基于PCI总线的高速数据采集卡的研制
摘要
随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术渗透到各个技术领域。但是自然界中大多数物理信号却是模拟信号，因此，将模拟信号转化成数字信号是进行信号处理和分析的首要前提。数据采集系统即是完成这样的任务，将采集到的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号。
传统的数据采集系统是基于ISA总线设计的，但由于ISA总线带宽的限制，无法满足高速数据传输的要求，PCI局部总线的引入，打破了数据传输的瓶颈，以其优异的性能和适应性成为微机总线的主流，基于PCI总线的数据采集系统是高速数据采集的发展方向。
本论文从硬件和驱动程序两个方面对基于PCI总线的数据采集卡进行了研究，并完成了实物的设计。论文中讨论了PCI总线的基本结构，详细介绍了基于PCI总线数据采集卡的核心器件——PCI接口控制芯片S5933。外加数据缓存器件是提高数据采集卡速度的一个重要措施。本论文利用S5933的PASS-THRU通道，结合片外双口RAM，完成对数据的传输。同时也对构成数据采集卡的其它配置芯片在接口电路、时序逻辑等方面加以讨论，给出了用可编程逻辑器件进行时序逻辑设计的基本原理图和ABEL源程序，最后介绍了对PCI总线数据采集卡驱动程序VxD的开发及编程方法。
通过实际测试，该数据采集卡顺利完成了数据采集功能，并实现了单路数／模转换，对采样结果的波形分析，验证了本次设计的合理正确性，达到了预期的设计效果。
With the swift development of LSI(Large Scale Integration) and computer science, the digital technology has come into every field of knowledge. As analog signals are the most physical signals in the nature, the conversation from analog signals to digital ones has been the most important step on the way of signal procession and analysis control. Data acquisition system converts analog signal to the digital one, which can be identified with the computer.
Conditional data acquisition system is designed based on ISA bus. With the limits of the bandwidth of ISA bus, it is difficult to perform the high-speed data transmission. PCI local bus, with the outstanding capability and excellent adaptation, has resolved this problem and become the main bus in the computer. The development of data acquisition system based on PCI bus has taken the lead of the high-speed data acquisition.
The design of a data acquisition card based on PCI bus, including hardware development and driver program, is discussed in the paper. The basic configuration of PCI bus is introduced, as well as S5933, the core component in the card, which performs the control of PCI interface. The accession of a data buffer storage is a effective measure to improve the speed of the data acquisition. In the paper, the data is transferred via the S5933 Pass-Thru data transfer, with a dual-port Static Ram. The interface circuits and time logic of other chips that compose the card are also inferred. CPLD (Complex Programmable Logic Device), which is designed to control the time logic of the whole card, is described with the schematics and ABEL source programme. At the end of the paper, the development of driver program VxD is mentioned.
In the practical measurement, the designed card has acquired the data successfully and also completed the single-channel conversation of D/A. According to the analysis of the sampling signals, the design is proved to be a success and the performance meets the expectations.
传统的数据采集系统是基于ISA总线设计的，但由于ISA总线带宽的限制，无法满足高速数据传输的要求，PCI局部总线的引入，打破了数据传输的瓶颈，以其优异的性能和适应性成为微机总线的主流，基于PCI总线的数据采集系统是高速数据采集的发展方向。
本论文从硬件和驱动程序两个方面对基于PCI总线的数据采集卡进行了研究，并完成了实物的设计。论文中讨论了PCI总线的基本结构，详细介绍了基于PCI总线数据采集卡的核心器件——PCI接口控制芯片S5933。外加数据缓存器件是提高数据采集卡速度的一个重要措施。本论文利用S5933的PASS-THRU通道，结合片外双口RAM，完成对数据的传输。同时也对构成数据采集卡的其它配置芯片在接口电路、时序逻辑等方面加以讨论，给出了用可编程逻辑器件进行时序逻辑设计的基本原理图和ABEL源程序，最后介绍了对PCI总线数据采集卡驱动程序VxD的开发及编程方法。
通过实际测试，该数据采集卡顺利完成了数据采集功能，并实现了单路数／模转换，对采样结果的波形分析，验证了本次设计的合理正确性，达到了预期的设计效果。
With the swift development of LSI(Large Scale Integration) and computer science, the digital technology has come into every field of knowledge. As analog signals are the most physical signals in the nature, the conversation from analog signals to digital ones has been the most important step on the way of signal procession and analysis control. Data acquisition system converts analog signal to the digital one, which can be identified with the computer.
Conditional data acquisition system is designed based on ISA bus. With the limits of the bandwidth of ISA bus, it is difficult to perform the high-speed data transmission. PCI local bus, with the outstanding capability and excellent adaptation, has resolved this problem and become the main bus in the computer. The development of data acquisition system based on PCI bus has taken the lead of the high-speed data acquisition.
The design of a data acquisition card based on PCI bus, including hardware development and driver program, is discussed in the paper. The basic configuration of PCI bus is introduced, as well as S5933, the core component in the card, which performs the control of PCI interface. The accession of a data buffer storage is a effective measure to improve the speed of the data acquisition. In the paper, the data is transferred via the S5933 Pass-Thru data transfer, with a dual-port Static Ram. The interface circuits and time logic of other chips that compose the card are also inferred. CPLD (Complex Programmable Logic Device), which is designed to control the time logic of the whole card, is described with the schematics and ABEL source programme. At the end of the paper, the development of driver program VxD is mentioned.
In the practical measurement, the designed card has acquired the data successfully and also completed the single-channel conversation of D/A. According to the analysis of the sampling signals, the design is proved to be a success and the performance meets the expectations.
引文
1．刘晖，冀然然等．PCI系统结构，电子工业出版社，2000
2．Tom Shanley,Don Anderson.PCI System Architecture,Mindshare,Inc.,1999
3．李贵山，戚德虎．PCI局部总线开发者指南，西安电子科技大学出版社，1997
4．刘乐善，叶济忠等．微机总线与接口设计，电子科技大学出版社，1998
5．陈利学，孙彪等．微型计算机接口技术原理及应用，华中理工大学出版社，1996
6．张念淮，江浩．USB总线接口开发指南，国防工业出版社，2001
7．张长隆，欧建平等．PCI总线接口技术及其在雷达数据采集通道中的应用，微处理机，200(1)
8．蒋志方，曾凡太．PCI总线配置空间中的设备定义，计算机应用，1997(1)
9．王明晶．主桥对PCI总线数据传输率的影响，微型电脑应用，1999(9)
10．马卫国，何佩琨．通用高速PCI总线目标模块的设计，电子技术应用，1999(1)
11．班荣峰，王建涛等．基于专用控制芯片S5933的PCI总线接口设计，电子技术应用，1998(11)
12．余永进，刘铁石．“即插即用”技术大全，电子工业出版社，1997
13．S5933 PCI Controller Data Book, Applied Micro Circuits Corporation, 1997
14．马明建，周长城．数据采集与处理技术，西安交通大学出版社，1998
15．高光天，薛天宇等．数模转换器应用技术，科学出版社，2001
16．刘书明，刘斌．高性能模数与数模转换器件，西安电子科技大学出版社，2000
17．AD7541A Data Book, Analog Devices, Inc., 1997
18．AD9221 Data Book, Analog Devices, Inc., 1998
19．柯南．非常电路板设计之原理图，中国铁道出版社，2000
20．柯南．非常电路板设计之PCB，中国铁道出版社，2000
21．杨晖，张凤言．大规模可编程逻辑器件与数字系统设计，北京航空航天大学出版社，1998
22. IspLSI1O16E Data Book, Lattice Semiconductor Corp., 1998
23．李守成，张志波．数字电子技术基础，西南交通大学出版社，1994
24. IDT7024 Data Book, Integrated Device Technology, Inc., 2000
25．彭孝礼．虚拟设备驱动程序开发起步与进阶，人民邮电出版社，2000
26．杨强，李堂秋．Win 9X虚拟设备驱动程序编程指南，清华大学出版社，1999
27．武安河，周利莉．Windows设备驱动程序(VxD与WDM)开发实务，电子工业出版社，2001
28．白同云，吕晓德．电磁兼容设计，北京邮电大学出版社，2001
29．任丽香，马淑芬等．TMS320C6000系列DSPs的原理与应用，电子工业出版社，2000
30．吕凤翥．C++语言基础教程，清华大学出版社，1999
31．袁辉，郝文宁．Borland C++Builder高级编程，科学出版社，2000
32．杨万海．在系统可编程技术器件与应用，西安电子科技大学出版社，1998
33．金革．可编程逻辑阵列FPGA和EPLD，中国科学技术大学出版社，1996
34．丁嘉仲，刘风云等．可编程逻辑器件PLD，学苑出版社，1997
35. ISP~(TM) Synario Starter Software & ISP Encylopedia, Lattice Semiconductor Corp., 1997
36.ABEL~(TM) Design Software User Manual, Data I/O Corporation, 1990
37．高鹏，安涛等．电路设计与制版，人民邮电大学出版社，2000
38．袁翔，周泓．基于总线式的虚拟仪器系统，机电工程，1998(4)
39．金明，罗飞路等．FIFO芯片在高速系统中的应用，电子技术应用，1998(3)
40．马卫国，何佩琨．通用高速PCI总线目标模块的设计，电子技术应用，1999(1)
41．寇小明，牟轩沁等．S5933 PCI总线控制器及其应用，电子技术应用，1998(12)
42．陈恒．PCI控制器的设计与实现，电子技术，2000(1)
43．候同强，刘和平．FPGA与CPLD器件的特点与应用，电子与自动化，2000(2)
44．李贵山，康继昌．PCI总线扩展板的设计，计算机研究与发展，1997(10)
45. AT24CO2 Data Book, ATMEL Corp., 1998
46．李文迎．基于DSP的摆式列车测试系统研究，西南交通大学硕士学位论文，2002
47．阮德生．自动测试技术与计算机仪器系统设计，西安电子科技大学出版社，1997
48．张维廉．应用电子技术基础，西南交通大学出版社，1994
49．王士元．C高级实用程序设计，清华大学出版社，1996
50．陈行禄．信号分析与处理，北京航天航空大学出版社，1993
51．徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计，北京航空航天大学出版社，1995
52．孟劲松．基于PC仪器的测振系统研究与开发西南交通大学硕士学位论文，2000
2．Tom Shanley,Don Anderson.PCI System Architecture,Mindshare,Inc.,1999
3．李贵山，戚德虎．PCI局部总线开发者指南，西安电子科技大学出版社，1997
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12．余永进，刘铁石．“即插即用”技术大全，电子工业出版社，1997
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14．马明建，周长城．数据采集与处理技术，西安交通大学出版社，1998
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34．丁嘉仲，刘风云等．可编程逻辑器件PLD，学苑出版社，1997
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36.ABEL~(TM) Design Software User Manual, Data I/O Corporation, 1990
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46．李文迎．基于DSP的摆式列车测试系统研究，西南交通大学硕士学位论文，2002
47．阮德生．自动测试技术与计算机仪器系统设计，西安电子科技大学出版社，1997
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49．王士元．C高级实用程序设计，清华大学出版社，1996
50．陈行禄．信号分析与处理，北京航天航空大学出版社，1993
51．徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计，北京航空航天大学出版社，1995
52．孟劲松．基于PC仪器的测振系统研究与开发西南交通大学硕士学位论文，2000