基于PCI總線DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第25卷第8期2006年8月國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)Foreign Elect ronic Measurement TechnologyVol.25,No.8Aug.,2006 作者簡(jiǎn)介:賴曉斌(1978-,男,西南石油大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)镈SP 應(yīng)用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集。研究與設(shè)計(jì)基于PCI 總線DSP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)賴曉斌胡澤賴欣(西南石油大學(xué)成都610500摘要:文中提出基于PCI 局部總線DSP 通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,該方案采用TMS320VC5416作為外圍核心處理單元,PCI2040作為PCI 橋芯片,TL V1572作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,具有高速度,低成本的優(yōu)

2、點(diǎn)。給出PCI 接口硬件設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵點(diǎn),介紹基于Windows2000操作系統(tǒng)的WDM 驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)及原理,驅(qū)動(dòng)程序的基本功能的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的通信技術(shù),介紹了實(shí)現(xiàn)DSP 自啟動(dòng)的方式。關(guān)鍵詞:PCI 總線DSP 數(shù)據(jù)采集WDM 驅(qū)動(dòng)程序Design of data acquisition system based on DSP and PCILai XiaobinHu ZeLai Xin(S out hwest Pet roleum Universit y ,Cheng du610500Abstract :The article p resent s a universal

3、 system of data acquisition and p rocessing based on PCI bus and digital signal processor.In t his system ,TMS320VC5416is applied as a perip heral process 2ing unit ,PCI2040as PCI 2DSP is used as bridge ,and TL V1572as analog 2to 2digital converter (ADC .Data acquisition is achieved by software prog

4、ram.It has many characteristics ,such as high speed and low cost.Design of PCI interface is int roduced.It focus on t he WDM s framework and p rinciple ,t he implementation way of t he basic f unction of t he device driver and t he communication between t he application program and device driver bas

5、ed on Windows2000operating system.K eyw ords :PCI bus ,DSP ,data acquisition ,WDM driver.0引言PCI 總線是高性能32/64位地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的外部總線,可以支持多種外圍設(shè)備,其設(shè)計(jì)是獨(dú)立于處理器,為CPU 及高速外圍設(shè)備的通信提供一座橋梁,提高數(shù)據(jù)傳輸率。此外,PCI 總線采用線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式,確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù),完全兼容現(xiàn)有PC 機(jī)軟硬件能力。因此在CPU 與高速緩存,高速圖像處理及高速數(shù)據(jù)采集等需要高速傳輸信息的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的基于PCI 總線和DSP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集

6、、數(shù)據(jù)交換及顯示。文中主要討論數(shù)據(jù)的采集,PCI 與DSP接口,WDM 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。1系統(tǒng)總體方案如圖1所示,數(shù)據(jù)采集和處理部分都集成在一圖1系統(tǒng)總體方案塊PCI 插卡上,采用TI 公司的PCI 轉(zhuǎn)用接口芯片PCI20401實(shí)現(xiàn)PCI 總線協(xié)議,以半雙工模式完成主機(jī)與DSP 之間的數(shù)據(jù)交換?？紤]到數(shù)據(jù)采集卡的適用性與設(shè)計(jì)的靈活性,A/D 采用了TI 公司的單通道10位串行A/D 轉(zhuǎn)換器TLV1572;DSP 選用了目前C54X 系列中性能較高的單核處理器TMS320VC54162。由于TL V1572能與DSP 的McBSP 實(shí)現(xiàn)直接連接,只是要注意在布局的時(shí)候需盡量遠(yuǎn)離

7、DSP 器件,A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)到達(dá)串口后由DSP 讀取并存到軟件指定的存儲(chǔ)區(qū)域,供需要的器件讀取;DSP 作為PC 機(jī)與外界之間的協(xié)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處2006年第8期賴曉斌等:基于PCI總線DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)33理,將采集得到的數(shù)據(jù)處理后送往PC機(jī)。2系統(tǒng)的總線接口設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)PCI總線3具有高性能、線性突發(fā)傳輸、極小的存取延誤、不受處理器限制、適合各種機(jī)型、兼容性強(qiáng)、低成本高效益等優(yōu)勢(shì),在嵌入式計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。PCI總線協(xié)議有兩種實(shí)現(xiàn)方式。(1利用總線接口的專用芯片實(shí)現(xiàn)協(xié)議,常見(jiàn)的是AMCC公司的S5933,PL X公司的PCI90xx系列,以及Texas

8、 Inst rument s公司的PCI2040等,這種方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,而且非?？煽?。(2使用FP GA實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議。將PCI core導(dǎo)入到FP GA中,或者可以完全定制。這種方法的成本相對(duì)低廉,但是一次購(gòu)買PCI core的價(jià)格比較高。如果自己定制,復(fù)雜程度很大,而且可靠性不容易得到保證,開(kāi)發(fā)難度很大。本文中的PCI接口采用第一種方式。雖然常用的專用接口芯片如S5933,PL X9052/9054等的應(yīng)用比較成熟,但是不便于與DSP連接,因此本系統(tǒng)采用由美國(guó)TI公司生產(chǎn)的PCI2040。它能與TI公司的DSP進(jìn)行無(wú)縫連接,無(wú)須進(jìn)行任何電平或邏輯轉(zhuǎn)換,不但加快了開(kāi)發(fā)速度,且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定

9、性和抗干擾能力。PCI2040與DSP及PCI插槽金手指之間的連接比較簡(jiǎn)單,需要注意的是PCI卡的電源設(shè)計(jì)與布局布線的要求:(1電源部分:每個(gè)Vcc引腳上必須要有電源對(duì)地的去耦電容,且容量至少為0.01F以保證對(duì)地去耦。(2布局布線要求:所有32位接口信號(hào)的最大走線長(zhǎng)度為1.5英寸;系統(tǒng)上時(shí)鐘信號(hào)CL K走線長(zhǎng)度為2.5±0.1英寸;與金手指相連的PCI元件其引腳電容必須小于10p F以保證信號(hào)的完整性。只有滿足上述限制約束條件,才能保證系統(tǒng)信號(hào)的完整性,滿足PCI局部總線的電氣規(guī)范,系統(tǒng)才能穩(wěn)定的工作。3系統(tǒng)的WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)43.1WDM驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)及原理5在PCI設(shè)備的WDM

10、模型中,每個(gè)硬件設(shè)備至少有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序,底層的總線驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接。上層的功能驅(qū)動(dòng)程序,它了解有關(guān)硬件工作的所有細(xì)節(jié),知道如何控制設(shè)備的主要功能,需要處理PCI設(shè)備的初始化,PCI設(shè)備的內(nèi)存,端口的讀寫(xiě),中斷處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)?實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備的功能,因此PCI 設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序是標(biāo)準(zhǔn)的WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。WDM驅(qū)動(dòng)程序是分層的,在不同層上的驅(qū)動(dòng)程序有不同的優(yōu)先級(jí),同時(shí)它還提供了一個(gè)128位的全局唯一標(biāo)識(shí)符GU ID來(lái)識(shí)別驅(qū)動(dòng)程序。另外, WDM還引入了功能設(shè)備對(duì)象FDO與物理設(shè)備對(duì)象PDO兩個(gè)新概念來(lái)描述硬件,其中FDO是設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序中的代表,PDO是

11、系統(tǒng)中的代表。開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H上就是開(kāi)發(fā)FDO。3.2驅(qū)動(dòng)程序基本功能的實(shí)現(xiàn)6在Windows2000操作系統(tǒng)環(huán)境下,驅(qū)動(dòng)程序主要用Windows2000DD K與VC+6.0進(jìn)行設(shè)計(jì), DriverSt udio2.7對(duì)DD K進(jìn)行了封裝后,利用向?qū)Э梢陨沈?qū)動(dòng)程序框架,大大提高開(kāi)發(fā)速度和效率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序被載入時(shí),內(nèi)核調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序全局初始化例程Driver Ent ry;當(dāng)用戶插入新設(shè)備時(shí),調(diào)用AddDevice例程用以創(chuàng)建WDM設(shè)備對(duì)象;在PnP啟動(dòng)例程O(píng)nStartDevice中,驅(qū)動(dòng)程序初始化KMemoryRange與KIo Range類實(shí)例,順序分配基地址寄存器分別對(duì)應(yīng)于PCI204

12、0操作寄存器的內(nèi)存映射地址與I/O映射地址,實(shí)現(xiàn)設(shè)備卡配置空間的分配以達(dá)到系統(tǒng)識(shí)別和資源分配的目的。DriverWorks的KPciConfiguration類封裝了訪問(wèn)PCI設(shè)備配置空間的所有操作。首先初始化這個(gè)類的實(shí)例:KPciCo nfiguration PciConfig(m_Lower.TopOf2 Stack(;初始化完后就可以利用成員函數(shù)ReadBaseAd2 dress/WriteBaseAddess讀寫(xiě)基地址寄存器了。DriverWorks的KIo Range類封裝了端口訪問(wèn)的操作。首先創(chuàng)建實(shí)例:KIo Range m_Io Por2 t Range0;再用類實(shí)例中初始化函數(shù)

13、來(lái)初始化這個(gè)實(shí)例:N TSTA TU S stat us=m_Io Port Range0.Initialize (p Reslist Translated,p Reslist Raw,PciConfig.BaseAddressIndex ToOrdinal(0;34國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)第25卷初始化是否成功可以通過(guò)檢查返回值來(lái)判斷:if (N T_SUCCESS(stat us初始化成功Else失敗;成功初始化后就可以調(diào)用KIo Rang類成員函數(shù)inb(/out b(等,從端口讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。如:m_Io Port Range0.inb(UNLON G ByteOff set,PUCHAR Buff

14、er,ULON G CountDriverWorks的KMemoryRange類封裝了內(nèi)存訪問(wèn)的操作。他的操作和I/O端口的訪問(wèn)相類似。首先創(chuàng)建實(shí)例:KIo Range m_Memoryt Range0;再用類實(shí)例中初始化函數(shù)來(lái)初始化這個(gè)實(shí)例:N TSTA TU S stat us=m_Memoryt Range0.Initial2 ize(p Reslist Translated,p Reslist Raw,PciConfig.BaseAddressIndex ToOrdinal(0;初始化是否成功可以通過(guò)檢查返回值來(lái)判斷:if (N T_SUCCESS(stat us初始化成功Else失敗

15、;成功初始化后就可以調(diào)用KMemo2 ryRange類成員函數(shù)inb(/out b(等,從內(nèi)存讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。如:m_Memoryt Range0.inb(UNLON G ByteOff set,PUCHAR Buffer,ULON G Count3.3驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序與DSP之間的通信在驅(qū)動(dòng)程序中,利用DriverW orks的生成向?qū)r(shí)填寫(xiě)的控制代碼,在驅(qū)動(dòng)程序中就可以生成如下代碼: #define PCI2040_READ_HPI_CSR CTL_CODE (FIL E_D EV ICE_UN KNOWN,0x800,M ET HOD_BU FFERED,FIL E_AN Y_ACCESS然

16、后在設(shè)備類中定義該代碼的IRP函數(shù):如N TSTA TU S PCI2040_READ_HPI_CSR_Handler (KIrp I;接著在設(shè)備類的實(shí)現(xiàn)函數(shù)中處理來(lái)自設(shè)備控制請(qǐng)求的句柄,如virt ual N TSTA TU S DeviceCont rol(KIrp I; case PCI2040_READ_HPI_CSR_Handlerstat us=PCI2040_READ_HPI_CSR_Handler (I;break;最后實(shí)現(xiàn)設(shè)備請(qǐng)求的句柄函數(shù):如N TSTA TU S PCI2040Device:PCI2040_READ_ HPI_CSR_Handler(KIrp I;通過(guò)以上

17、的步驟就在驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部建立了處理來(lái)自設(shè)備的IRP的流程。在win2000中,應(yīng)用程序與WDM驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)通信的過(guò)程是:應(yīng)用程序首先用HANDL E OpenByInterface(GU ID3p Class Guid,DWORD instance,PDWORD p Error打開(kāi)設(shè)備句柄,接著用CreateFile函數(shù)通過(guò)GU ID接口或者符號(hào)連接名打開(kāi)設(shè)備,然后在應(yīng)用程序中利用DeviceIoControl函數(shù)調(diào)用控制代碼就可以和WDM進(jìn)行雙向通信了,包括從WDM中讀取數(shù)據(jù)及輸出數(shù)據(jù)給WDM兩種情況,也可以用ReadFile從WDM中讀數(shù)據(jù)或者用WrireFile寫(xiě)數(shù)據(jù)給WDM,當(dāng)應(yīng)用程序退

18、出時(shí),用Clo se Handle關(guān)閉設(shè)備。PCI2040作為PCI與DSP的接口芯片,驅(qū)動(dòng)程序及DSP的操作都面向PCI2040,PCI2040為WDM提供了內(nèi)存映射HPI控制與狀態(tài)寄存器(CSR;面向DSP的H PI寄存器,C5416提供了增強(qiáng)型的H PI8接口,微機(jī)作為Host可以通過(guò)HPIA 地址寄存器、HPID數(shù)據(jù)寄存器和H PIC控制寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的片內(nèi)空間的完全訪問(wèn)。由于PCI2040將DSP中的HPIA,HPID, HPIC都通過(guò)內(nèi)存映射的方式映射到了內(nèi)存,通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序之間的配合及以上建立的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序通信的流程,在應(yīng)用程序中只要有讀寫(xiě)H PI的設(shè)備請(qǐng)求的句

19、柄,驅(qū)動(dòng)程序就可以自然的處理這些句柄即對(duì)DSP的HPI的3個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)了。4DSP的自啟動(dòng)C5416的在片內(nèi)ROM內(nèi)含有DSP系統(tǒng)的自舉加載BootLoader程序,系統(tǒng)上電后按照Boot2 Loader可將代碼以多種方式送入DSP片內(nèi)高速程序空間執(zhí)行。具體實(shí)現(xiàn)方法是:首先通過(guò)CCS將滿足要求的程序編譯成可執(zhí)行程序.out文件,然后用TI公司提供的轉(zhuǎn)換程序?qū)⒃摮绦蜣D(zhuǎn)換成.dat文件,最后利用燒錄程序通過(guò)仿真器將程序燒錄到擴(kuò)展空2006年第8期賴曉斌等:基于PCI總線DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)35間FL ASH中去,當(dāng)DSP上電的時(shí)候BootLoader 程序會(huì)自動(dòng)的將程序通過(guò)并口讀到高速內(nèi)存進(jìn)

20、行全速運(yùn)行。5結(jié)論通過(guò)以上的設(shè)計(jì),搭建了一個(gè)初步的DSP&PCI 硬件應(yīng)用平臺(tái),并在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上,通過(guò)開(kāi)發(fā)功能各異的M FC 應(yīng)用程序,WDM驅(qū)動(dòng)程序,DSP應(yīng)用程序,可以實(shí)現(xiàn)豐富的功能。通用功能建成函數(shù)庫(kù),又可以較方便的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)壓縮,語(yǔ)音壓縮存儲(chǔ)等新功能,適應(yīng)目前系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)的通用性和可復(fù)用性,突出了系統(tǒng)集成中軟件開(kāi)發(fā)的重要性。參考文獻(xiàn)1PCI2040PCI2DSP Bridge Controller Data ManualM.Texas Instruments Incorporated,1999.2TMS320VC5416Fixed2Point Digi

21、tal Signal ProcessorZ.Texas Instruments Incorporated,2001.3李貴山,戚德虎.PCI局部總線開(kāi)發(fā)者指南M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.4尹勇,李宇.PCI總線設(shè)備開(kāi)發(fā)寶典M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.5Windows2000WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)OL.www.cctr. detail.asp?id=8622k231k.6Microsoft Windows2000Driver Development Kit Doc2umentM.Microsoft,2000.333333333333333333333333333333

22、3333333333333333 Agilent8960無(wú)線測(cè)試儀為3G開(kāi)發(fā)商提供全新的H SDPA包數(shù)據(jù)測(cè)試和雙小區(qū)仿真能力安捷倫科技公司宣布,針對(duì)Agilent W2CDMA/ HSDPA和GSM/GPRS/EGPRS實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用推出多種先進(jìn)的3G解決方案,并將通過(guò)Agilent8960無(wú)線測(cè)試儀來(lái)提供。這些解決方案可幫助研發(fā)工程師和集成工程師在保證原有設(shè)計(jì)性能水平的同時(shí),盡快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。目前,8960W2CDMA/HSPDA實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用可以支持FRC通道,包括同時(shí)支持RB和FDD測(cè)試模式能力。還將發(fā)布針對(duì)該產(chǎn)品的多項(xiàng)增強(qiáng)特性,其中包括:端對(duì)端數(shù)據(jù)連接能力,它將使用戶能夠建立一條采用HSPDA的IP數(shù)據(jù)通道,在測(cè)試臺(tái)上仿真最終用戶的應(yīng)用體驗(yàn);HSDPA數(shù)據(jù)吞吐量監(jiān)視器,使設(shè)計(jì)師可通過(guò)數(shù)據(jù)通道查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)速率。無(wú)線協(xié)議分析軟件(Wireless Protocol Advisor還會(huì)增加對(duì)HSDPA的支持。這獨(dú)特的實(shí)時(shí)分析工具可以快速確定和解決最難處理的協(xié)議問(wèn)題。Agilent8960的HSDPA包數(shù)據(jù)通道,使開(kāi)發(fā)商能夠測(cè)試HSDPA應(yīng)用的功能和HSDPA