000多小時(shí)的電子SPICE模擬試驗(yàn)驗(yàn)證3。1.3 PCI數(shù)據(jù)采集卡現(xiàn)狀綜述PCI數(shù)據(jù)采集卡在集成度上可以分成三代.第一代PCI數(shù)據(jù)采集卡采用PCI接口芯片+通用數(shù)字邏輯芯片+存儲(chǔ)芯片+數(shù)據(jù)采集芯片的模式，卡上芯片數(shù)量很多，功能也不容易做的強(qiáng)大，而且故障率高，生產(chǎn)成本也不容易降低。第二代PCI數(shù)據(jù)采集卡采用PCI接口芯片

35、+FPGA芯片+存儲(chǔ)芯片+數(shù)據(jù)采集芯片的模式，卡上資源比一代數(shù)據(jù)采集卡多，另外，在功能增強(qiáng)的情況下，沒有突破PCB制版面積的限制，生產(chǎn)成本比較低，故障率也有所降低。第三代PCI數(shù)據(jù)采集卡是目前各個(gè)公司正在研制的主流卡。該類卡將PCI接口邏輯與數(shù)據(jù)采集管理邏輯都做到同一片大容量FPGA中，這樣可以降低生產(chǎn)成本，同時(shí)出現(xiàn)故障的可能也在降低。另外，利用大容量FPGA可以嵌入更多的IP核，構(gòu)成一個(gè)更加強(qiáng)大的SOC系統(tǒng)，這樣可以大大提高數(shù)據(jù)采集卡的性能。目前，市面上又多款PCI采集卡出售，已經(jīng)商品化的PCI數(shù)據(jù)采集卡大多是第二代產(chǎn)品。研制PCI數(shù)據(jù)采集卡的公司不下十幾家?，F(xiàn)在，國內(nèi)研制PCI數(shù)據(jù)采集卡比

36、較著名的公司有研華公司和中泰公司等，每個(gè)公司都有上十款不同規(guī)格的PCI數(shù)據(jù)采集卡出售。以中泰創(chuàng)研的兩款多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡PCI-8333（圖1-2）和PCI8336（圖1-3）為例，這兩款卡分別是第一代和第二代數(shù)據(jù)采集卡，都具有12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，但PCI-8336采用了FPGA控制，輸入通道數(shù)達(dá)到了單端32路，雙端16路，是PCI-8336輸入通道數(shù)的兩倍，而且具有增益范圍可編程控制等優(yōu)勢，功能更為強(qiáng)大。同時(shí)板卡上的元器件有所減少，可靠性更高。圖1-2 ZTIC PCI-8333D圖1-3 ZTIC PCI-8336A第二章 PCI總線規(guī)范和接口設(shè)計(jì)方案2.1 PCI總線規(guī)范2.1.

37、1 PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)橋接器：Host /PCI橋和PCI/ISA橋8。圖2-1展示了PCI、擴(kuò)展系統(tǒng)、CPU及存儲(chǔ)器之間的連接關(guān)系。圖2-1典型的PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Host/PCI橋也稱為北橋（North Bridge），連接CPU和基本PCI總線，其中包括存儲(chǔ)器管理部件和AGP接口部件，使得PCI總線上的部件可以與CPU并行工作。PCI/ISA橋也稱為南橋（South Bridge，即標(biāo)準(zhǔn)總線橋路），連接基本PCI總線到ISA或EISA總線，其中包括中斷控制器、IDE控制器、USB主控制器和DMA控制器，它可將PCI總線轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)總線，如ISA, EISA等

38、，以便在標(biāo)準(zhǔn)總線上掛接低速設(shè)備如打印機(jī)、MODEM、傳真機(jī)、掃描儀等。北橋和南橋構(gòu)成芯片組，基本PCI總線上，可以連接一個(gè)或多個(gè)PCI橋，一個(gè)芯片組可以支持一個(gè)以上北橋。PCI系統(tǒng)由橋接器將處理器、存儲(chǔ)器、PCI和擴(kuò)展系統(tǒng)聯(lián)系在一起。PCI總線定義Memory(存儲(chǔ)器)空間、I/O(輸入/輸出)空間和配置空間3種地址空間，并具有兩種工作模式。其中主模式下的PCI設(shè)備具有總線控制權(quán)，可以實(shí)現(xiàn)DMA傳輸；而被主設(shè)備控制進(jìn)行通信的稱為從模式 (TARGET)。2.1.2PCI總線信號(hào)定義PCI總線引腳數(shù)為120條（包含電源、地、保留引腳等），總線的信號(hào)采用了復(fù)用技術(shù)，線數(shù)大大減少。PCI信號(hào)可分為必

39、備和可選兩大類。如果是主設(shè)備，必備信號(hào)為49條；如果是從設(shè)備，則必備信號(hào)是47條?？蛇x的信號(hào)為51條，主要用于64位擴(kuò)展、中斷請求和高速緩存支持等。利用這些信號(hào)線，可以處理數(shù)據(jù)、地址信息，實(shí)現(xiàn)接口控制、仲裁及系統(tǒng)功能。PCI總線信號(hào)如圖2-2所示圖2-2 PCI總線信號(hào)2.1.3 PCI總線的配置空間所有的PCI設(shè)備都必須實(shí)現(xiàn)配置空間，該空間分為首部區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)。首部區(qū)中的強(qiáng)制性寄存器有：供應(yīng)商代碼(Vendor ID)寄存器用于標(biāo)明設(shè)備制造商，設(shè)備代碼(Device ID)寄存器用于指明特定的設(shè)備 它由供應(yīng)商分配，版本識(shí)別(Revision ID)寄存器，首部類型 (Header Type

40、) 寄存器和類別寄存器(Class Code)以上五個(gè)寄存器均可用于PCI總線上設(shè)備的識(shí)別。另外，首部區(qū)中還有兩種必須實(shí)現(xiàn)的寄存器：其中命令寄存器用于存放PCI命令，而設(shè)備狀態(tài)寄存器則用于記錄PCI的狀態(tài)信息。操作系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)判斷系統(tǒng)中有多少存儲(chǔ)器以及I/O設(shè)備需要多少地址空間，然后建立統(tǒng)一的地址映射關(guān)系，這時(shí)的PCI設(shè)備需要用到基地址寄存器。另外，若要實(shí)現(xiàn)中斷，還必須設(shè)置中斷引腳(Interrupt Pin)寄存器和中斷線(Interrupt Line)寄存器。2.1.4 PCI總線的中斷機(jī)制PCI總線的硬件中斷方式分為邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)，PCI設(shè)備為低電平觸發(fā) (level-sensit

41、ive)。PCI總 線 上 有4條中斷請求信號(hào)線 INTA#、INTB#、INTC#、INTD#，中斷引腳寄存器的值01H04H分別對(duì)應(yīng)4條中斷線，單功能PCI設(shè)備只能使用INTA#。 此外，使用了中斷引腳的設(shè)備還必須實(shí)現(xiàn)中斷線寄存器。 POST例程 (加電自檢測程序) 在進(jìn)行系統(tǒng)初始化和配置時(shí)還要將中斷線信息寫入該寄存器 。PCI總線中斷是可以共享的這一方面解決了中斷資源緊張的問題，但另一方面也會(huì)給PCI中斷的實(shí)現(xiàn)帶來麻煩。2.1.5 PCI總線的操作PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸采用突發(fā)（Burst）方式，每次傳輸由一個(gè)地址周期和一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期組成。PCI總線的讀操作和寫操作時(shí)序分別如圖2-4和

42、圖2-4 所示。圖2-3 PCI總線讀操作時(shí)序圖2-4 PCI總線寫操作時(shí)序時(shí)序圖中橢圓部分表示一個(gè)周轉(zhuǎn)周期（Turnaround Cycle），即某信號(hào)線由一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)到另一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的過渡期，這樣可以避免2個(gè)設(shè)備同時(shí)驅(qū)動(dòng)一條信號(hào)線所造成的競爭4。PCI總線的信號(hào)大多由時(shí)鐘CLK的前沿取樣而起作用，每次總線交換都從幀信號(hào)FRAME#開始。在讀操作時(shí)序中,FRAME#有效后的第一個(gè)時(shí)鐘上升沿為地址周期,C/BE3:0#上出現(xiàn)的是讀命令。當(dāng)主控設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，置TRDY#有 效；當(dāng)目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，置TRDY#有效。數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在IRDY#和TRDY#均有效時(shí)的時(shí)鐘上升沿處，IR

43、DY#或TRDY#任一個(gè)無效都將使總線自動(dòng)插人1個(gè)等待周期。數(shù)據(jù)傳輸過程中，主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都可以請求終止當(dāng)前總線操作，通常情況下，主控設(shè)備通過置FRAME#為高，IRDY#為低來指示最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸。目標(biāo)設(shè)備則通過置STOP#有效來請求終止，然后由主控設(shè)備最終終止操作。在圖2-4所示的寫操作時(shí)序中，由于AD31:0一直由主控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，所以不需要周轉(zhuǎn)周期。寫操作其間的數(shù)據(jù)傳輸類似于讀操作。2.2 PCI接口設(shè)計(jì)方案2.2.1 采用CPLD或FPGA自行設(shè)計(jì)一般來說，CPLD結(jié)構(gòu)比較適合于實(shí)現(xiàn)PCI總線接口設(shè)計(jì)，該方法可根據(jù)系統(tǒng)需要有選擇的實(shí)現(xiàn)PCI的相應(yīng)功能，設(shè)計(jì)靈活，有利于系統(tǒng)優(yōu)化，而且具

44、有較高的性能價(jià)格比，節(jié)省板卡面積，但缺點(diǎn)是要求設(shè)計(jì)者對(duì)PCI總線協(xié)議必須有較深入的理解實(shí)現(xiàn)難度大。采用CPLD或FPGA等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口最大的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性，不受插卡功能的限制，如Altera公司的FLEX8000（CPLD），Xilinx公司的XC3100A（FPGA）等。首先對(duì)于一個(gè)典型的PCI設(shè)計(jì)，并非要實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)范中的所有功能，而是這些功能的一個(gè)子集，可編程邏輯器件可以依據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化，只實(shí)現(xiàn)必要的PCI接口功能，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源。其次可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個(gè)芯片上面實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，再者當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只

45、需要對(duì)可編程器件進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，而無需更新PCB版圖。目前幾乎所有的可編程器件生產(chǎn)廠商都提供經(jīng)過嚴(yán)格測試的PCI接口功能模塊，由用戶進(jìn)行簡單的組合設(shè)計(jì)即可，如Xilinx公司的Logicore,Altera公司的AMPP（Altera Megafunction Partners Program）等。采用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)PCI接口具有靈活的特點(diǎn)，但在實(shí)際中有一些限制。實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)定功能要完成邏輯校驗(yàn)、地址譯碼、實(shí)現(xiàn)配置所需的各類寄存器等PCI的基本要求，大致需要10000個(gè)門電路；可編程器件生產(chǎn)廠商提供的經(jīng)過嚴(yán)格測試的PCI接口功能模塊價(jià)格昂貴。用戶必須自己進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)難度大，調(diào)試?yán)щy。在小規(guī)

46、模的應(yīng)用中，就限制了可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)PCI接口的應(yīng)用。2.2.2 采用專用接口新芯片在PCI總線配置卡的設(shè)計(jì)中，采用專用PCI接口芯片來實(shí)現(xiàn)PCI接口，卡發(fā)人員只需要考慮用它來實(shí)現(xiàn)自己要求的功能，而不需要考慮PCI芯片的內(nèi)部構(gòu)造，這樣就是設(shè)計(jì)者可以把主要精力放在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡單的接口。但是，這種芯片必須具有較低的成本和通用性。目前只要少數(shù)廠家提供這類專用芯片。如AMCC（Applied Micro Circuits Corporation）公司的S5920（TARGET接口）、S5933（MASTER接口

47、）和PLX公司的PCI9052、PCi9054等，放置于系統(tǒng)或插卡與PCI總線之間，將復(fù)雜的PCI總線接口關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡單的8/16/32位附加總線接口關(guān)系，用于提供數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的接口電路。附加總線接口關(guān)系與ISA總線接口關(guān)系相似，使得原ISA板卡的設(shè)計(jì)者可以很容易地針對(duì)附加總線接口關(guān)系進(jìn)行PCI總線接口設(shè)計(jì)。2.2.3采用IP核設(shè)計(jì)如果設(shè)計(jì)者不想使用現(xiàn)有的PCI總線接口芯片以節(jié)約板卡面積，同時(shí)也不想對(duì)PCI總線進(jìn)行深入的理解，還可采用IP核來實(shí)現(xiàn)PCI接口，使得設(shè)計(jì)更有效、更快，尤其是便利于調(diào)試，靈活性好。IP核（Intellectual Property core）是一段具有特定電路功能的

48、硬件描述語言程序，該程序與集成電路工藝無關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。 PCI IP核有軟核、硬核之分。FPGA+PCI hard IP方式與專用PCI接口芯片相似，將PCI接口邏輯固化在FPGA里，設(shè)計(jì)者只需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)PCI用戶邏輯接口，并能通過頂層仿真驗(yàn)證PCI接口以及用戶設(shè)備邏輯設(shè)計(jì)的正確與否。而FPGA+PCI soft IP方式可以根據(jù)實(shí)際要求配置PCI軟核，然后設(shè)計(jì)者再將PCI軟核與PCI用戶邏輯集成在一片F(xiàn)PGA中，并可以在頂層通過仿真及下板編程驗(yàn)證PCI接口以及用戶邏輯設(shè)計(jì)的正確與否。因此，這種方式的特點(diǎn)是具有功能強(qiáng)、速度高、可靠性好、占用板卡面積少、

49、硬件成本最低，但卡發(fā)系統(tǒng)比較昂貴。2.3.4 接口方案選擇由以上幾種接口方案比較可知，用可編程邏輯器件可以較為靈活地實(shí)現(xiàn)所需功能。但是為了達(dá)到PCI規(guī)范的嚴(yán)格要求，需要作大量的邏輯驗(yàn)證、時(shí)序分析和程序調(diào)試。而采用可編程邏輯器件廠商提供的功能模塊或IP核設(shè)計(jì)價(jià)格比較昂貴。采用PCI接口芯片可以比較容易地實(shí)現(xiàn)PCI接口，無路從技術(shù)或者成本都是比較理想的選擇。PCI9052具有強(qiáng)大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡單的解決方案，設(shè)計(jì)者只需設(shè)計(jì)局部總線接口控制電路，即可實(shí)現(xiàn)與PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸9。2.3 PCI9052接口芯片2.3.1 PCI9052接口芯片的功能特性&

50、#160; PCI9052是PLX公司開發(fā)的低價(jià)位PCI總線目標(biāo)接口電路,功耗低,采用PQFP型160引腳封裝,符合PCI2.1規(guī)范,它的局部總線(LOCAL BUS)可以通過編程設(shè)置為8/16/32位的(非)復(fù)用總線，數(shù)據(jù)傳送率可達(dá)到132Mb/s,提供了ISA接口，可以使ISA適配器迅速、低成本地轉(zhuǎn)換到PCI總線上。主要功能與特性如下所述：  1）異步操作PCI9052的Local Bus與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行,兩總線的異步運(yùn)行便于高、低速設(shè)備的兼容。Local Bus的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍為0MHz40MHz,TTL電平，PCI的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍為0MHz33MH

51、z。2）支持突發(fā)操作PCI9052提供一個(gè)64字節(jié)的寫FIFO和一個(gè)32字節(jié)的讀FIFO,從而支持預(yù)取模式即突發(fā)操作。3）中斷產(chǎn)生器可以由Local Bus的二個(gè)中斷信號(hào)LINTi1和LINTi2產(chǎn)生一個(gè)PCI中斷信號(hào)INTA。4）串行EEPROM接口用于存放PCI總線和Local總線的配置信息。5）5個(gè)局域總線地址空間和4個(gè)片選基址和地址范圍可以由串行EEPROM或主控設(shè)備進(jìn)行編程。6）總線驅(qū)動(dòng)所有地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)都有PCI9052直接驅(qū)動(dòng)，不用額外的驅(qū)動(dòng)電路。7）Local bus等待狀態(tài)除了等待信號(hào)LRDYI用于握手之外,PCI9052還有一個(gè)內(nèi)部等待產(chǎn)生器(包括地址到數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)

52、到數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)到地址周期的等待)。8）PCI鎖定機(jī)制主控設(shè)備可以通過鎖定信號(hào)占有對(duì)PCI9052的唯一訪問權(quán)。 9）ISA總線模式PCI9052提供一個(gè)ISA邏輯接口，用戶可直接使PCI總線和ISA總線相連,可以非常容易地將ISA設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到PCI。PCI9052的接口示意圖如圖2-5所示。圖2-5 PCI9052的接口示意圖2.3.2 PCI9052的芯片操作1）初始化和復(fù)位在上電過程中，PCI9052的內(nèi)部寄存器有PC總線的RS信號(hào)復(fù)位，并給以響應(yīng)信號(hào) RETRY,在 LOCAL BUS上輸出LRESET# 信號(hào)，還要檢查串行EEPROM否存在,如果安裝EEPROM并且它的前16

53、位不為FFFFH，則PCI9052用EEROM中的值來配置片內(nèi)的寄存器，否則使用缺省值。PCI總線上主控設(shè)備還可通過軟件的途徑(在NCTRL寄存器中設(shè)置相的位)對(duì) PCI9052 復(fù)位,并給出 LRESET# 信號(hào)。采用這種復(fù)位后，主設(shè)備只能訪問PCI9052的配置寄存器，而不能訪問LOCBUS，直到由主設(shè)備將軟件復(fù)位的位清除為止。2）片內(nèi)寄存器訪問為了接口設(shè)計(jì)的最大靈活性，PCI9052提供了兩種類型的片內(nèi)寄存器，它們分別是PCI配置寄存器和局部配置寄存器，二者都可以PCI總線和串行EEPROM訪問，也可以通過設(shè)置寄存器 CNTRLCNTRL禁止對(duì)串行EEPROM的訪問。3） 直接數(shù)據(jù)傳輸模

54、式PCI9052支持PCI主設(shè)備直接訪問LOCAL BUS的設(shè)備，數(shù)據(jù)的傳輸方式分為內(nèi)存映射的突發(fā)傳輸和I/O映射的單次傳輸,并由PCI基地址寄存器設(shè)置其在 PCI內(nèi)存和I/O空間的合適位置，局部映射寄存器還允許PCI地址空間轉(zhuǎn)換到局部地址空間。4） PCI 中斷的產(chǎn)生PCI 規(guī)范定義了四個(gè)中斷信號(hào)，以INTA#為例,要產(chǎn)生PCI中斷INTA#，首先要將寄存器INTCST的第6位(PCI中斷使能位)設(shè)置為1；如果需要以軟件方式產(chǎn)生中斷，則只需將INTCST的第7位(軟件中斷位)設(shè)置為1即可。第三章 數(shù)據(jù)采集卡硬件電路設(shè)計(jì)3.1 數(shù)據(jù)采集卡硬件電路結(jié)構(gòu)PCI數(shù)據(jù)采集卡是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它插入計(jì)算

55、機(jī)的PCI插槽，工作是靠計(jì)算機(jī)PCI插槽供電，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，依靠符合PCI協(xié)議的通信格式，將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)主板，并在操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的配合下，將數(shù)據(jù)發(fā)送個(gè)虛擬示波器或邏輯儀進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)采用FPGA進(jìn)行邏輯控制，這樣有利于減少數(shù)據(jù)采集卡上的芯片數(shù)量，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的硬件電路包括前端模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制電路和PCI總線接口電路三部分，如圖3-1所示。實(shí)際上，圖中的結(jié)構(gòu)可分為兩部分組成，即數(shù)據(jù)通道子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。除了數(shù)據(jù)采集功能部分還有電源模塊。圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖硬件設(shè)計(jì)繪圖使用Altium Designer 10計(jì)算機(jī)輔助電路

56、繪圖軟件完成，Altium Designer 10最為Altium公司最新版本的產(chǎn)品，繼承了Protel DXP 2004功能全面，繪制查圖方便的優(yōu)點(diǎn)，添加了三維PCB設(shè)計(jì)功能和FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的新功能，界面更加簡潔和人性化，為電子產(chǎn)品開發(fā)提供了一套完整的解決方案。3.2 電源供電電路電源模塊的外部供電由PCI插槽提供5V電源，電源模塊的主要作用是將PCI插槽提供的5V電源進(jìn)行濾波，去除高低頻波。電源模塊使用NR5D5/100A電源模塊，單路5V直流輸入，輸出一路±5V直流電壓。另外由于PCI數(shù)據(jù)采集卡還需要3.3V的直流電源，因此數(shù)據(jù)采集卡上還包含5V直流轉(zhuǎn)3.3V直流的穩(wěn)壓電源部分。該部分使用了AX1117M-ADJ低壓差正電壓穩(wěn)壓器和RC117M-33低壓先行穩(wěn)壓器，分別向模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA提供3.3V直流電壓。為了使數(shù)據(jù)采集卡上的各個(gè)芯片都能對(duì)噪聲有良好的抑制，還需要進(jìn)行退耦設(shè)計(jì)，以消除供電電路中電流沖動(dòng)對(duì)正常工作的影響。退耦電路采用旁路電容接地或大電容與小電容并聯(lián)的方法。一般芯片的供電引腳采用旁路一個(gè)0.1F的退耦電容接地，因?yàn)檫@些地方的信號(hào)主要是高頻信號(hào)，使用小電容即可。對(duì)供電穩(wěn)定要求較高的電路使用0.1F電容與10F電容并聯(lián)接地，這樣就可以很好的屏蔽高頻和低頻信號(hào)。另外，濾波電容離芯片的位置越近越好。3.3 FPGA控制電路FP