基于PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

第第頁(yè)基于pci總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和控制、測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)展，許多工程技術(shù)人員都將pc機(jī)作為控制、測(cè)量開(kāi)發(fā)的首選平臺(tái)。而pci(peripheralcomponentinterconnect，即外圍部件互連)作為一種高性能、通用的局部總線(xiàn)，是目前計(jì)算機(jī)插卡式外設(shè)總線(xiàn)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。pci總線(xiàn)具有32／64位總線(xiàn)寬度。地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用，支持猝發(fā)傳輸，傳輸速率高達(dá)132mb／s；系統(tǒng)占用率低，具有較好的兼容性；有完備的即插即用(pnp)管理體制，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。雖然pci總線(xiàn)也經(jīng)受了從pci、pci-x到pciexpress的進(jìn)展，但pci總線(xiàn)因?yàn)榇嬖跁r(shí)光長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)資料眾多，在對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量要求不是很高的工業(yè)控制、測(cè)量領(lǐng)域仍有著堅(jiān)韌的生命力。筆者在學(xué)習(xí)了相關(guān)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于pci總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡，可以完成8路數(shù)字量i／o及4路差分14位a／d采集功能。本文將按照筆者的實(shí)際閱歷，介紹pci接口擴(kuò)展卡的軟硬件設(shè)計(jì)流程。

1pci總線(xiàn)工作方式簡(jiǎn)介

pci總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)由intel于1991年提出，后由pci-sig(pcispecialinterestgroup)接替了pci規(guī)范的進(jìn)展。pci總線(xiàn)是一種時(shí)分復(fù)用的雙向應(yīng)答總線(xiàn)，傳輸發(fā)起方稱(chēng)為主設(shè)備，接收方稱(chēng)為從設(shè)備。其主要信號(hào)定義如下：

rfame：由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為低，指示一次傳輸?shù)拈_(kāi)頭。

devsel：由從設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為低，指示響應(yīng)傳輸哀求。

ado～ad31：地址、數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)。pci總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個(gè)地址周期和多個(gè)數(shù)據(jù)周期組成。首先給出本次傳輸?shù)氖椎刂?，后面緊跟一個(gè)或多個(gè)4字節(jié)寬的數(shù)據(jù)，延續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，其地址自動(dòng)遞增。

c／be0～c／be3：這4根線(xiàn)在地址傳送周期，傳輸?shù)氖强偩€(xiàn)指令，c／be0～c／be3的不同組合指示在ad0～ad31上將要舉行何種類(lèi)型的操作，其代表的總線(xiàn)指令見(jiàn)表1；在數(shù)據(jù)傳送周期，傳輸?shù)氖亲止?jié)始能信號(hào)，用來(lái)表示在囫圇數(shù)據(jù)期間，ad31～ad0上的哪些字節(jié)為有效數(shù)據(jù)。

irdy、trdy：分離表示主設(shè)備預(yù)備好和從設(shè)備預(yù)備好。在傳輸過(guò)程中，惟獨(dú)irdy和trdy同時(shí)有效，傳輸才干繼續(xù)；否則插入等待周期，用于在不同速度的設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作。

表1地址傳送周期時(shí)。c／be0～c／be3所代表的總線(xiàn)指令prsnt1、prsnt2：pci板對(duì)電源的哀求信息，詳細(xì)含義見(jiàn)表2。

將pci接口卡插入計(jì)算機(jī)插座，加電后，bios會(huì)按照pci接口卡上的配置信息，為其分配相應(yīng)的i／o端口、存儲(chǔ)器空間、中斷及dma等計(jì)算機(jī)資源。

2pci接口卡的硬件設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的pci數(shù)據(jù)采集卡用法的pci接口芯片是ch365，ch365可將32位高速pci總線(xiàn)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)便易用的類(lèi)似于isa總線(xiàn)的8位主動(dòng)并行接口，支持240字節(jié)的i／o端口映射、32k字節(jié)的存儲(chǔ)器映射、擴(kuò)展rom以及中斷。本數(shù)據(jù)采集卡僅用法了i／o端口映射及中斷功能。本pci數(shù)據(jù)采集卡用法maxim公司的4通道14位、差分、同時(shí)采樣：max1338，實(shí)現(xiàn)a／d轉(zhuǎn)換功能，并將max1338的／eolc引腳與ch365的int_req引腳相連，以便在adc轉(zhuǎn)換完成后，向pc機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。用法兩片74hc273作為輸出，一片用作8路i／o輸出，另一片用作對(duì)max1338控制指令的輸出。用法兩片74hc373作為輸入，一片用作8路i／o輸入，另一片采集max1338的狀態(tài)指示信號(hào)。用法tlp521-4對(duì)8路i／o輸入、輸出舉行光電隔離。用法74ls138作為地址譯碼。

在制作印制板時(shí)，ch365的vcc與gnd間應(yīng)就近放置容量為0．1μf高頻、低esr的多層瓷片，銜接pci總線(xiàn)的電源線(xiàn)引腳可以自由挑選，但數(shù)量不宜少于4對(duì)。ch365屬于高頻數(shù)字，應(yīng)當(dāng)考慮信號(hào)阻抗匹配，在設(shè)計(jì)板時(shí)需要參考pci總線(xiàn)規(guī)范。建議ch365的pci信號(hào)線(xiàn)的長(zhǎng)度都小于35mm，盡量走弧線(xiàn)或者45度線(xiàn)，避開(kāi)直角或者銳角走線(xiàn)，并且盡量將信號(hào)走線(xiàn)布在元件面；ch365的pci時(shí)鐘線(xiàn)clk的長(zhǎng)度盡量保持在50mm～65mm之間，并且不宜逼近其它信號(hào)線(xiàn)；在pcb背面保留大面積的接地覆銅，以削減周邊信號(hào)線(xiàn)的干擾。雖然pci總線(xiàn)規(guī)范推舉用法四層板，但考慮成本等因素，可用法雙面板，雙面覆銅接地。筆者做的pci數(shù)據(jù)采集卡即為雙面板，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，該卡能夠穩(wěn)定工作。

3pci接口卡驅(qū)動(dòng)程序及軟件設(shè)計(jì)

在windows系統(tǒng)中，為避開(kāi)因不當(dāng)?shù)挠布僮鞫鴮?dǎo)致系統(tǒng)崩潰，應(yīng)用程序不再具有挺直的硬件拜訪(fǎng)權(quán)，假如要操作硬件，必需借助設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要功能是完成對(duì)硬件板卡的內(nèi)存映像地址、i／o地址的存取，并正確處理來(lái)自板卡的硬件中斷。

microsoft為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)提供了“windowsde-vicedriverskit”(簡(jiǎn)稱(chēng)ddk)工具，它包含了驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)所需的各種類(lèi)型的定義和內(nèi)核函數(shù)庫(kù)。用ddk編制的驅(qū)動(dòng)程序有很高的運(yùn)行效率，但是開(kāi)發(fā)難度大，測(cè)試流程繁瑣。為減輕驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)者的負(fù)擔(dān)，無(wú)數(shù)第三方廠(chǎng)商提供了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的軟件。如numega公司的driverstudio軟件，jungo公司的windriver／kerneldriver軟件等。尤其是windriver／kerneldriver不要求開(kāi)發(fā)者十分認(rèn)識(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，把握核心開(kāi)發(fā)、調(diào)試學(xué)問(wèn)，即可在幾分鐘之內(nèi)開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。但windriver的運(yùn)行效率較低，因此，在對(duì)運(yùn)行效率較高的場(chǎng)合，可用法kerneldriver舉行開(kāi)發(fā)，以提高運(yùn)行效率。

因?yàn)楸静杉ǖ臄?shù)據(jù)吞吐量不高，因此采納windri-ver6．21舉行驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：

(1)運(yùn)行windriver程序，挑選"createanewdriverpro-ject”；

(2)在彈出的“selectyourdevice”窗口中，從列表中挑選自己的硬件設(shè)備。因?yàn)閏h365的默認(rèn)廠(chǎng)商標(biāo)識(shí)(vendor－id)為4348h，設(shè)備標(biāo)識(shí)(deviceid)為5049h，因此選中“pci：vendorid4348deviceid5049”的pci設(shè)備(1)。

(3)單擊“generate．inffile”按鈕，產(chǎn)生采集卡的驅(qū)動(dòng)安裝信息文件。注重：需選中“automaticallyinstalltheinffile”復(fù)選框，以便可以在(4)步中測(cè)試采集卡(2)。

(4)在“defineandtestresourcesforyourdevice”窗口中，設(shè)置采集卡的i／o地址及變量名，對(duì)于即插即用(plug－and－play)設(shè)備，windriver會(huì)自動(dòng)發(fā)覺(jué)其所用到的硬件資源(如：i／o范圍，存儲(chǔ)器范圍及中斷號(hào)等)(3)。在此可對(duì)采集卡的i／o地址舉行讀寫(xiě)測(cè)試，以便驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)是否正確。

(5)在“selectcodegenerationoptions”窗口中，選中合適的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在此挑選“msdeveloperstudic6，5”(即microsoftvisualc++6／5)，以便windriver生成合適的驅(qū)動(dòng)程序框架及相應(yīng)的api函數(shù)(4)。

(6)保存windriver產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工程后，windriver會(huì)自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境(此處為：microsoftvisualc++6)，以便開(kāi)發(fā)人員舉行后續(xù)開(kāi)發(fā)。

通過(guò)以上步驟，windriver生成一個(gè)基于visualc++語(yǔ)言的程序框架，開(kāi)發(fā)人員可以在此框架的基礎(chǔ)上舉行修改，加入自己的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作?，F(xiàn)以筆者編制的程序(工程文件名為adc)為例舉行介紹。

在程序初始化階段，先調(diào)用pci_get_wd_handle()，推斷驅(qū)動(dòng)程序windrvr6．sys是否已被加載，假如驅(qū)動(dòng)程序已被加載，則調(diào)用adc_locateandopenboard()函數(shù)，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集卡。在退出應(yīng)用程序前，需先調(diào)用adc_close()函數(shù)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡。

對(duì)max1338和8路i／o的寄存器操作可通過(guò)adc_readbyte()、adc_writebyte()兩個(gè)函數(shù)完成。對(duì)ch365內(nèi)部配置寄存器的讀寫(xiě)可通過(guò)adc_read-pcireg()、adc_writepcireg()兩個(gè)函數(shù)完成。完成應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)后，數(shù)據(jù)采集卡在其他的pc機(jī)上工作時(shí)，需提供windrvr6．