（光学工程专业论文）基于pci总线的ps版平面图像实时判别系统的研究.pdf

摘要 摘要 本课题是与温州科希盟和创信息技术有限公司合作的项目，项目全称为p s 版 自动视觉检查堆垛系统，该项目为温州科委立项项目。我方将完成p s 版自动视觉 检查堆垛系统的平面视觉检测系统部分。本文论述了该系统采集的基本原理，系统 地介绍了e d a 工具、p c i 总线的协议基础及其接口硬件电路的实现。在v i s u a l c + + 6 0 环境下用w i n d r i v e r 开发了p c i 总线接口卡的软件驱动程序，利用示波器及 其在p c 机上对p s 版采集系统所采集的数据进行了验证，取得了较为满意的结果， 达到了用户提出的设计要求。 本课题主要完成了以下工作： 1 、在调研工作和理论分析的基础上，提出了基于线阵c c d 的缺陷判别技术的 p s 版实时检测方案。 2 、设计了p s 版检测系统中，采集p s 版图像信息的光学系统、机械结构， p c i 9 0 5 2 采集卡硬件电路，编写了软件驱动程序，开辟了软件控制数字电 位器的通路，在电路设计中采用了流行的高性能现场可编程逻辑器件，c c d 驱动电路、存储电路、接口电路中的关键信号均由可编程逻辑器件产生， 提高了电路板的调试效率，增加了美观性。 3 、理论上探讨了课题中遇到的问题和解决方法，对采集系统的改进提出了进 一步的思路。 关键词：线阵c c d ，p s 版视觉检测系统，p c i 总线接口 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sc o o p e r a t e dw i t hk e x i m e n gc o r p o r a t i o ni nw e n z h o u ，w h i c hf u l l n a m ei st h ei n s p e c t i o ns y s t e mo ft h ep s p r i m i n gp l a t e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o ft h i ss y s t e ma n dt h eo p t i c a ls y s t e m ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e b e s i d e s ，i tr e l a t e st h e p r i n c i p l eo fc c d ，p c p r o t o c o l 2 2b a s ea n di t sr e a l i z a t i o no fp c ii n t e r f a c ec a r d t h e d r i v e rp r o g r a mi sd e v e l o p e du s ew i n d r i v e ri nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0 t h e a c q u i s i t i o nd a t ao ft h ep sp r i n t i n gp l a t ei sv a l i d a t e dw i t ho s c i l l o g r a p ha n do u rc o m p u t e r ， a n dt h er e s u l ti ss a t i s f y i n g t h em a i nt a s k so f t h i st h e s i sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 a f t e ro u rs t u d ya n dt h e o r ya n a l y s i s ，t h es c h e m eo ft h er e a lt i m et e s to ft h ep s p r i m i n gp l a t ew i t hl i m i t a t i o nd i s t i n c tt e c h n o l o g yb a s e do nl i n e a rc c dh a sb e e n i n t r o d u e e d 2 i nt h i st e s ts y s t e m ，t h eo p f i c ms y s t e m ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h ep c i 9 0 5 2 a c q u i s i t i o nc a r do ft h ep sp r i m i n gp l a t ei m a g ec o l l e c t i o n b e s i d e s ，1w i l lw r i t et h e d r i v e rp r o g r a ma n dk e e pa w a yt h er o u t eo fc o n t r o lt h e d i g i t a lr e s i s t o rw i m s o f t w a r e i nd e s i g n i n gt h ec i r c u i t ，t h ec p l di su s e dt op r o d u c et h ek e ys i g n a lo f t h ec c dd r i v e rc i r c u i t , s t o r a g ec i r c u i ta n di n t e r f a c ec i r c u i t ，w h i c hi m p r o v et h e d e b u ge f f i c i e n c y 3 t h ep r o b l e me n c o u n t e r e da n di t ss o l u t i o nm e t h o dw i l lb ed i s c u s s e da n d1w i l l p u tf o r w a r dt h ef u r t h e rw a y t oi m p r o v et h es y s t e m k e yw o r d s ：l i n e a rc c d ，v i s i o nt e s ts y s t e mo f p sp r i n t i n gp l a t e ，p c ii n t e r f a c ec a r d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘茎或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乞态签字日期：谢年，月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤逮盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：2 态 导师签名：忑藏嗡 签字日期：w 年7月 ；日 签字日期：乒嘶1 月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1p s 版平面视觉检测系统的发展现状1 】【2 】 上个世纪，从7 0 年代到9 0 年代的2 0 年，是我国p s 版生产缓慢增长时期，全 国的产量从数十万平方米年增至1 0 0 0 万平方米年，虽然增幅不小，但是赶不 上同期印刷对p s 版需求的增长，9 0 年代至2 0 0 0 年是p s 版行业迅猛发展时期。从 = 十世纪末最后两年对全国p s 版产量的统计，就可以看出这一时期发展的大致情 况。1 9 9 9 年，全国p s 版产量为4 3 4 7 7 6 万平方米；2 0 0 0 年，产量就达到了5 0 0 7 2 0 万平方米。一年间的增长量几乎达到8 0 年代末的一年的生产水平。 从现在情况来看，我国p s 版材生产及检测与国际先进水平之间确实存在较大 差距。如在生产速度上，国际先进水平的生产线可达到5 0 米分以上，我国多数 厂家的生产速度为6 米分。又如，在自动化水平上，国内部分厂家还缺乏科学化、 数据化管理，有时要凭有经验的操作者目测控制质量，难免造成产品的不一致。 在国内，p s 版生产厂商在生产线后部工艺自动化上长期存在难题，p s 版材生 产线上的检测目前国内主要是人工进行目测，不但工作环境恶劣，化学物质对工人 身体有害，而且由人为原因引起的错判，漏判时有发生。仅有的生产线上利用c c d 自动检测系统均是从国外进口的，价格昂贵。在国外，美国、日本、加拿大、英国、 瑞士等国家对c c d 扫描检测有较深的研究。英国p r o c e s sl i n e 公司则是目前全球 唯一提供p s 版版面c c d 扫描产品的厂商，其他厂商提供的应用大部分都集中在电 子、医疗等领域。 该课题正是在这种背景下，由温州科希盟和创信息技术有限公司向温州科委申 请了p s 版自动视觉检查堆垛系统这个课题，我方负责本课题中的p s 版平面 视觉检测系统部分。 1 2 本课题的意义 c c d 用于尺寸，位移测量及其图像采集判别是非常有效，成熟的技术，由于c c d 第一章绪论 本身具有高分辨率，高灵敏度，像素位置信息强，结构紧凑及其自扫描的特性，所 以应用c c d 进行图像采集和判别往往不需要配置复杂的机械运动机构，从而减少产 生误差的来源，而且具有采集速度快，精度高，实时性强的特点。采用c c d 探测头 对p s 版表面进行图像特征采集，利用计算机处理采集数据，具有很大的可行性， 可以实现连续的高速采集，使人为因素的影响降到最低，从而提高了工厂的自动化 程度和工人的劳动效率，因此本判别系统具有很大的实际应用价值和广泛的应用前 景。总之，我们所研究的p s 版平面视觉检测系统具有重大意义： 1 应用本高速实时采集系统提高了生产效率，减少了不良品的数量，从而为 相关产业降低了成本。 2 改善了员工在昏暗，高温，含有有毒气体的环境下工作的现状，不但节省 了劳动力，而且降低了很多人为因素造成的影响。 3 本系统易于安装调试，见效快，易维护，并且具有可扩展性，随着生产线 速度的提高，可以在此基础上加以改进。 4 由于国外类似的视觉检测系统价格昂贵，国内企业很少使用，本系统的开 发解决了此难题，填补了国内此项技术的空白。 1 3本课题工作内容和创新点 本课题的工作内容包括： 1 在理论分析的基础上，提出了基于线阵c c d 的拼接技术实时采集p s 版表 面特征并进行判别的方案。 2 完成p s 板表面视觉检测系统光学及其机械部分的部分设计。 3 设计p c i 总线接口硬件电路，硬件二值化采集取得的结果由c p l d 控制通 过p c i 总线接口器件p c i 9 0 5 2 传入计算机内存，同时由c p l d 为软件发出的指令开 辟通道，控制数字电位器。 4 根据硬件设计思想，编写整个设备的驱动程序，主要目的是配合硬件电路 工作，为数据传输分配资源。 5 对硬件电路及其软件驱动程序进行联合调试，验证判别结果。 本课题有以下创新点： l - 在方案中采用了具有创新性的多个线阵c c d 并行同步检测大幅p s 版质量 的方案。 第一章绪论 2 多个线阵c c d 双闽值二值化数据计算机p c 总线高速数据采集的技术路线 也具有创新性。 第二章系统总体设计方案 第二章系统总体设计方案 2 1 系统总体结构【3 】 4 】【5 】【6 】 本生产线p s 版实时检测系统主要是由固定c c d 和光源的机械结构，光源成像 结构，及其c c d 驱动电路，模拟信号放大电路，硬件二值化采集电路，数字信号 存储电路，p c i 总线采集卡组成，如图2 - 1 所示。其丰要功能是将p s 版表面信息 的光信号转换成c c d 的视频信号输出，数字化后存入存储器，经过接口电路将数 字信号输入到计算机内存。 图2 - 1 系统总体结构 本系统采用对p s 版为盲色的黄光照明，利用8 个c c d 摄像头进行机械拼接， 将p s 版表面成像在c c d 焦平面上，由c c d 驱动电路产生s h ，f i ，f 2 , r s 驱动脉冲， 使c c d 开始采集工作，采集到的p s 版的模拟信号经过放大器放大，然后进行硬件 二值化处理( 其中二值化的域值信号由数字电位器进行控制) ，最后将数据存入缓 存，通过p c i 总线接口器件送入计算机内存进行判别。其中本人主要负责p c i 总线 接口卡及其驱动程序的设计。 接口卡及其驱动程序的设计。 第二章系统总体设计方案 2 2 系统开发平台及其工具的选择 1 ) 硬件平台的选择 考虑到p c 机升级方便且成本较低，为了兼顾技术的可行性、可扩展性，以及 安装的方便，本课题采用p c 机作为硬件试验平台。 2 1 软件平台的选择 现在市场上的主流p c 机操作系统还是以m i c r o s o f tw i n d o w s 为首，在其上安 装应用软件方便，且系统稳定性较高，因此初步选择w i n d o w s 作为软件开发平台。 3 ) 驱动程序开发工具的选择 m i c r o s o f t 公司提供了w i n d o w s 9 8 9 5 ，w i n d o w s 2 0 0 0 ，w i n d o w sn t 等多个版本 的操作系统，这些版本所采用的核心技术是不尽相同的，为了保持兼容性，m i c r o s o f t 公司鼓励w i n d o w s 程序员利用w i n 3 2a p i ，以使得应用程序在这些操作系统平台下 都能运行。但是由于设各驱动程序运行在操作系统的底层( r i n g0 层) ，w i n 3 2a p i ( r i n 9 3 层) 不能使用，因此，不同的操作系统必然有不同的设备驱动程序编制方 法。 虽然w i n d o w s 9 8 与w i n d o w s 9 5 操作系统相比，技术有了很大程度的提高，比 如w i n 9 8 操作系统增加了对硬件的支持等，但是其底层结构基本没有改变，因此， 针对w i n d o w s 9 5 编写的设备驱动程序，可以在基本上不需要修改的情况下运行在 w i n 9 5 或w i n 9 8 平台上。 由于w i n 2 0 0 0 及其w i n d o w sn t 操作系统采用了比w i n d o w s 9 x 先进的多的设 计技术，驱动程序使得系统具有更好的灵活性。然而w i n d o w sn t 和w i n d o w s 2 0 0 0 在设计上却不再保持与w i n d o w s 9 x 的兼容性，为后者编写的设备驱动程序不能再 在w i n d o w sn t 下使用，现在开发驱动程序的工具主要有d r i v e r s t u d i o ，d d k ， w i n d r i v e r 。m i c r o s o f t 公司鼓励程序员使用d d k 进行驱动程序的开发，用它开发出 的驱动程序与w i n d o w s 操作系统可以结合的很好，但是它相对来说开发周期长。 d f i v e r s m d i o 是一个集成驱动开发包，它包括v t o o l s d 和d r i v e r w o r k s ，即可以开发 w i n 9 x 中的虚拟设备驱动程序，又可以开发w i n n t , w i n 2 0 0 0 下的驱动程序，功能 比较强大，但是开发周期相对较长。w i n d r i v e r 是开发周期最短，相对最容易的开 发驱程的工具，由于本课题时间比较紧迫，因此采用w i n d r i v e r 开发。 4 ) e d a 工具的选择 随着电子技术的不断发展和进步，电子系统的设计方法发生了很大的变化，传 统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于e d a 技术的芯片设计正成为电子系统 设计的主流。大规模可编程逻辑器件f p g a 是当今应用广泛的可编程专用集成电路 ( a s i c ) 之一，它可以用于任意任何数字逻辑系统。f p g a 将半定制门阵列电路的 第二章系统总体设计方案 优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性结合在一起，使其不仅包括大量的门电 路，且具有很高的速度，是设计的电子产品达到小型化、集成化、可靠性高，电子 工程师可以利用它在办公室或者实验室里设计开发出所需要的专用集成电路，从而 大大降低了开发成本，极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。 设计基于f p g a 器件的电路，其输入方式有两种：一种是基于原理图的交互式 图形输入方法，另一种是基于硬件描述语言v h d l 的输入方法。用原理图方式输 入比较直观快捷，但随着电路规模及其复杂度的增加，语言输入方式的优越性得到 充足的表现，它使得设计师能够在更抽象的层次上描述和把握系统。v h d l 语言作 为i e e e 标准设计语言，是电子c a d 技术发展的重要里程碑，作为一种硬件设计 时采用的描述性语言，v h d l 主要用于设计大规模数字硬件系统。 本课题采用a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s 器件。e d a 工具使用m a x p l u s i i ， m a x p l u si i 是a l t e r a 公司提供的专用e d a 集成开发工具。它完美的集成了 s y n o p s y s f p g a e x p r e s s 的h d l 综合系统，提供多层次原理图设计流程、h d l 设计 流程的综合和优化。 5 ) 其他工具 本课题还使用了p r o t e l 9 9 s e ，v c + + ，a u t o c a d 等软件，它们为大量工作 的完成提供了方便。 第三章e d a 工具及其p c i 总线协议基础 第三章e d a 工具及其p c i 总线协议基础 3 1e d a 工具8 3 1 1e d a 工具概述 e d a 工具的发展经历了两个阶段，物理工具和逻辑工具。物理工具用 来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局，印刷电路版布线等等，逻辑 工具基于网表，布尔逻辑和传输时序等概念。首先由原理图编译器或硬件 描述语言进行设计输入，然后利用e d a 系统完成综合，仿真，优化等过程， 最后生成物理工具可以接受的网表或v h d l ，v e r i l o gh d l 的结构化描述， 现在常见的e d a 工具有编译器，仿真器，检查，分析工具和优化综合工具 等。 从应用的角度来看，e d a 软件应该包括以下子模块：设计输入子模块： 该模块接受用户的设计描述，并进行语法，语义检查，在检查通过后，将 用户的描述数据转化为e d a 系统的内部数据格式，存入数据库中备用，该 模块一般包含一个编译器和一个分析器。 设计数据库子系统：存放系统提供的库单元以及用户的设计描述和中 间设计结果。 分析验证子系统：包括各个层次的模拟验证，设计规则验证，故障诊 断等。 综合子系统：包括各个层次的综合工具。 布局布线子系统：该子系统实现由逻辑设计到物理实现的映射，与物 理实现的方式紧密相关。 划分子系统：把一个大电路划分成几个小电路。 3 1 2e d a 技术的基本设计方法 1 电路级设计 电子工程师接受系统设计任务以后，首先要确定设计方案，然后选择 第三章e d a 工具及其p c i 总线协议基础 合适的元器件，再根据具体的元器件设计电路原理图，接着进行第一次仿 真，包括数字电路的逻辑模拟，故障分析，模拟电路的交直流分析，瞬态 分析。系统在进行仿真时必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输 入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器，这一次仿真主要是 检验设计方案在功能上的正确性。 仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行p c b 板的布局布 线，在制作p c b 板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声、及串绕分 析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回 电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是验证p c b 板 在实际工作环境中的可行性。电路级的e d a 技术使电子工程师在实际的 电子系统产生之前，就可以全面的了解系统的功能特性和物理特性，从而 将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低 了开发成本。 2 系统级设计 目前电子信息类产品的开发出现了两个特点：一是产品的复杂程度增 加，二是产品的上市时限紧迫，电路级设计本质上是基于门级描述的单层 次设计，设计的所有工作都是在基本逻辑门达一层次上进行的，这种设计 方法不能适应新的形势，这样就引入了一种高层次的电子设计方法一一系 统级的设计方法。 高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员针对设计目标进行 功能描述，无需通过门级原理图描述电路，摆脱了电路细节的束缚，设计 人员可以把精力集中于创造性的概念构思与方案上，一旦这些概念构思以 高层次描述的形式输入计算机之后，e d a 系统就能以规则驱动的方式自动 完成整个设计，这样，新的概念得以迅速有效的成为产品，大大缩短了产 品的研制周期，不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不 涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下利用综合优化工具可以将高层次描 述转化为针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。 高层次设计步骤如下： 1 按“自顶向下”的设计方法进行系统划分。 2 输入代码，这是高层次设计中普遍的输入方式，此外，还可以采用图形 输入方式。 将以上的设计输入进行编译，对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真， 主要是检查系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合，适配要花 第三章e d a 工具及其p c i 总线协议基础 费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时 间，在一般情况下，可略去这一仿真步骤。 利用综合器对源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件， 这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤，所谓综合，就是将设计描 述划简到底层电路表示是从设计描述转化为网表或方程生成的过程，综 合优化是针对a s i c 芯片供应商的某一产品 3 1 3m a x p l u s i i 软件简介”们 m a x p l u s l i 是一个功能非常强大的e d a 软件，利用它可以方便灵活的设 计出体积小而系统性能高的数字电子系统，彻底的改变了传统数字系统的 设计方法、设计过程乃至设计观念，拓宽了电子设计和产品开发的思路， 是电子技术设计领域的一场革命。 m a x p l u si i 工具可运行在u n i x 、i i y i n d o w sn t 、w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 、l i n d o w sm e 和w i n d o w sx p 等几乎所有目前流行的操作系统下，是 一个用于可编程逻辑器件的集成化软件包，包括c 1 a s s i c 、m a x 3 0 0 0 a 、 m a x 5 0 0 0 、m a x t 0 0 0 、m a x 9 0 0 0 、f l e x 6 0 0 0 、f l e x 8 0 0 0 以及f l e x l 0 k 等系列 器件。 m a x p l u s i i 软件的输入方式有图形输入、文本输入和波形输入三种，分 别利用m a x p l u sl i 中的g r a p h i ce d i t o r 、t e x te d i t o r 和w a v e f o r me d i t o r 。 图形输入即输入电路原理图，不仅可以使用b i a x p l u s i i 中的丰富的图形器 件库，而且 设计输入 iv t a x + p l u sl liim a x + p l u si il i 图形编辑器il 文本编辑器l im a x + p u s i iilm a x + p l u s i ii l 波形编辑器il 符号编辑嚣i 器件仿真 至匦亘匠 设计实现 严鬲硼 i塑堡整l 设计验证 匮 图3 1 编译环境示意图 - 9 圈 第三章e d a 上具及其p c i 总线协议基础 可以使用几乎全部的标准e d a 设计工具。文本输入方式支持a l t e r a 公司的 a h d l 语言，同时兼容v h d l 和v e t i lo gh d l 。波形输入最有特点，它允许设 计者只通过编辑输入波形，而由系统自动生成该功能模块。 m a x p l u s i i 软件由逻辑设计输入、设计实现、设计验证、器件仿真四大 部分组成，如图3 1 所示。其主要功能与特点如下： 设计输入、处理、编译、验证、仿真、下载全部集成在统一的开发环 境中，易学易用。 设计环境与芯片或结构无关，简化了开发、设计过程。 有丰富的模块化设计工具和器件库。 支持硬件描述语言( a h d l 、v h d l 等) 。 提供m e g a c o r e 系统级功能。 具有内核开放功能，允许用户添加宏函数。 3 2 p c i 总线协议基础1 p c i 总线的英文全称是p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e c i a l i n t e r e s tg r o u p ，简称p c i s ig ，即外设部件互联。p c i 局部总线是高速的3 2 位或6 4 位的地址数据复用的总线。总线在外围的控制器件和处理器，存储 器系统，外围的a d d i n 板卡间作为互联机制。p c i 局部总线协议2 2 对 于p c 局部总线器件和扩展板包括电气，机械和配置协议。电气规定提供 5 v 和3 3 v 的信号环境。 框图( 图3 2 ) 显示了一个典型的p c i 总线系统结构，在这个例子 中，处理器，缓存，存储器子系统通过p c i 桥连接p c i ，p c i 桥通过处理 器直接访问存储器或i o 地址空间映射的p c i 设备提供低的潜在的路径。 它也提供了一个高的带宽的路径访问允许p c i 主设备直接访问主存。 尽管扩展功能不需要，典型的p c i 局部总线将支持多达4 个a d d i n 板上连接器，p c ia d d i n 板连接器是一个微通道型连接器，相同的p c i 扩 展板能够被用于i s a ，e i s a 和基于微通道的系统。p c i 扩展板使用一个边 缘连接器和一个允许母连接器平行安装于系统总线连接器上的主板。为了 提供一个快速和简便的5 v 到3 3 v 组件技术的转变，p c i 定义了两个a d d i n 板连接器，一个用于5 v 的信号环境，另一个用于3 3 v 的信号环境。 第三章e d a 工具及其p c i 总线协议基础 p c i 总线协议定义了配置空间的组织方式，使硬件设备支持即插即用 和系统资源动态配置。了解配置空间的组织方式对p c i 总线接口开发至关 重要，下面对p c i 总线设备中配置空间的编程模式和使用规则作简要说明。 配置空间是一个容量为2 5 6 字节，并有特定记录结构或模式的地址空 间，分为头标区和设备有关区两个部分，其中头标区长度为6 4 个字节，每 个p c i 设备都必须有相应的寄存器设备支持头标区，其具体结构见表3 1 。 头标区中有5 个字段涉及设备的识别：设备识别字段( d e v i c ei d ) 用 以标明特定设备，具体代码由供应商来分配；供应商识别字段( v e n d o ri d ) 用以标明设备的制造者，一个有效的供应商识别字段由p c is i g 来分配， 以保证他的唯一性( 0 f f f h 使该字段得无效值) ；修改识别字段( r e v i s i o n i d ) 用于指定一个设备特有的修改识别代码，其值由供应商选定，也可将 此设备视为此设备的版本号；头标类型字段( h e a d e rt y p e ) 有两个作用， 一个是用来表示配置空间内字节1 0 h 到3 f h 的布局类型( 位o 一位6 指出 字节1 0 h 到3 f h 的布局情况) ，二是用于指出设备是否包含多功能( 位7 为0 表示相应的设备为单功能设备，为1 则表示该设备为多功能设备) ；分 类代码字段( c l a s sc o d e ) 用来标识设备的总体功能和特定的寄存器级编 程接口。 图3 2p c i 总线系统结构 第三章e d a 工具及其p c i 总线协议基础 表3 - 2 配置空间头标区 b y 【e )h 丫r e 2b v l 屯|b y l 。e o 设备i o：e 斗黯i d 鼍l c 态谁本= 器奇争寄存器 袭碍寄存器t 一”媛而， b j $ r 设篱头类型王正最计时嚣 ! 疆存行j ：十 型毛l 鸯存器。 蓥址寄存豢l 墓址寄存摹2 基址商存鼍3 蔫址寄存蠢4 基址崭存暴5 一 一 镬i 尊缝c s 揩竹 子幕统 l子莱援生产裔l d 扩脏r o m 基址 保证 镶留 壤太鞋迅时两i器小占用时问l 中馘脚鬻存嚣 中断娃毒存糙 3 3 p c i 总线的传输协议 p c i 总线上所有的数据传输基本上都是由以下三条信号线控制的： f r a m e # ：由主设备驱动，指明一个数据传输的起始和结束。 i r d y # ：由主设备驱动，指明一个设备的起始和结束。 t r d y # ：由从设备驱动，允许插入等待状态。 当数据有效时，数据资源需要无条件设置x r d y # ，接收方可以在适当 的时间发出它的x r d y # 信号，f r a m e # 信号有效后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。下一个时钟前沿开始一个( 多 个) 数据期，每逢l r d y # 和t r d y # 同时有效时，所对应的时钟前沿就使 数据在主从设备之间传送，在此期间可由主设备或从设备分别利用主设备 i r d y # 或t r d y # 的无效而插入等待周期。 一旦主设备设置了i r d y # 信号，将不能改变i r d y # 和f r a m e # ，直 到当前的数据区完成为止，而一个从设备一旦设置了t r d y # 信号或s t o p # 信号，就不能改变d v s e l # ，t r d y # 或s t o p # ，直到当前的数据期完成。也 就是说，不管是主设备还是从设备，只要是承诺了数据传输，就要进行到 底。 当到最后一次数据传输时，主设备应撤销f r a m e # 信号，而建立i r d y 叭甑们雌晰舯挑m堙n m 博 第三章 e d at 具及其p c i 总线协议基础 # 信号，表明主设备已做好了最后一次数据传输的准备，待到从设备的 t r d y # 信号后，就说明最后一次数据传输已经完成，f r a m e # 和i r d y # 均撤销，接口回到了空闲状态。 3 4p c i 总线与i s a ，e is a ，v e s a 总线比较”2 1 p c i 局部总线的用途是为了满足外设之间，外设与主存之间高速数据 传输而设计的。 目前在主流微机上比较流行的有两种标准化总线，一种是标准的1 0 总线，或称底板总线，另一种是局部总线。i s a 和e i s a 较早流行，他有 大量扩展卡提供i o 功能，它的开放性和兼容性都比较好，比较适合用于 较低速的i o 设备，而且因大量生产，其成本比较低廉。 这两种i o 总线的主要缺点：i s a 只有8 位或1 6 位两档，其最高传输 速率为8 m b y t e s ：e i s a 以兼容于i s a 为主要目标，虽然他可以加强能支 持3 2 位数据，3 2 位地址，速率已达3 2 m b y t e s ，但其成本比较高。i b m 公 司的微通道( m c ) 也可认为是一种标准总线，由于专列的封闭性，还难 以广泛流行。 标准化的局部总线则以v e s a 与p c i 较流行，v e s a 的特点是更适用 于视频显示信号，奔腾处理器的引入，信号适应性更强的p c i 总线应运而 生。p c i 总线有着较好的应用和发展前景。当然，p c i 是局部总线，在系 统中仍需要i s a e i s a 总线的支持。i s a ，e i s a ，v i s a ，p c i 总线的特点见表 3 2 。 表3 - 2i s a ，e i s a ，v i s a ，p c i 总线特点的比较 总线名称 i s ae i s av e s ap c i 数据传输位 8 1 68 1 6 3 21 6 3 2 3 2 6 4 数 系统配置能资源冲突突有条件的自较差最强 力出动配置 配置方便性人工，不方便用e i s a 配置一般全自动最方 程序便 峰值最高速 = 8 m b s = 3 3 m b s = 13 2 m b s 翌h 厂_ 芫 勺 n 7 o t j e 即 z g 4 中断发生器：p c i 9 0 5 2 能通过两个图4 - 2 p c i 9 0 5 2 信号接口示意图 局部总线中断输入产生一个p c i 中断输出，或通过对中断寄存器的相应位置位 的软件方式产生中断。 5 时钟：p c i 9 0 5 2 的局部总线时钟可与p c i 时钟异步工作，局部总线的时钟 可以工作在0 - - 4 0 m h z 范围内，也可将p c i 总线时钟输出( b c l k 0 ) 通过个5 0 欧 的电阻接入到局部总线时钟输入。 6 可编程的局部总线配置：p c i 9 0 5 2 支持8 、1 6 、3 2 位的局部总线，局部总 线地址线和数据线可复用也可相互独立。 7 先读模式：p c i 9 0 5 2 支持先读模式，预取的数据可以通过p c i 9 0 5 2 的内部 f i f o 缓冲存储器读出，而不必直接从局部总线上读取数据，提高了数据传输效率， 但是读取数据时局部总线地址必须前后相接，而且3 2 位对齐( 下一个地址= 当前 地址+ 4 ) 。 注1 ：在这种工作模式下，当p c i 9 0 5 2 局部总线端速度较慢，片内读先入先出存储 芯片为空，p c i 总线处于等待状态，这时如果p c i 总线上某一主控设备需通过 p c i 总线写操作，处于等待状态的读操作立即结束。 注2 ：该位有效时，如果p c i 总线读操作未将p c i 9 0 5 2 片内读f i f 0 存储器中预取 的数据读完，下次p c i 总线读操作时片内f i f 0 存储器中的数据会继续有效， 不会被清除。 注3 ：在这种工作模式下，当p c i 9 0 5 2 局部总线端速度较慢，片内读先入先出存储 芯片为空，p c i 总线处于等待状态，这时如果p c i 总线上某一主控设备需通过 p c i 总线写操作，该写操作马上进入延迟状态，延迟的时钟周期由位2 2 ：1 9 定义。 注4 ：当p c i 总线对p c i 9 0 5 2 写入数据，而且p c i 9 0 5 2 片内写f i f 0 存储器已满，写 第四章p c i 总线接口设计的实现 操作进入延迟状态。 作为通用的p c i 接口芯片，p c i 9 0 5 2 灵活的功能设置可适应多种数据采集 的使用场合，完全满足视频采集卡的设计要求。 4 1 1 3e p m 7 12 8 s 简介“5 e p m 7 1 2 8 s 是a l t e r a 公司生产的m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d ，是最普遍利用 的c p l d 之一。它含有1 2 8 个宏单元，能满足一般的逻辑电路的设计要求， 而且其有p l c c 封装形式，可以通过p l c c 插座容易的实现p c b 插装设计， 为调试带来方便。 设计中逻辑电路采用一片可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 s 芯片，用于控制数 据r hi d t 7 0 2 5 写入p c i 9 0 5 2 ，并且由软件生成的两个控制信号s d a ，s c l ，通 过p c i 9 0 5 2 ，由e p m 7 1 2 8 s 控制数字电位器，其中e p m 7 1 2 8 s 还有隔离读写 控制的功能，并要产生查询逻辑。 4 1 1 49 3 l c 4 6 b 简介m 1 在本设计中采用的外围串行e e p r o m 是h o l t e x 公司生产的9 3 l c 4 6 ， 它是一种低功耗c m o s 类型的l k 电可擦写存储器，其内部结构如图4 - 3 所示。 c s s k o r g d 1 图4 - 39 3 l c 4 6 内部原理图 v r r v s s 第四章p c i 总线接口设计的实现 硬件电路是否正常工作，最主要取决于e e p r o m 内部值的编写是否正确，串 行e e p r o m 存储了p c i 9 0 5 2 的重要配置信息，如设备号、制造商号、子设备号、 子制造商号、中断号、设备类型号、局部空间基地址、局部空间大小及映射类型、 局部空间描述、片选响应、中断控制和状态以及局部响应控制c n t r l 等信息。 在本设计中，局部总线采用1 6 b i t ，局部存储器映射在p c i 9 0 5 2 的0 # 局部地址 空间( l o c a la d d r e s ss p a c e 0 ) ；为了对局部总线上的存储器进行访问，需要将 5 4 k b y t e 的外围存储器映射到内存地址空间，1 6 进制表示为0 x 1 8 0 0 ：操作系统即插 即用系统( p n p ) 将为其分配物理内存空间，如地址范围：( d d 9 0 0 0 0 0 d d 9 0 3 f f f ) 。 设计中采用突发方式传输，读写时可预取，总线非复用模式。根据这些可以将串行 e e p r o m 的内容设计为如下图所示的值( 地址和内容均用1 6 进制) ： 图4 - 49 3 c s 4 6 内部配置数值 4 1 2p c i 9 0 5 2 p c i 9 0 5 4 以及$ 5 9 3 3 的比较m 1 $ 5 9 3 3 是一款功能强，使用灵活的p c i 总线控制器接口芯片，采用1 6 0 p q f p 和2 0 8 t q f p 两种封装形式。该芯片符合p c i 局部总线规范2 1 版，可作为p c i 目 标设备，实现基本的传输要求，也可作为p c i 总线主控设备，访问其他p c i 总线设 备。其峰值传输速率为1 3 2 m b s ，( 3 2 位p c i 数据线) ，曾经被广泛使用。$ 5 9 3 3 提 供了p c ib u s ，e x t e r n a lb i o s 及a d do n 三个接口，复杂的p c i 接口规范完全由 $ 5 9 3 3 实现，只需设计a d do n 接口电路及编制可选的e x t e r n a lb i o s 即可，从而加 速了设计进程。但是由于$ 5 9 3 3 价格昂贵，已经逐渐有被淘汰的趋势，因此没有选 第四章p c i 总线接口设计的实现 择咳芯片。 p c i 9 0 5 4 是一款最近十分流行的功能强大，使用灵活的p c i 总线控制接口芯片， 采用1 7 6 p i np q f p 和2 2 5 一p i np b g a 封装，该芯片符合p c i 总线规范2 2 版，既可 以作为p c i 的目标设备，又可以作为p c i 的主设备，同时拥有两个d m a 传输通道， 支持d m a 传输。其峰值传输速度可以达到1 3 2 m b s 。另外，它还支持突发传输， 中断控制，拥有热插拔管理，电源管理等功能，具有地址数据复用，地址数据非复 用，及其i s a 三种模式，提供了p c ib u s ，l o c a lb u s 及其e e p r o m 配置三个接 口。复杂的p c i 接口规范完全由p c i 9 0 5 4 实现，只需设计l o c a l b u s 接口电路及 配置e e p r o m 即可，节省了开发时间。但是由于p c i 9 0 5 4 配置寄存器多样，比较 复杂，开发难度较大。又由于我们所要求的检测速度并不快，要求p c i 总线传输速 度达到4 m b s 就可以，并且我们实验室有现成的p c i 9 0 5 2 芯片，可以直接使用， 所以最终选择了一个同是p l x 公司的p c i 9 0 5 2 芯片进行开发。 p c i 9 0 5 2 与p c i 9 0 5 4 的主要区别在于它不支持d m a 传输，也不支持主模式， 只有使用从模式，而凡是基于x 8 6 系统构建的计算机都不支持突发模式，所以虽然 p c i 9 0 5 2 芯片本身支持突发模式，但是在实际应用中，采用突发方式一次最多突发 两个双字，也就是说它的峰值速度最快能够达到1 0 m b s 。它可以满足对于系统要 求速度不是很快的场合。 4 1 3 双口r a i d ，f l f 0 ，年口s r a m 的比较“羽 对于f i f o ，数据按顺序存储在r a m 阵列中，在r a m 周围有独立的读写时钟， 分别控制各自的指针在r a m 上移动，写入及读出数据。为了防止数据溢出，当读 指针与写指针位置之差为总存储量时，满标志e f 变低，禁止进一步的写入操作。 当读指针与写指针位置之差为零时，空标志e f 变低，禁止进一步的读出操作。由 于读写时钟是独立的，在不出现空或满的状态下，可同时读写f i f o 。f i f o 器件采 取先进先出的顺序，不需要对其进行类似r a m 的地址操作，不存在地址线，节省 了控制芯片的端口资源。f i f o 具有相互独立的读使能信号，读时钟信号和写使能 信号，写时钟信号，使f i f o 在写入数据的同时能够读出数据，写入和读出这两种 操作可同时进行，相互间没有影响。f i f o 存储器就象数据管道一样，数据从管道 的一头流入、从另一头流出，先进入的数据先流出。f i f o 具有两套数据线而无地 址线，可在其一端写操作而在另一