（光学专业论文）脉冲光谱信号采集与识别.pdf

摘要 搁要 光谱分析是一种重要的光学分析方法，在现在科学实验、生物、医学医药、 工农业生产、国防、天文观测等领域得到广泛应用。 本文的工作重点是对4 0 0 1 7 0 0 n m 光谱范围内脉冲激光光谱信号进行准确、快 速、实时的检测与识别。主要内容包括三个方面：设计了款基于p c i 总线的高 速c c d 光谱信号采集系统，包括硬件设计、驱动程序及应用程序设计三部分工 作，采用p c i 9 0 5 4 桥芯片实现对p c i 总线的访问、控制，以简单友好的w i n d r i v e r 软件为驱动程序开发平台；引进一套基于g p i b 接口的i g a 光谱信号采集系统， 该系统与计算机之间的通讯是借助于n i 公司推出的一款p c i g p i b 专用接口板来 实现的，编写了该系统的后台控制软件；完成光谱信号的采集之后，在对目标信 号和背景杂波的时间和空间特性进行分析的基础上，采用帧减法和背景预测法对 背景杂波进行抑制、增强目标，然后利用高阶累积量进一步消除杂波抑制后的剩 余噪声，将目标信号从背景杂波及系统噪声中提取出来，完成对脉冲光谱信号的 检测与识别。 关键词：光谱分析c c d p c i 9 0 5 4i g a 信号检测 a b s t r a c ti i f a b s t r a c t s p e c t r a la n a l y s i si s a ni m p o r t a n tm e t h o do fo p t i c a la n a l y s i s i ti s w i d e l yu s e di n m o d e r ns c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s ，b i o l o g i c a lr e s e a r c h ，m e d i c a ls c i e n c e & m e d i c i n es t u d y , i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，n a t i o n a ld e f e n s e ，a s t r o n o m yo b s e r v a t i o n ，a n de t c ， t h i sp a p e ri sd e v o t e dt ot h ee x a c ta n dr e a l 4 i m ed e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o no ft h el a s e rp u l s e s i g n a li nt h es p e c t r ab e t w e e n4 0 0a n d17 0 0 n mt h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ：t h ef i r s tp a r ti s t h ed e s i g no fah i g h s p e e dc c d s p e c t r a ls i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do np c ib u s ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no ft h eh a r d w a r e ，t h ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，u s i n gp c i 9 0 5 4 i ( 3a c c e l e r a t o rt o a c c e s sa n dc o n t r o lt h ep c i ，d e v e l o p i n gt h ed r i v e ru n d e rt h ew i n d r i v e re n v i r o n m e n t t h es e c o n dp a r t i st oi n t r o d u c ea ni g as p e c t r a l s i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do ng p i bi n t e r f a c e ，w h i c hi s c o m m u n i c a t e dw i t ht h ec o m p u t e rb yu s i n gas p e c i a lp c i - g p i bc a r dp r o d u c e db yn ic o t h et h i r d p a r ti st os u p p r e s st h eb a c k g r o u n d c l u t t e ra n de n h a n c et h et a r g e tb yt h em e t h o d s o f f l a m es u b t r a c t i o n a n db a c k g r o u n dp r e d i c t i o no nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h es p a t i a la n dt e m p o r a lp r o p e r t yo ft h e t a r g e ta n dt h eb a c k g r o u n d ，t oe l i m i n a t et h er e m a n e n tg a u s s i a nn o i s e su s i n gh i 曲e r - o r d e rc u m u l a n t ， a n dt oa c c o m p l i s ht h ed e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o no f p u l s es p e c t r a ls i g n a l k e y w o r d s ：s p e c t r a la n a l y s i s c c dp c i9 0 5 4i g a s i g n a ld e t e c t i o n 创新性声明 v 。6 9 5 8 16 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特h , j 自h 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名同期 # j ) 5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然是西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。， 本人签名：主垢象 日期：墨! 圭：! 导师签名：一刁翟送址f 期：j 垄翌! 生l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光谱仪与光谱分析 光谱仪是分析物质化学组成及其含量的重要光学分析仪器，它是利用光学原理 对物质的结构和成分进行测量和分析的基本设备，具有分析精度高、测量范围大、 速度快等优点。早在1 8 5 9 年世界上第一台实用的光谱仪出现以来，科学家们在研 究中发现各种物质在一定条件下都有自己的特征光谱，从此建立了光谱分析的基 础。 光谱仪最早的成就是促使人们发现了许多新的元素。从此以后，科学工作者 对光谱分析方法愈来愈感兴趣：一方面，他们大量地系统地开展光谱实验研究工 作；另一方面，他们为了应用的需要，不断地改进光谱仪器。现在，光谱仪已经 被广泛的应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事 侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的设备。 传统光谱仪多以实验室仪器和专用仪器的形式出现，由于体积庞大、价格昂贵， 而大大限制了其应用范围。微型光谱仪已经成为光谱仪发展的一个必然趋势。到 目前为止，现有的微型光谱仪在其分辨率等方面还不能与大型光谱仪相媲美，但 其体积小、适应性强、成本低等优点是传统大型光谱仪所望尘莫及的。随着光电 探测器件、电子及计算机技术的迅猛发展，微型光谱仪器正向着高精度、光电化、 自动化、智能化的方向发展i l 2 1 。 1 2 光谱信号接收与处理现状 光谱接收系统的主要任务是将来自于色散系统的输出光信号转化并显示为被 研究物质的参数的数值或图样。这些数值或图样是进行后续光谱信号处理及分析 的基础，并且接收系统的性能直接影响到光学系统的设计以及整个光谱仪的灵敏 度、分辨率等。 ， 光谱仪的光谱接收系统可分为三种：目视接收系统、摄谱接收系统和光电接收 系统。其中光电接收系统的测量光谱范围最宽，具有精度高、速度快等优点。对 于获取的电信号可以经过量化处理输入计算机，进行相应的信号处理和分析。光 电接收系统中，最早采用的是单个的光电转换元件，它需要光栅转动机构与之配 合才能获得整段光谱信号，这种采用机械扫描方式的光谱仪不但结构复杂，而且 不利于光谱仪的微型化和集成化。随着半导体技术的发展，各种阵列探测器不断 2 脉冲光谱信号采集与识别 涌现，阵列探测器的优点是不再需要单个光电转换元件系统中的扫描装置，大大 简化了光谱接受系统的体积，并且能一次性、快速地获取整段光谱信号。现在的 微型光谱仪几乎已经全部采用阵列式光电接收系统了。 光谱信号的采集和处理其实就是对光谱仪器所用的探测器( c c l 3 ，s s p a 等) 1 3 6 1 的输出信号的采集及处理。在国内，重庆大学曾延安、北京理工大学李全臣等对 基于c c d 的成像光谱的信息采集与数据处理进行了研究：南京理工大学柏连发等 对微光c c d 噪声测试进行了研究：浙江大学项震对基于c c d 器件特征的图像噪 声消除进行了研究。 1 3 论文主要工作及内容安排 在很多生物、化学、医药等生产与试验中，人们经常需要对一些瞬态过程进行 记录、分析，这就要求我们采用单色性很好的脉冲激光作为信号。本文的工作重 点是对4 0 0 1 7 0 0 r i m 波段范围内脉冲激光光谱信号进行准确、快速、实时的检测与 识别。为此，我们的信号采集处理系统首先要具有很宽的光谱响应范围，同时又 具有快速、实时信号处理的能力。在脉冲激光光谱信号出现后，系统要快速捕捉 到它，并对其进行准确的检测与识别。另外，在微型光谱仪中光谱分辨率与探测 光谱范围之问存在一对矛盾。由于我们要求脉冲激光单色性较好，即目标信号的 谱宽较窄，在保证光谱探测范围的基础上，增加了目标光谱信号识别的难度。论 文中主要包括两方面内容：光谱信号采集卡的软硬件设计、脉冲光谱信号检测与 识别方法的研究。如图1 1 为该信号采集、处理系统的整体结构示意图。 图l 一1 光谱信号检测与识别系统框图 本文主要工作内容的章节安排如下： 第一章，首先介绍了微型光谱仪的发展现状，然后介绍了目前微型光谱仪中光 谱信号检测与处理的国内外现状，提出本论文的工作内容。 第二章，介绍了c c d 器件的工作原理与特性1 7 “j 。 第三章，首先对p c i 总线规范进行了介绍【9 】；选用p c i 9 0 5 4 桥芯片实现对p c i 总 线接口的访问、控制，着重介绍t p c i 9 0 5 4 的结构特征及其工作方式【i 。 第四章，提出一种基于p c i 的c c d 光谱信号采集系统的设计与实现，包括硬件 设计和驱动程序开发两部分内容。该信号采集系统，由普通c c d 的光谱响应特性 决定了只能对4 0 0 1 0 0 0 n m 波段上的光谱信号进行检测f j l - 2 1 j o 第一章绪论 第五章，结合课题中引进的一套基于g p i b 接口的i g a 光谱信号采集系统，首先 对g p i b 接口规范进行了介绍 2 2 - 2 4 1 ，然后结合一款n i 公司提供的n ip c i g p i b 接口 板，对计算机与g p i b 设备闻的通讯及编程实现进行详细介绍。该信号采集系统的 探测器是采用i n g a a s 材料的特殊c c d ，能够完成对1 0 0 0 1 7 0 0 r a n 波段上的光谱信号 的检测。 第六章，在对目标信号和背景杂波的时间和空间特性进行分析的基础上，提出 分别基于帧减法和背景预测法的两种背景杂波抑制方法，然后采用基于高阶累积 量的自适应滤波器进一步滤除杂波抑制后的剩余噪声，将目标信号从背景杂波及 系统噪声中提取出来，完成对脉冲光谱信号的检测与识别1 2 ”“。 在结束语中，全面总结了本文的研究工作及其存在的不足，同时指出了今后的 研究方向。 4 脉冲光谱信号采集与识别 第二章c c d 探测器的原理与特性 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件是2 0 世 p 7 0 年代初发展起来的新 型半导体集成光电器件【7j 。它是由美国贝尔实验室于1 9 7 0 年首先提出的，在经历了 一段时间的研究之后，建立以一维势阱模型为基础的非稳态c c d 理论。近3 0 年来 c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触性 测量领域的发展更为迅速。目前c c d 应用技术已成为集光学、光电子学、精密机 械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光电检测技术、光子学和现代测试 技术领域中使用广泛。 c c d 器件及其应用技术之所以能得到如此迅速的发展，是因为c c d 器件本身具 有许多独特的优点： c c d 器件是一种固体化器件，体积小、重量轻、可靠性高、寿命长： 图像畸变小，尺寸重现性好： 具有较高的空间分辨率，光敏元闻距的几何尺寸小，可获得较高的定位精度； 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 2 1c c d 的基本工作原理 c c d 的突出特点在于它是以电荷作为信号，这就使得在器件的外围电路以及信 号处理方面引入了新的概念和技术。c c d 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移。 因此c c d 的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。 1 电荷存储 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物半导体) 结构的光敏元。m o s 结构示 意图如图2 1 所示。 在栅极g 施加正偏电压之前，p 型半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是均匀 的，如图2 1 ( a ) 所示。当栅极施加f 偏电压，且u 。小于p 型半导体的阈值电压 时，产生耗尽区，如图2 1 ( b ) 所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内 延伸。当以，大于阈值电压时，半导体与绝缘体之间的电势( 常称为表面势， 用中表示) 变得如此之高，以至于将半导体体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面， 形成一层极薄的，但电荷浓度很高的反型层，如图2 1 ( c ) 所示。反型层电荷的存在 说明t m o s 结构存储电荷的功能。 第二章c c d 探测器的原理与特性 ( a )( b )( c ) 图2 1 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 2 电荷的注入( 产生) 在c c d 中，电荷注入方式的方法有很多，归纳起来，可分为光注入方式和电注 入方式两类，分别对光信号和电压或电流信号进行采样。这里我们主要对光注入 方式进行介绍。 当光照射到c c d 的光敏元上，在栅极附近的半导体内激发产生电子一空穴对， 其中多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中，形成信号电荷。 光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。目前的c c d 更多采用的式背面照 射方式。光注入电荷 q i p = q q n 。，a t c ( 2 1 ) 式中：q ，p 为光注入电荷量：r l 为材料的量子效率；q 为电子电荷量；a ”。为入射 光的光子流速：爿为光敏单元的受光面积；t 为光注入时间； 由式( 2 1 ) 可以看出，当c c d 确定以后，可、q 、爿均为常数，注入到势阱中 的信号电荷绋与入射光的光子流速a ，和注入时闻i 成正比。注入时间i 由c c d 驱动器的转移脉冲的周期7 0 决定。因此，在给定驱动器工作时钟后，注) x c c d 势 阱中的信号电荷只与入射光的光子流速一。成e 比。该线性关系是应用c c d 检测 光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。 3 电荷耦合( 传输) 为了理解c c d 势阱及电荷如何从个位置移到另一个位置，可观察图2 2 所 示，个三相c c d 中四个相邻电极间电荷的转移过程。假定开始时有一些电荷存 储在偏压为1 0 v 的第一个电极下面的深势阱中，其他电极上均加有大于阈值的较低 电压( 例如2 、，) 。通过一定规则变化的电压加到c c d 各个电极上，电极下的电荷 6 脉冲光谱信号采集与识别 包就能沿着半导体表面按一定方向移动。 3 l 233 】23 ( a ) ( b ) 3123 k i 一 ( c ) 虱一 ( d ) 图2 2 三相c c d 中电荷的转移过程 通常把c c d 电极分为几组，每一组称为一相，并旌加同样的时钟脉冲。c c d 的内部结构决定了其正常工作需要的相数。 4 电荷检测 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是个重要问题。c c d 的一个重要特性之一 是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，面在输出端则不可避免。 因此，选择适当的输出电路可以尽可能的减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程 度。目前c c d 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器 输出几种方式。以电流输出方式为例，如图2 3 所示。 ： 图2 3c c d 电流输出方式电荷输出电路 当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极( 图中中：电极) 下的势 阱中后，中：电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷通过输出栅( 加 有恒定的电压) 下的势阱进入反向偏置的二极管( 图中n + 区) 。由u 。、电阻r 、 衬底p 和月+ 区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入反向偏置的二极 第二章c c d 探测器的原理与特性 7 管中的电荷将产生输出电流，d ，且，。的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正 比，而与电阻j r 成反比。电阻是制作在c c d 内部的，阻值为常数，所以，输出电 流，。与注入二极管的电荷量成正比。 由于，。的存在，使得a 点的电位发生变化，。增大，a 点电位降低。所以可 以用一点电位来检测二极管的输出电流，。，用隔直电容将a 点的电位变化取出， 再通过放大器输出。 图中场效应管露为复位管。它的主要作用是将一个读出周期内输出二极管没有 来得及输出的信号电荷通过复位场效应管输出。因为在复位场效应管复位栅为正 脉冲时，复位场效应管导通，它的动态电阻元小于偏置电阻r ，使二极管中剩余 的电荷被迅速抽走，使爿点的电位恢复起始的高电平。 2 2 线阵c c d 的基本结构 c c d 有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面， 并 沿界面传输( 表面沟c c d ) ：另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内， 并在半导体体内沿一定方向传输( 体沟道或埋沟道c c d ) 。另外，c c d 从结构上讲， 可分为线阵和面5 9 c c d 两种。由于前者集成密度高，在一维方向的补偿与校正易 于实现，因此常作为一种高精度光电传感器应用于外形尺寸非接触测量、表面质 量评定和精确定位中。下面以表面沟道线阵c c d 为主介绍c c d 的基本结构。 表面沟道线阵c c d 的典型结构主要由三部分组成：光敏元阵列、转移栅、移位 寄存器，如图2 4 所示。 图2 4 线阵c c d 器件内部结构示意图 光敏元阵列负责将光信号转化成电荷信号：光敏元阵列曝光一定时间后，通过 转移栅的控制可以同时将一帧图像所对应的电荷由光敏区转移到移位寄存器中； 脉冲光谱信号采集与识别 最后，移位寄存器在相应驱动脉冲作用下，一位位地将各个光敏元的电荷信号 输出，从而得到所需的光电信息。现在的c c d 一般部采用两列移位寄存器( 双沟道) ， 这样不但可以提高电荷的输出速度，更重要的是可以提高电荷的转移效率、喊小 图像信息的失真。 2 3c c d 的基本特性与参数 1 c c d 的光电转换特性 c c d 中的电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的，具有良 好的光电转换特性。它的光电转换因子，即量子效率y 可达到9 9 7 。 2 光谱响应特性 不同材料的c c d ，其光谱响应特性是不同的。对于不同的应用，选取c c d 时， 首先要考虑的就是其光谱响应特性。前面我们已经提到，该课题要求同时对 4 0 0 1 7 0 0 n m 光谱范围内的脉冲光谱信号进行检测和识别，单一的c c d 探测器不可 能满足我们的探测要求。图2 - 5 给出的普通材料的c c d 探测器( 加制冷) 和i n g a a s 材料的特殊c c d 探测器的光谱响应曲线。其中普通c c d ( 加制冷) 和i n g a a s 阵 列探测器的光谱响应范围分别为2 0 0 1 0 0 0 n m 和8 0 0 1 7 0 0 n m ，因此我们在项目中 用到了两套探测系统。 量 子 效 塞 一 、1 n g a a s 凡kc c d 。，r 一一、 f v 、j ll 八一ll 一j l 。 波长( n m ) 图2 5 普通c c d 和i n g a a s 阵列探测器的光谱响应曲线 3 动态范围 动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定。 c c d 势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于c c d 的电极面积及器件结构、时钟 驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。 第二章c c d 探测器的原理与特性9 c c d 的噪声来源主要有：由电荷注入器件引起的噪声；电荷转移过程中， 电荷量的变化引起的噪声；由电荷检测时产生的噪声。 4 分辨率 分辨率时图像传感器的重要特性。线阵c c d 固体器件向更多位光敏单元方向发 展，现在已有2 5 6 1 、t 0 2 4 x l 、2 0 4 8 x 1 、5 0 0 0 1 、1 0 5 5 0 x 3 等多种。像元位数越 高的器件具有越高的分辨率。 5 工作频率 工作频率的下限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转 移到另一个电极所用的时间f 必须小于少数载流子的平均寿命r ，即， 二3 r ( 2 2 ) 可见，c c d s l 2 作频率的下限与少数载流子的寿命有关。 工作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间t 大于驱动脉冲使其转移的时间，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会 j 使转移效率大大降低。为此，要求f ，即 j 1 ，玄(2-3) 这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。 6 转移效率 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷q 。、之比成为转移效率。在电荷转移过程中，大多数电 荷在电场的作用下向下一个电极转移，但中由一小部分电荷由于某种原因留在该 电极下。若被留下的电荷量q ( f ) ，则转移效率为 7 7 ：墼垫小孕( 2 - 4 ) q ( 0 )q ( 0 ) 如果转移损失率为 1 0脉冲光谱信号采集与识别 贝0，7 = 1 一 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 理想情况下叩应等于1 ，但实际上电荷在转移过程中总有损失，所以蹿总是小于1 的 ( 常为o 9 9 9 9 以上) a 一个电荷为q ( 0 ) 的电荷包在经过”次转移后，所剩下的电荷 q 【。) = q ( 。) 矿 ( 2 7 ) 所以，现在的c c d 一般都采用两列移位寄存器，这样不但可以提高电荷的输出速 度，更重要的是可以提高电荷的转移效率、喊小图像信息的失真。 纽 = 第三章p c ! 总线规范及p c i 9 0 5 4 桥芯片 第三章p c i 总线规范及p c i 9 0 5 4 桥芯片 p c i 局部总线是微型计算机中处理器存储器与外围控制部件、扩展卡之间的互 连接口，是目前应用最为广泛、发展前景最好的种总线标准。p c i 局部总线的 诞生和发展是技术发展和应用的需要，在一些需要高速数据传输的环境中( 例如 在图形处理方面) ，传统的p ci o 结构已经成为制约处理器和外围设备( 视频显示 器) 之间的瓶颈。而p c i 局部总线可以在3 3 m h z 主频和3 2 位数据通路的条件下 达到峰值1 3 2 m b s 的带宽，在6 6 m h z 主频、6 4 位数据通路的条件下可达到 5 2 8 m b s 。p c i 局部总线虽然是由i n t e l 公司提出的，但其设计是独立于处理器的。 正是由于p c i 局部总线在高性能、低成本、开放性等方面的优势，使其得到迅速 普及和发展。 3 1p c i 局部总线规范 3 1 1p c i 总线接口信号线 在一个p c i 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其为“从设备”或“目标设备”。p c i 总线的接口 信号线，通常分为必选的和可选的两大类。如果只作为目标设备，至少需要4 7 条 接口信号线，若作为主设备，则至少需要4 9 条接口信号线 9 。如图3 1 给出了符 合p c i 的设备与总线的所有的接口信号。按照信号线的功能可分为：系统信号、 地址和数据信号、接口控制信号、仲裁信号、错误报告信号、中断信号、6 4 位总 线扩展信号、j t a g 边界扫描信号。这里只对某些信号线做简要说明。 a d 3 1 ：0 为地址、数据多路复用的输入输出信号。个总线交易由一个地址 期和一个或多个数据期构成。在f r a m e # 有效的第一个时钟周期是地址期：在 i r d y # 和t r d y # 同时有效时是数据期。1 r d y # 有效表示写数据稳定有效，t r d y # 有效标识读数据稳定有效。 c b e 3 ：0 1 # 为总线命令和字节使能多路复用信号线。在交易的地址周期中，这 四条线上传输的是总线命令：在交易的数据期内，它们传输的是字节使能信号， 并在整个数据期中有效，用来确定a d 3 l ：0 1 线上哪些字节为有效数据。 f r a m 蒯为帧周期信号，由当前主设备驱动，表示当前主设备个交易的开始 和持续时间。f r a m e # 的有效预示着总线传输的开始：在f r a m e 撑存在期间，意 味着数据传输的继续进行；f r a m e # 失效后，是交易的最后一个数据期。 i r d y # 为主设备准备好信号，由当前主设备驱动，该信号有效表示发起本次传 2 脉冲光谱信号采集与识别 输的设备能够完成交易的当前数据期。它要与t r d y # 配合使用，二者同时有效 数据方能完整传输。如果i i y 撑和t r d y # 有一个无效，将插入等待周期。 (c b e l 3 ：0 i #：铷黼m ) 、 ，p 柚“k 姓o “o 二t 奋m ，-( )y ( 】一c) cp c i 局部 i n h ) n 州 ( 总线设备 l t 量l 、 t 。-( n 删( ， i l l l t l l t【! ，p l ；r r l l 、一 ) 8 e ：r r #( 、， ，t 、 # 2 l “r tk ，t d i、 ，tdo 、 plvl jt g k，1 i _ ! l t l g m( ) t 鹤 ， ) t r 硼, i 选引脚 6 4 位扩 展引脚 接口控制 中断信号 边界扫描 信号 图3 1p c i 局部总线接口信号 t r d y # 为目标设备准备好信号，由当前被寻址的目标设备驱动，该信号有效 表示目标设备己作好完成当前数据传输的准备工作。同样，该信号要与1 r d y # 配 合使用，二者同时有效时，数据才能完成传输。同理，i r d y # 和t r d y # 有一个无 效，将插入等待周期。 i d s e l 为初始化设备选择信号，在参数配置读和配置写期间，用作片选信号。 d e v s e l # 为设备选择信号，该信号有效时表示驱动它的设备已成为当前访问 的目标设备。换言之，该信号有效说明总线上某一设备已被选中。如果一个主设 备启动一个交易并且在6 个c l k 周期内没有检测到d e v s e l # 有效，它必须假定 目标设备没有反应或者地址不存在，从而实施主设备缺省。 r e q # 为总线占用请求信号，该信号一旦有效表示驱动它的设备向仲裁器要求 使用总线。 g n t # 为总线占用允许信号，用来向申请占用总线的设备表示己获得批准。 每个p c i 主设备都有一对仲裁线直接连接到p c i 仲裁器上。当一个主设备请求 使用p c i 局部总线时，它会使连接到仲裁器上的r e q # 有效，当仲裁器决定正在请 求的主设备应该授权p c i 局部总线时，它会使连接到正在请求的主设备的g n t # 有效。 第三章p c i 总线规范及p c i 9 0 5 4 桥芯片 3 1 2p c i 总线命令 总线命令是用来规定主、从设备之间的传输类型的，它出现于地址期的 c b e 3 ：0 # 线上。当一个主设备获得p c i 局部总线的拥有权时，它可以启动如表 3 1 中给出的任何一种交易类型。 表3 - 1p c i 局部总线命令 c b e 3 ：o m 命令类型说明c b e 3 ：0 】#命令类型说明 0 0 0 0中断应答 1 0 0 0保留 0 0 0 l特殊周期 1 0 0 l保留 o o l 0i o 读1 0 1 0配置读 0 0 1 1l ，0 写 1 0 1 1配置写 0 1 0 0保留 1 1 0 0 存储器多行读 0 1 0 l保留 1 1 0 1取地址周期 o l l o存储器读 1 1 1 0存储嚣一行读 0 1 1 l存储器写 1 1 1 l存储器写并无效 3 1 3p c i 总线交易 p c i 局部总线的基本总线传输机制是突发分组传输。一个突发分组由一个地址 期和一个( 多个) 数据期组成。p c i 局部总线既支持存储器空间的突发传输，也支 持i o 空间的突发传输。这里的突发传输是指主桥( 位于主处理器和p c i 局部总线 之间) 可以将多个存储器写访问在不产生副作用的前提下合并为一次传输。 p c i 局部总线上所有的数据交易基本上都是由以下三条信号线控制的： f r a m e 拌一一由主设备驱动，表明一次数据交易的开始和结束。 i r d y 群一一由主设备驱动，表明它已准备好交易数据。 t r d y i 一一由从设备驱动，表明它已准备好交易数据。 下面我们以一次突发读交易为例，对p c i 局部总线的突发分组传输过程进行说 明，如图3 2 为一次p c i 突发分组读交易时序图。 当f r a m e # 乖ii r d y # 都无效时，接口处于空闲状态。f r a m e # 有效的第一个 时钟前沿时地址期的开始，此时传送地址信息和总线命令a 下一个时钟前沿开始 一个( 多个) 数据期，每逢i r d y # 和t r d y # n 时有效时，所对应的时钟前沿就使 数据在主设备和目标设备之间传送，在此期间，可由主设备或目标设备分别利用 i r d y # 和t r d y # 无效插入等待周期。 一旦主设备设置了i r d y # 信号，将不能改变i r d y # * 1f r a m e # ，直到当前数 据期完成为止，但t r d y # 5 - 以忽略。而一个目标设备一旦设置了t r d y # 信号， 就不能改变d e v s e l # * 口t r d y # ，直到当前的数据期完成为止。也就是说，不管 4 脉冲光谱信号采集与识别 是主设备还是从设备，只要承诺了数据传输，就必须进行到底。 砑两+ 觋矿蕊翮广蕊矿 图3 - 2 次p c i 突发读交易时序图 当最后一次数据传输时，主设备撤销f r a m e # 信号而建立i r d y # 信号，以表 明主设备已经做好最后一次数据传输的准备，待到目标设备发出t r d y # 信号后， 就说明最后一次数据传输完成，f 删e # 和i r d y # 均撤销，接口回到空闲状态。 3 2p c i 9 0 5 4 桥接芯片 对p c i 接口进行访问、控制有两种实现方法：种，采用e p l d 或f p g a 搭建 控制逻辑：另一种，采用专用的p c i 总线桥接芯片。由于p c i 协议比较复杂，所 以用第一种方法实现难度相对较大，实际应用中更常用的是第二种方法。p c i 桥接 芯片的作用在于将复杂的p c i 总线接口转化为相对简单的用户接口。这样，我们 在设计的时候，只需重点考虑l o c a l 侧总线方面的工作。p c i 桥接芯片种类比较 多，如a m c c 公司的s 5 9 3 3 、$ 5 9 3 5 ，p l x 公司的p c i 9 0 5 2 、p c i 9 0 5 4 等。这里我 们采用目前市场上比较流行的p c i 9 0 5 4 芯片。 3 2 1p c i 9 0 5 4 的结构及特征 图3 3 给出了p c i 9 0 5 4 内部结构图，p c i 9 0 5 4 芯片的主要特征有 1 0 1 ： 呤支持3 2 位、3 3 m h z 速率的p c i 总线，符合p c iv 2 2 协议，突发传输速率 可以达到f 3 2 m 3 s ； 夺总线结构加强了数据流水结构，包括两个独立的d m a 通道，支持局部总 线与p c i 主机总线间的相互数据传输，可设置的主从数据传输模式及p c i 的消 息传输功能： 第三章p c i 总线规范及p c i 9 0 5 4 桥芯片 么 勺s 0 n 总 线 总 线 7 v 0 8 e 一g 口_ _ _ _ 日一耋型i 兰：懑 图3 3p c i 9 0 5 4 内部结构图 夺支持p c i 的双地址周期( d a c ) ； 审支持p c i 的热插拔和c p c i 的热切换功能； 夺可设置的突发控制和中断产生器； 夺芯片为3 3 v 核心电压的的功耗c m o s 器件，但能兼容p c i 总线和局部总 线上的3 3 v 和5 v 的i o 信号； 夺芯片有1 7 6 引脚的p q f p 封装和2 2 5 引脚的p b g a 封装两种： 夺其局部总线可实现与m o t o r o l am p c 8 5 0 、m p c 9 6 0 、i n t e li 9 6 0 系列以及i b m p p c 4 0 1 等处理器间的无缝连接； 夺串行e e p r o m 接口用于加载p c i 9 0 5 4 的初始化配置信息： 夺局部总线的工作时钟最高可支持5 0 m h z ，局部总线异步于p c i 总线，支持 3 2 位复用非复用的地址数据局部总线，并支持对8 、1 6 、3 2 位的局部总线设 备的访问； 夺具有8 个3 2 位的邮箱寄存器和2 个3 2 位的门铃寄存器，p c i 总线和局部 总线口能访问这8 个邮箱寄存器。一个门铃寄存器用于从p c i 总线向局部总线 插入中断，另一个用于从局部总线向p c 总线插入中断； 夺可实现大、小e n d i a n 码格式转换。i n t e l 处理器总线为小e n d i a n 码格式， 而m o t o r o l ad s p 通常为大e n d i a n 码格式( 大e n d i a n 码是指数据传输时，高位 字节在前；小e n d i a n 码是指数据传输时，低位字节在前) ，如图3 - 4 为3 2 、 ! ! 壁、冲堂堂堕呈墨堡兰望型 1 6 位局部总线上大小码转换示意图。 小e n d i a n 码 i b y t e 3b y t e 2b y t e lb y t e 0 心么r 。孑六 1 b y t e 3b y t e 2b y t e lb y t e o 大e n d i a n 码 ( a ) 3 2 位局部总线 小e n d i a n 码 i b y t e 3b y t e 2 b y t e lb y t e 0 v b y t e lb y t e 0 i b y t e 3b y t e 2 大e n d i a n 码 ( b ) 1 6 位局部总线 图3 4p c i 9 0 5 4 内部结构图 3 2 2p c i 9 0 5 4 局部总线侧接口信号及工作模式 p c i 9 0 5 4 的p c i 总线侧接口信号线与p c i 接口信号线一一对应，上一节p c i 局 部总线规范中已经做了介绍，这里不做重复。表3 2 列出了局部总线侧的接口信号 及功能描述( c 模式) 。 表3 2p c i 9 0 5 4 局部总线侧的接口信号及功能描述 引脚名称引脚类型功能描述 实现基本功能时必需的信号线 地址选通有效信号，表示地址有效，启动一个新的总线访问。在总线 a d s #l o t 访问第一个时钟周期插入 l a 3 1 ：2 】 i ，o 厂r 地址总线，总线地址的高3 0 位 l b e 30 】 i o 厂r 字节使能，用于选择总线宽度：3 2 、1 6 或8 位 l d 3 i ：0 】 i ，o 厂r 数据总线 局部总线使用权请求信号，当局部主处理器允许p c i 9 0 5 4 占用总线 l h o l do 时，会使l h o l d a 有效返回 局部总线占用允许信号由局部主处理器仲裁产生。用于响应 l h o l d a i p c i 9 0 5 4 的总线请求信号l h o l d l w ，r #l ，o 厂r读写信号信号线为低时表示读为高时表示写 r e a d y #、i o n输a 输出准备好 实现增强功能时所需的信号线 突发末尾，由当前局部主处理器驱动，用来表示该次总线访问的最后 b l a s t #i 0 厂r 一个数据 lb t e r m #i o 仃突发终止信号 作为p c i 9 0 5 4 的输入时：当内部寄存器的b t e r m 模式位被禁止时， p c i 9 0 5 4 突发访问4 个长字：当b t e r m 模式位使能时p c i 9 0 5 4 进入持 续突发模式，p c i 9 0 5 4 会持续传输直到b t e r m # 有效 作为p c i 9 0 5 4 的输出时：与r e a d y # - - 起有效用于请求扣断当前 的突发传输并启动一个新的地址周期 第三章p c i 总线规范及p c i 9 0 5 4 桥芯片1 7 总线请求信号，有效时表示局部总线主处理端请求总线。当p c i 9 0 5 4 b r e 0 1 i 定义寄存器使能时，p c i 9 0 5 4 在d m a 传输期间会响应该信号 总线请求输出信号，当p c i 主控访问在局部总线上悬挂时p c i 9 0 5 4 b r e q o o 可通过该信号来请求信号总线，执行一个p c i 目标访问 输入黼出等待，作为输入时，用于使p c i 9 0 5 4 插入等待周期作为 w a i t #i ，o 厂r 输出时，用于表示p c i 9 0 5 4 数据是否准备好 p c i 9 0 5 4 的局部总线支持三种工作模式：m 模式、c 模式、j 模式。局部总线 工作模式的设置见表3 3 。 表3 - 3p c i 9 0 5 4 局部总线工作模式 1 7 6 针的p q f p 封装2 2 5 针的p b g a 封装 模式总线类型 1 5 7 引脚1 5 6 引脚b 7 引脚e 8 引脚 lll1m 3 2 位地址，数据非复用 lolo保留 0101j3 2 位地址数据复用 0000c3 2 位地址臌据非复用 m 总线模式与m o t o r o l am p c 8 5 0 和m p c 8 6 0 处理器的总线接口完全兼容，能进 行配置寄存器的访问、p c i 主控器的操作、p c i 目标的操作、d m a 操作以及 i d m a j s d m a 操作。c 模式和j 模式与i n t e l1 9 6 0 及i b mp p c 4 0 1 系列处理器的总 线接口兼容，能进行配置寄存器的访问、p c i 主控器的操作、p c i 目标的操作、d m a 操作。 3 2 3p c i 9 0 5 4 的数据传输模式 p c i9 0 5 4 支持3 种数据传输模式：主模式、从( 目标) 模式、d m a 模式。 主模式：p c i 9 0 5 4 作为p c i 总线的主控设备，允许局部总线主处理器访问p c i 总线侧存储器、i o 。当本地主处理器需要对p c ! 总线上的设备及资源进行访问时 从主 从主 一r e 0 r e o # r 卜口 p c i o 0 n a “地1 1 1 - ) 9 0 5 4 总 p 线 总 线 a d ( 数据) 、 3- ( a ) p c i 主控写 ，。删主 从 影、 r e l 0 _ l aa d s # l w ，r b l a s t # p 勺 p c i o n q a d ( 地址1 9 0 5 4 总 p 线 总 线 a d ( 数据) ， 心- ( b ) p c i 主控读 图3 - 5p c i 主控写、读操作过程 脉冲光谱信号采集与识别 本地主处理器应驱动地址总线