基于PCI总线的多通道数据采集系统的设计与实现Word文档下载推荐.docx

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关键词:

数据采集;

PCI;

DSP:

FPGACircuit

ABSTRACT

WiththeswifIdevelopmentofLSI(LargeScaleIntegration)andcomputersience,thedigitaltechnologyhascomeintoeveryfieldofkownledge.Asanalogsignalisthemostphysicalinthenature,theconversationfrom

onanalogsignalt0di西talollehasbeenthemostimportantstep

acquisitionsystemthewayofsignalandanalysiscontr01.Data

callconvertsanalogsignaltothedigitalone,whichbeidentifiedwiththecomputer.

ThethewspresentsadesignprojectbasedonPCIinterface,andfulfilsit.Itstateswholedesignbothhardwareandsoftware.ItmainlyintroducesthePCI

theapplicationaboutBUS,andthespecialinterfacechipPLX9054,and

aFPGA.Designsthehardwaresystemandaccomplishes

ondebugging,whichfocustheselectionofchips

SOonthePCIcard,thepower,thespeedandcapacit)rofthestorageandon.Atthesametime,discussedsomeproblemswhichneedtobe

paidattentiontowhendesignthePCBboardinordertoreduceEMIandimprovethedigitalcircuit'sperformance.

Then,thisdissertationresearchesthedesignandimplementationofPCIdevicedriver.W'mdowsiswidelyused0ntheworld,it'Sappliedanduniversaltodevelopthedevicedriversfortheoperationsystems.WemakeuseofWmdrivertocalTyoutcarddriver.

Theschemeis

detailfortheintegratedandeffectual.Itcouldmeetmostrequirementadjustdifferentobject,thatcouldreducethecostandriskofthedevelop.Keywords:

dataacquisition;

DSP;

FPGA

学位论文原创性声明

本人郑重声明:

本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。

除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者(签字):

趟硎

日期:

礴罗月男Et

第1章绪论

1.1研究背景和意义

计算机总线扩展技术使得基于计算机的数据采集技术迅速得到应用“1,基于计算机的数据采集系统结合先进的数字信号处理技术得到了最为广泛的应用,是科研人员的重要工具,不但广泛应用于电力设备监控、遥测遥感等测控领域,在声纳、雷达、通讯、地质、医疗器械等领域中也有着重要的应用。

他们均是首先由数据采集系统得到数字序列,然后再由高速处理系统进行实时处理或用微型计算机进行后续处理。

数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备,其基本任务就是测量输入的物理信号。

它将模拟量采集、转换成数字量后,再送入计算机或相应的数字信号处理系统,根据不同的需要进行相应的计算和处理、得出所需的数据。

同时,还可以用计算机将得到的数据进行存储、显示和打印,以实现对某些物理量的监视,其中一部分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。

在数据采集系统中,数据采集部分完成信号的获取、采集和控制,总线接口部分完成采集板卡和计算机间高速的数据传输及其相应的控制,计算机完成信号的处理、存储与显示功能。

测试软件可以根据用户的不同需要定制不同的测量功能,在统一的硬件平台上实现不同的测试功能。

随着技术的日益发展,基于PCI总线的设备已经成为微型计算机的标准设备,大多数的基于微型计算机的专用设备也都是基于PCI总线的。

随着PCI总线的普及和应用,基于PCI总线的数据采集系统有十分广阔的应用前景和良好的经济效益。

PCI总线设备的扩展是微型计算机应用的重要方面。

基于PCI总线的设备扩展涉及到PCI总线原理、Windows环境下的设备驱动程序、调试程序、应用程序,PCI接口控制器等。

其中最重要的设备驱动程序、介于用户的应用程序和硬件之间,实际上可以理解为一系列控制硬件设备的函数。

驱动程序的开发和应用程序的设计是数据采集系统研发中的重要部分,优秀的驱动程序和应用程序可以充分发挥硬件的潜力,提高系统的性能价格比和市场竞争力。

本文给出的软硬件系统,充分发挥硬件系统的实时性和软件系统的灵活性,使其能够承担一般性的水声试验,希望能够为现阶段我们进行水声试验提供了一个有用的数据采集处理工具,使我们能够获得更多的有用实验数据。

1.2系统总体技术方案

1.2.1总体构成

本文的设计包括硬件和软件两大部分。

硬件又分为两部分,一是基于PCI总线的多通道数据采集卡,二是可扩展的实时处理模块。

硬件第一部分主要包括模数转换部分、数据缓存部分、逻辑控制部分、PCI总线接口部分和电源部分。

硬件第二部分为DSP实时处理模块。

软件部分包括系统逻辑控制程序、应用程序和板卡驱动程序等。

目前实现PCI接口电路一般的有效方案分为两种:

使用可编程逻辑器件和使用专用总线接口器件。

采用可编程逻辑器件实现PCI接口比较灵活,可以利用的器件也比较多,但由于PCI总线协议的复杂性,其接口的实现比ISA等总线要医难得多,这种方法难度较大,设计周期较长,成本较高。

而采用专用接口器件不仅对PCI协议有良好的支持,而且提供给设计者良好的接口,这些都大大减少了设计者的工作量,能够减少开发时间和成本,并获得较好的数据传输能力。

本文采用了专用的PCI总线接口控制器PLX9054。

PLX9054具有强大的功能和简单的用户接口,为PCI总线接口的开发提供了一种简洁的方法,可广泛应用于嵌入式系统中。

设计者只需设计出LOCAL总线接口控制电路,即可实现与PCI总线的高速数据传输。

随着PCI总线的普及和应用,基于PCI总线的传输系统有十分广阔的前景。

1.2.2主要功能

基于PCI总线的多通道数据采集卡的工作流程是:

计算机的应用程序根据命令通过驱动程序启动模数转换,当模拟信号通过信号调理后进入A/D芯片,模数转换后存入存储器缓存FIFO(FirstInFirstOut:

先进先出),在数据存储器中存满时,硬件向主机发中断,主机响应中断后通过PLX9054芯片2

读出存放在数据存储器中的采样数据,然后进行后续处理(如计算、存储)。

DSP实时处理模块是可扩展的,在逻辑控制模块的控制下,与计算机通过LOCAL总线接口进行通讯,以便交换数据,执行命令。

1.3论文主要研究内容

本文要做的工作主要是硬件系统的设计与程序编写,发挥PCI总线的性能,达到理想的传输效率。

并且使其能够承担一般性的数据采集试验,获取实验数据,具有现场的快速分析处理能力。

作者在大量阅读技术资料和专业文献的基础上,在老师的指导下独立完成了以下工作:

1.通过查阅相关文献和资料,选定实现方案。

2.完成了硬件设计与调试。

3.完成了FPGA、DSP、驱动程序等的程序设计与调试。

4‘对系统进行综合测试分析。

1.4本论文的章节安排

论文具体章节安排如下:

第一章绪论首先介绍了本论文的研究背景,指出了研制本系统的实际意义,最后介绍了本文的主要研究内容。

第二章PCI总线与接口实现首先给出了总线的发展情况,然后给出了PCI总线在数据采集系统中的应用情况及PCI总线的规范、特点。

并且给出了接口芯片的选择方法,本系统采用PLX公司生产的PLX9054接口芯片。

并在下一章详细的介绍了此芯片的特点及其用法。

第三章PCI总线接口芯片PLX9054本章介绍了PLX公司的PLX9054的重要特征、引脚定义、芯片的工作方式及对PLX9054的寄存器组进行介绍。

第四章数据采集系统的硬件设计介绍本系统的整体电路原理方框图,简要的说明了各组成部分的功能。

在整体原理框图的基础上,细化各个组成部分内部电路的设计问题,给出主要元器件选择的一般准则,并在文中对其内部资源配置及主要性能特点傲了全面的介绍。

阐述了各部分电路的工作原理。

第五章数据采集系的软件设计本章首先简单的介绍一下VHDL语言,接着给出了FPGA内部的组合逻辑和时序逻辑的设计方案。

详细的介绍了数据采集、数据缓冲设计,并且对板卡的驱动程序的编写进行研究,并对系统的功能进行测试。

结论总结了本论文的设计方案和研制结果。

第2章PCI总线与接口实现

2.1微机总线发展综述

总线是计算机应用系统的重要技术,它是一组信号线的集合,是一种在各模块间传送信号的公共通道。

在微型计算机系统中,利用总线实现芯片内部、印刷板的各部分之间、机箱内各插板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。

几乎所有计算机总线都具有以下几种通用信号:

DataBUS:

从属设备与总线主控设备之间进行数据传输的数据通道。

BUS:

从属设备与总线主控设备之间进行传送地址信息的通道。

用来协调各部件之间的操作,是各种类型总线变化最大的AddressControl

部分,也是最灵活和功能最强的一组总线。

控制总线主要完成对存储器、∞、中断、DMA及CPU之间的操作,还包括主控时钟、系统同步、系统复位等功能。

Power&GroundBUS:

是总线结构中最简单的一组信号。

在印制板的设计中,如果对接地信号设计不合理或对电源需求缺乏周密考虑的话,极有可能成为系统故障的根源。

下面将各种计算机总线做一个简单的介绍:

◆ISA总线

ISA(IndustrySlandardArchitecture即工业标准结构总线)是美国IBM公司为286计算机制定的工业标准总线。

该总线的总线宽度是16位,总线频率为8MHz。

由于该总线使用方便,设计简单,在对数据处理能力要求不高的场合仍然得到了广泛的应用。

◆ElSA总线

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture即扩展工业标准结构总线)是为32位中央处理器(386、486、586等)设计的总线扩展工业标准。

EISA总线包括ISA总线的所有性能外,还把总线宽度从16位扩展到32位、总线频率从8MHz提高到16MH孔◆MCA总线

MCA(MicroChannelArchitecture即微通道总线结构)是mM公司专为其PS尼系统(使用各种Intel处理器芯片的个人计算机系统)开发的总线结构。

该总线的总线宽度是32位,最高总线频率为lO姗z。

◆ⅦSA总线

VESA(VideoElectronicsStandardAssociation即视频电子标准协会)是VESA组织(1992年由IBM、Compaq等发起,有120多家公司参加)按局部总线的标准设计的一种开放性总线。

VESA总线的总线宽度是32位,最高总线频率为33MHz。

◆PCI总线

PCI(PeripheralComponentInterconnect即连接外部设备的计算机内部总线)是美国SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery即美国计算机协会专业集团)集团推出的新一代“位总线。

PCI局部总线是一种高性能的局部总线,有严格的规范保证其可靠性和兼容性。

它的数据宽度为32位,也可升级至“位,总线频率为33Ⅷz,传输速率达132MB/s,升级后可达264MB/s,具有很强的数据处理能力。

而且PCI还支持一种名为线性突发的数据传送模式,可确保总线不断满载数据,减少无谓的寻址操作。

PCI总线还支持并发工作,使CPU与PCI总线上的外设同步工作,提高了数据吞吐量。

此外,PCI总线支持即插即用,能实现PCI扩展卡的自动配置,毋需在安装扩展卡时人为调整跨接线、DIP开关或系统中断,而由软件自动设定。

由于这些优点,使PCI总线己成为现行的工业标准。

◆AGP总线

AGP(AcceleratedGraphicsPort)即高速图形接口。

专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡,为提高视频带宽而设计的总线规范,目前大多数主板均有提供。

◆USB总线

USB(UniversalSerialBus即通用串行总线)是一种简单实用的计算机外部设备接口标准,目前大多数主板均有提供。

◆NGIO总线

NGIO(NextGenerationInput/Output)总线是Intel公司推出的下一代FO总线结构。

与其它总线结构有所区别,NGIO总线结构采用的是与传统共享6

总线不同的交换机制。

◆FutureI/0总线

FutureI/O(将来的输入输出总线)总线结构是与NGIO相竞争的另一种总线,目前仍处在IBM、Compaq、Ill'等公司的研制开发中,据称其数据传输率可达10GB/s。

2.2数据采集与存储系统的PCI总线技术

在以PC机为平台的数据采集与存储系统设计中圆,首先需要确定的是数据采集与存储系统采用的总线类型。

所选的总线要满足以下基本条件:

(1)数据传输率要高,这样才可能满足高分辨率、大容量数据传输。

(2)CPU占用率要小,尽量为数据处理工作节约资源。

(3)接口时序简单、可靠或有高性能的接口芯片简化系统设计。

基于上述要求,通过上一节的介绍,比较各种总线的综合性能,PCI总线的性能最佳,是一种高性能的总线结构,拥有许多近乎完美的特性。

在本数据采集与存储系统的设计中,就选用PCI总线作为数据传输总线。

2.3PCI总线特点

1.高性能“

◆总线宽度32位,可升级到64位;

◆支持突发工作方式,提高了传输速度;

◆低随机访问延迟;

◆处理器/内存子系统能力完全一致;

◆总线的同步时钟可达到33姗z;

◆隐含的中央仲裁器。

2.低成本

◆采用最优化的芯片,标准的ASIC技术和其他处理技术相结合;

◆多路复用体系结构减少了管脚数和PCI部件;

◆基于ISA、EISA、MCA的PCI扩展板,减少了用户的开发成本。

3.使用方便

◆对PCI扩展卡及元件,能够自动配置,实现设备的即插即用。

4.寿命长

◆处理器独立,不依赖任何CPU,支持多种处理器及将来待开发的更

高性能处理器;

◆支持64位地址;

◆5V和3.3V信号环境己规范化,工业上从5V到3.3V己完成平滑过

渡。

5.可靠性高

◆标准中考虑了负载容限,即使扩展卡超过了负荷的最大值,系统也

能正常工作;

◆32位,64位扩展板和部件兼容。

6.灵活

◆多主控器允许任何PCI主设备和从设备之间进行点对点访问;

◆共享槽口即可以插标准的ISA、EISA、MCA板,也可以插PCI扩展

板。

7.数据完整

◆PCI提供的数据和地址奇偶校验功能,保证数据完整性和准确性。

2.4PCI总线规范

2.4.1概述

在一个PCI系统中可以做到:

高速外部设备和低速外部设备共存,PCI总线与ISA/EISA总线并存川。

处理机、存储器子系统经过一个PCI桥连接到PCI总线上。

此桥提供了一个低延迟的访问通路,从而使处理器能够直接访问通过它映射于存储器空间或I/O空间的PCI设备;

也提供了能使PCI主设备直接访问主存的高速通路;

该桥也能提供数据缓冲功能,以使CPU与PC!

总线上的设备并行工作而不必相互等待;

另外,桥可使PCI总线的操作与CPU总线分开,以免相互影响。

总之,桥实现了PCI总线的全部驱动控制。

PCI局部总线不仅可应用到低档至高档的台式系统上,而且也可应用在便携机乃至服务器的范围中。

对于便携机应用要求3.3V电源的同时,台式机应用也迫切要求由5V电源改为3.3V电源,这必须在标准中予以考虑。

因此,8

PCI局部总线规范中明确指定了两种电源电压,并说明了相应的转变途径。

即为此定义了两种插接卡连接器:

一种是5V信号环境,一种是3.3V环境;

同时为这两种信号环境规定了三种插接卡电气类型,分别是5V卡、3.3V卡和通用卡,其中通用卡是实现5v到3.3V过渡时使用的。

PCI总线元件和插件接口与处理机是相互独立的,这样有助于将其应用到新型处理机上去,并适合于多种处理机体系结构的要求。

同时,可使PCI局部总线根据需求而优化,总线的操作与处理机/存储器子系统并行工作,以及适应图形、运动图像、LAN、SCSI、FDDI和硬盘驱动器等多种高性能外部设备。

为了适应诸如高清晰度电视(}玎)TV)和三维显示等视频和多媒体显示的发展,以及高带宽I/O对局部总线带宽的进一步要求,PcI局部总线定义了可对32位数据/地址总线进行64位扩展,并提供了32位及64位PCI局部总线设备的向前和向后的兼容性。

PCI的自动配置功能使其应用更为方便,由于该总线标准为其元件及插件分配了相应的配置寄存器,对于一个系统只要有嵌入的自动配置软件,就可以在加电时自动配置PCI总线上的设备,并为用户提供了很大的方便。

2.4.2PCI总线信号

在一个PCI应用系统中,如果某设备取得了总线控制权,就称其为“主设备”;

而被主设备选中以进行通信的设备称为“从设备”或“目标设备”。

对于相应的接口信号线,通常分为必备的和可选的两大类。

如果只作为目标的设备,至少需要47条,若作为主设各则需要49条。

利用这些信号线便可处理数据、地址、实现接口控制、仲裁及系统功能。

PCI总线的信号有各自不同的定义。

在信号名字末尾的撑标识表示该信号低电平有效,无撑标识的信号高电平有效;

IN表示输入,是标准的只作输入信号:

OuT表示输出,是标准的输出驱动信号;

T/S时表示双向的三态输入/输出信号;

S,r,S时表示持续的并且低电平有效的三态信号。

在某一时刻只能属于一个主设备并被其驱动。

这种信号从有效变为悬空(高阻状态)之前必须保证使其具有至少一个时钟周期的高电平状态。

每个管脚的信号定义如下;

1.系统信号

CLKIN:

时钟信号为所有PCI传输提供时序,而且对所有PCI设备是输9

入信号,除了RST#、INTA#、NTB群、INTC#、INTD#,所有PCI信号都是在时钟上升沿有效,所有其它时间参数定义都与这个边沿有关。

一般情况下,PCI操作达到33M№,最低频率是直流(OHz)。

R.ST#IN:

复位信号,被用来使PCI特殊寄存器、定序器和信号恢复初始状态。

复位时,所有PCI输出信号一般必须是三态的。

SERR#是悬空的,如果输出设备被提供三态的话,REQ#和GNT#必须皆为T/S状态(复位时它们不能为高电平或低电平),在复位期间,AD、C/BE#和PAR信号是悬浮的。

RST#可以和CLK不同步。

尽管不同步,仍然可以清除配置访问,当设备请求引导系统时将响应“RESET'’,复位后将响应系统引导。

2.地址和数据引脚

AD[31:

00】T/S:

地址和数据共用引脚。

PCI支持猝发读写功能,在FRAME#有效周期,总线传输包含了一个地址信号,接着是一个或多个数据信号。

001是一个32位的物理地址,I/0地址仅需1个字节(8位),配置空间地址和内存空间地址需要双字节(16位)。

在数据节拍期闯,数据宽度是可变的,可以是1个字节或4个字节(32位),这由字节有效信号指明。

IRDY#支持写数据状态,在IRDY#和TRDY#同时有效时,数据传输开始。

C/BE[3:

01#T/S:

总线命令和字节有效共用管脚。

在传送地址节拍期间,C/BE[3:

0]#定义总线命令,在数据节拍期间,C/BE[3:

0]#被用做字节有效。

3.接口控制引脚

FRAME#S/T/S:

在访问开始和持续期间,帧周期是由当前主设备直接驱动,在Fl啪群有效预示总线传输的开始。

当FRAME#失效,传输的是最后一个数据节拍。

IRDY#S/T/S:

主设备准备好信号,它预示初始化“单元”(总线控制器单元)来完成当前数据节拍的传送,IRDY#和n①Y撑联用。

珉DY#和TRDY#同时有效时,数据节拍在任何周期内完整传输。

在一个写周期,IRDY#指出数据变量是存在于AD[31:

00]。

在一个读周期,它指示主控制器准备接收数据。

插入等待脉冲直至Ⅱ∞1滞和Ⅱ①Y#一起有效。

TRDY#SfI'IS:

从设备准备好信号,它预示从设备(可选驱动器设备)准备完成当前数据节拍的传输。

TRDY#和IRDY#同时有效时,数据节拍可在10

任何周期内完整的传输。

在读周期,TRDY#指示出数据变量存在于AD[31:

00】,在写周期,它指出从设备准备接收数据,插入等待脉冲直至IRDY#和TRDY#一起有效。

STOP#S门ⅣS;

STOP群指出当前从设备正在要求主设备停止当前数据传送。

IDSEL#S/T/S:

设备选择,当驱动DEVSEL#时,指出有地址译码器的设备作为当前访问设备。

作为输入信号,DEVSEL#显示出总线上某处任一设备被选择。

4.仲裁管脚

REQ#T/St请求信号,指出“单元”对总线占用的

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