（仪器科学与技术专业论文）基于pci总线的x光谱数据采集卡的设计与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 工业计算机层析成象或称工业断层扫描成象，简称i c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e d t o m o g r a p h y ) ，其基本原理与医用c t 相似，均是基于射线检测的原理。由于工业 x c t 系统中使用的x 射线是多色谱，能量不同的x 射线与物质作用的机理不同， 将产生射线( 束) 硬化( b e a m h a r d e n i n g ) ，从而引起c t 图象的“压杯( c u p p i n g ) ” 伪象( a r t i f a c t ) 。在这种情况下，如果了解x 射线( 即x 光) 与不同物质作用前、 后的能谱情况，就能够对c t 图象进行适当的硬化校正。x 射线的能谱可由x 光 谱仪测量，本论文研究一种基于p c i 总线的x 光谱仪数据采集系统，以及相关软 件的开发。 论文在充分比较了国内外x 光谱数据采集系统的基础上，选择基于p c i 总线的 x 射线光谱数据采集接口方案。基此，论文详细介绍了p c i 总线结构和特点，并对 p c i 总线操作、配置空间、数据传输方式等作了阐述。结合板卡的硬件设计，论文 详细阐述了各部分的具体设计思想，其中对于难度较大的c p l d ( 复杂可编程逻辑 器件) 设计，论文给出了时序和组合逻辑的设计图和仿真波形。驱动程序是操作 系统中控制硬件的模块，它提供硬件设备的软件接口，论文对此进行了相应的介 绍和分析。在驱动程序的研究基础之上，论文讲述了数据采集软件中各种功能模 块在v i s u a lc + + 6 0 中的实现，并给出了部分界面、流程图和源代码等。 为缩短开发周期，论文中硬件设计是基于p c i 接口芯片p c i 9 0 3 0 完成，数据采 集软件是利用p l x 公司的软件开发套件，在w i n 9 8 2 0 0 0 系统下采用v i s u a lc + + 6 0 完成。 最后，针对整个系统的数据采集速率不理想等问题，论文给出了必要的解释， 并提出采用p c i 9 0 5 4 或采用l i n u x 嵌入式系统进行改进的建议。 关键词：工业x c t ，x 射线硬化，x 光谱数据采集卡，p c i 总线，p c i 9 0 3 0 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l eo fi n d u s t r i a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y ( i c t ) i sj u s tt h es a m ew i t h t h a to fm e d i c a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y ( m c t ) t h c ya r ea l lb a s e do nr a y - d e t e c t i o n i ni n d u s t r i a lx c ts y s t e m ，c u p p i n ga r t i f a c tc a u s e db yb e a mh a r d e n i n gi so f t e n o c c u r r e d ，t h a ti sb e c a u s ei ti sd i f f e r e n tt h a tt h em e c h a n i s mo fx r a y sr e a c t i o no n s u b s t a n c eo b j e c ts i n c ex - r a yi sm u l t i c o l o r i nt h i sc a s e i fh a v i n gl e a r n e dt h ex r a y s s t a t eb e f o r ex r a yr e a c t so nt h eo b j e c ta n dt h ex - r a y ss t a t ea f t e r w a r d ，h a r d i n g c o r r e c t i n gc a l lb ed o n ep r o p e r l y x - r a ye n e r g yd e t e c t i o ni su s u a l l yc o m p l e t e db y e n e r g yd e t e c t i o ni n s t r u m e n t w h a tt h ef o l l o w i n ga r t i c l ec o m p l e t e di st h ei n t e r f a c e s e g m e n tf o re n e r g yd e t e c t i o n a f t e rh a v i n gs u f f i c i e n t l yc o m p a r e dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m so v e r s e a sa n d h o m e ，p c ib u si sc h o s e na sa c q u i s i t i o ni n t e r f a c e b a s e do ni t ，t h ea r t i c l ef i r s t d e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n df e a t u r eo fp c ib u s ，t h e nd e t m l so p e r a t i o no np c ib u s ， c o n f i g u r es p a c e ，d a t at r a n s m i s s i o na n ds oo n r e l a t e dw i t ht h eh a r d w a r eo nt h ep c i c a r d ，t h ea u t h o rd e t m l st h ed e s i g ni d e ao ne v e r yp a r t s ，e s p e c i a l l yt h ep a r to fc p l d w h i c hi sd i f f i c u l tt od e s i g n f o rt h i sp a r t ，d e s i g nd r a w i n ga n ds i m u l a t i n gw a v ea r e a l s op r o v i d e d i na c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n o t h e ri m p o r t a n tp a r ti st h ed r i v e rf o ri tn o t o n l yc o n t r o l st h eh a r d w a r eb u ta l s op r o v i d e st h es o f t w a r ei n t e r f a c e a f t e rg i v i n g c o r r e s p o n d e n ti n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so nt h ed r i v e r , t h e a r t i c l et h e ni n t r o d u c e s e v e r yf u n c t i o nb l o c ki na c q u i s i t i o ns o f t w a r ew h i c hi sc o m p l e t e db a s e do nv i s u a lc + + 6 0 f o rt h i sp a r t ，s o m eo ft h eu s e ri n t e r f a c e ，f l o wc h a r ta n dr e s o u r c ec o d e sa r ea l s o p r o v i d e d i no r d e rt os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tp e r i o d ，t h eh a r d w a r ei nt h ea r t i c l ei s c o m p l e t e db a s e do np c i i n t e r f a c ed e v i c ep c i 9 0 3 0 a n dt h es o f t w a r ei sc o m p l e t e d b a s e do nv i s h a l c c + + 6 0o nt h ef l a t f o r n lo f w i n 9 8 2 0 0 0 a tl a s t ，a sf o r t h ep r o b l e mt h a td a t aa c q u i s i t i o nr a t ei sn o ti d e a l ，t h ea r t i c l eg i v e s t h er e a s o n a b l ee x p l a n a t i o n ，a n db r i n g sf o r w a r dt h ea d v i s eo fa d o p t i n gp c i 9 0 5 4o r l i n u xe m b e d d e ds y s t e m k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lx c t ，x r a yb e a mh a r d i n g ，x - r a yd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ， p c i b u s ，p c i 9 0 3 0 重庆大学硕士学位论文1 引言 1 引言 1 1 选题依据及研究意义 本课题的研究工作直接来源于国家自然科学基金项目“x 射线高分辨探测层 析成象技术的研究”( 项目编号：6 0 1 7 2 0 7 4 ) 及重庆市科技计划项目：荧光x 射线 计算机层析成象( f x c t ) 技术研究( 渝科发计字 2 0 0 2 1 1 6 号) 。 工业计算机层析成象或称工业断层扫描成象，简称i c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e d t o m o g r a p h y ) ，其基本原理与医用c t 相似，均是基于射线检测的理论。从使用的 射线源来看，工业c t 主要采用t 射线或x 射线。其中，7 射线以单色( 即单一能 量) 或近似单色谱居多，例如，1 37 c s 源放射出y 射线的能量是o ，6 6 1 k e v ，6 0 c o 源 放射出y 射线的能量为1 1 7 m e v 及1 3 3 m e v ，二者能量相差不大，其平均能量 1 2 5 m e v ，可近似为单一能量；而x 射线是由x 射线管或电子直线加速器所产生， 由此产生的x 射线能谱是一个连续谱线，即是说x 射线的能量是多色谱。由于 不同能量的x 射线与物质作用的机理不尽相同，因此，在工业x c t 系统中，x 射线与被检物作用后，因x 射线能谱的多色性将产生射线( 束) 硬化( b e a m h a r d e n i n g ) ，即射线向均匀物中心产生异常减少的衰减或吸收，从而引起c t 图象 “压杯( c u p p i n g ) ” 耨t ( a r t i f a c t ) 卜4 。在这种情况下，如果了解x 射线与不同物 质( 被检物) 作用前、后的能谱情况，就能够对c t 图象进行适当的硬化校正。 x 射线，也称x 光；x 光谱，即是x 射线的能谱。x 射线的能谱测量工作可 以由x 光谱仪来完成，本论文的研究工作即是x r 射线) 光谱仪中的数据采集系统及 相关软件的开发。 1 2 研究内容与特色 1 _ 2 1 主要研究内容 1 ) 开展了x 光谱数据采集系统的国内外文献的调研，确立了本论文x 光谱 仪数据采集系统整体方案。 2 ) 详细阐述了基于p c i 总线的数据采集卡的硬件研制及调试。 3 ) 就驱动程序的开发进行了研究，并详细阐述了数据采集软件的设计。 4 ) 对整个数据采集系统进行了性能测试。针对存在的问题，分析了原因并 提出了改进方案。 1 2 2 成果特色 经过近3 年的努力，研究工作取得了初步成果，p c i 数据采集卡已经设计并调 试成功，数据采集软件也初步设计完成；和国内外现有的x 光谱数据采集系统相 重庆大学硕士学位论文1 引言 比，具有一定的特色，主要表现在： 1 ) 基于台式微机和p c i 总线，数据传输率和处理能力很强。 2 ) 采集软件基于w i n 9 8 2 0 0 0 系统，采用可视化界面，并利用v i s u a lc c + + 6 0 编程，界面友好且有效实现了实时传输和动态显示 3 ) 本采集系统软硬件方案是兼顾了台式机和嵌入式微机p c i 0 4 一p l u s 而选 择，在台式机上运行调试成功后可以顺利转移到嵌入式微机p c i 0 4 一p u j s 上，从 而能够实现野外现场便携式的数据采集，因而有着广阔的应用前景。 重庆大学硕士学位论文 2 x 光谱测量原理 2x 光谱测量原理 2 1 引言 x 光谱测量也就是x 能谱测量，其测量原理【5 】是：x 射线探测器输出的脉冲信 号幅度和入射x 射线的能量成正比关系，因而测量这些脉冲的幅度，就可以知道 x 射线的能量。并且，在相同测量条件下和在相同时间内，所记录脉冲数的多少 或大小可以反映x 射线的强弱。x 射线能谱的测量原理如图2 1 所示。 图2 1x 射线光谱测量原理框图 f i g2 1p r i n c i p l e f o r x r a ys p e c t r u m m e a s u r e m e n t 2 2 脉冲幅度分析器 2 2 1 脉冲幅度甄别器 由上述x 光谱测量原理框图可知，要实现对x 光谱的数据采集，其主要部件 是一个脉冲幅度分析器。 脉冲幅度的测量技术在核辐射探测中是一个关键技术。脉冲幅度的测量，可 以采用脉冲幅度甄别器来进行。脉冲幅度甄别器又分为积分甄别器和微分甄别器， 积分甄别器只允许幅度超过一定甄别阈的脉冲通过，供其后电路记录；幅度小于 甄别阈的将不允许通过，其后电路将不予记录。微分甄别器又叫单道脉冲幅度分 析器，它只允许某一幅度范围内的脉冲通过，幅度小于下甄别阈或大于上甄别阈 的脉冲均不能通过。图2 2 为它们的示意图。当采用积分甄别器，甄别域为1 v 时， 则超过1 v 的脉冲1 ，2 ，4 ，5 ，7 可以通过：若甄别域增加为2 v 时，则仅有脉冲2 ，4 ，5 可以通过。若是微分甄别器，下甄别域为1 v ，上甄别域为2 v 时，则唯有1 ，7 能 够通过，可以被记录下来。 微分甄别器能直接甄别信号幅度在v 到v + v 之间的脉冲，直接测量某一电 压范围v 】v 2 = a v 内相应的计数率n ，所以常称之为脉冲幅度分析器。 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 蝾铡拯 。f 。 6 刈l 一鲻黪卜誓 甄别器r 。出 v y = 1 v 图2 2 脉冲幅度甄别器原理框图 f i g2 2f u n c t i o nb l o c ko f t h ep u l s ed i s c r i m i n a t i o n 2 2 2 脉冲幅度分析器方案 脉冲幅度分析器在x 光谱测量仪器中起着关键作用。脉冲幅度分析器的发展 经过了单道脉冲幅度分析器、四道脉冲幅度分析器和多道脉冲幅度分析器等几个 阶段。 单道脉冲幅度分析器又称为微分甄别器，它包括两个积分甄别器和一个反符 合电路( 见图2 3 ) 。可见，用单道脉冲幅度分析器来测量能谱，虽比简单的积分 甄别器好的多，但用单道脉冲幅度分析器测量能谱时，必须一道、一道进行测量， 每测一次不仅要改变一次甄别阈，而且只能测得这一道宽内的脉冲数目。其余的 脉冲数即使出现，也不能及时按幅度分类计数，白白“浪费”掉了。为此，欲要 记录其他幅度的脉冲，就必须改变闽值，再花时间来测量，所以工作速度很慢。 图2 3 单道脉冲幅度分析器原理框图 f i g2 3p r i n c i p l ef o rs i n g l ec h a n n e la n a l y z e r 为了提高效率，采用了多道脉冲幅度分析器。多道分析器固然可以简单地将 n 个选定相邻道址的单道分析器凑在一起成为一个n 道脉冲幅度分析器，如四道 分析器就是利用4 个单道分析器组合在一起，成为一个4 道分析器。但当道数很 多时，这样的设备不仅庞大而且性能也不好。为此，多道脉冲幅度分析器采用了 和单道分析器完全不同的原理和电路。它是利用a d ( 模数) 转换器件将输入脉 冲编码成与其脉冲幅度成比例的标码，按被分析脉冲的标码实现脉冲幅度的分类 记录。采用多道脉冲幅度分析器，由于同时设置了许多相邻并行排列的测量通道， 能将每一个输入脉冲都按其落入的通道进行幅度分类，并分别记入各道，这样效 率就提高了很多。图2 4 和图2 5 分别是多道幅度分析器的工作示意图及原理图。 4 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 图2 4 多道脉冲幅度分析器工作示意图 f i g 2 4o p e r a t i o no f t h em u l t i - c h a n n e la n a l y z e r 图2 5 多道脉冲幅度分析器的原理图 f i g2 5p r i n c i p l ef o rm u l t i c h a n n e la n a l y z e r 另外，采用多道脉冲幅度分析器不仅可以提高测量精度，缩短测量时间，而 且可以测量半衰期很短的放射性元素的谱线，因此多道脉冲幅度分析器在核辐射 测量中获得了广泛的应用。有鉴于此，本论文采用a d 转换器作为多道脉冲幅度 分析器，以实现对x 射线的能谱测量。 2 - 3 多道幅度分析器的发展 多道幅度分析器是能谱仪的重要组成部分，在射线的能量测量中具有非常重 要的作用。早期的多道脉冲幅度分析器都是模拟式仪器，其电路特别简单，基本 由模拟电路组成。 7 0 年代中期，以数字集成电路和微处理器为基础的数字式多道脉冲幅度分析 器开始出现。它们通常以微处理器为核心，配以c m o s 集成电路组成的放大器、 整形器、定时控制器、计数器、显示器，构成数字式多道脉冲幅度分析器。 8 0 年代末期，随着计算机技术的发展，智能化多道脉冲幅度分析器开始出现。 人们用单片机取代了传统仪器中的定时器、控制器、运算器和计数器，并充分利 用了单片机具有一定的数据处理及存储能力，使射线能谱仪器具有了自标定、自 测参数、数据处理以及数据存储的功能。 ii；o 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 2 4x 光谱数据采集的国内外研究现状 2 4 1 国外研究现状 由于能谱测量所测的参数多，数据量大，这就要求仪器有较高的自动化程度， 并要有一定的现场处理能力，以便及时得到测量结果，提高效率。因此在x 射线 能谱测量的发展过程中，其一直都沿着智能化、微型化方向发展。在脉冲幅度分 析器中，控制核心是微处理器，它不但起着控制多道幅度分析器正常工作的作用， 而且还承担着数据传送、存储、处理和显示的功能。下面列举了目前国外的x 光 谱测量的数据采集系统的几种方案。 图2 6 是i e e e 成员c h i a r ag 及其合作者共同研制的用于高分辨率x 光谱探 测的多道数据采集系统。该数据采集系统母板可以采集来自1 2 个探测器的信号， 每路信号分别有各自的放大、整形、峰值检测和峰值展宽电路，单独作成板卡【6 】。 母板负责采集来自1 2 块板卡的信号并通过并口e p p 协议传输到台式机。图2 7 是 其中板卡的电路模块。 图2 6 系统的实物图 f i g2 6d i a g r a mo f t h es y s t e m 图2 7 每块板卡上数字部分的功能模块 2 7b l o c k o f t h ed i g i t a ls e c t i o no ne a c hb o a r d 图2 舟是x r a yi n s t r u m e n ta s s o s i a t e s 公司研制的用于核辐射测量的基于 d s p 、f p g a 和串口通讯的数据采集系统的原理图。该系统中，d s p 的串口提供高 速、同步的串行传输，p i c 微控制器则提供简单的命令接口，用于管理串口与p c 机的通讯 7 1 。 图28 原理框图 f i g2 8b l o c ko f t h es y s t e m 图2 9 是x r a yi n s t r m n e n t a s s o s i a t e s 公司研制的另一款基于c o m p a c t p c i 总 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 线的四输入数据采集系统。该系统中，触发、脉冲堆叠检测、数据滤波都在f p g a 内部完成，a d 转换器的数据被连续采集后首先存入f i f o 中缓存，当检测到脉冲 信号时，d s p 便读走数据，送到c o m p a c t p c i 总线进行传输”。 图2 9 原理框图 f i g2 9b l o c ko f t h es y s t e m 图2 1 0 是f a s t c o m t e c 公司的一种专用于核谱测量的商业解决方案，该系统 是可以实现远程控制的基于p c i 总线 的4 输入采集系统。p c i 板卡插在现 场计算机内用于数据采集和内部传 输，板上的连接线是4 路a d 转换信 号的输入口。通过串口r s 一2 3 2 ，现场 主机可以同控制主机进行远程通讯， 从而实现远程控$ d c 8 1 。 图2 1 0 采集系统图 f i g2 1 0a c q u i s i t i o ns y s t e m 图2 1 1 是意大利a p u l l i a 等人采用的一种多道采集方案。该系统由1 6 个采样 保持器、一个模拟的多路开关、一个1 2 位的f l a s ha d c 、一个8 位d a c 、个快 速的1 2 8 k b 的s r a m 和数字电路( 由两个可编程门阵列p g a 实现) 组成。展宽 后的模拟脉冲送到采样保持电 路，同时提供触发脉冲给控制逻 辑。控制逻辑执行实时计数的功 能，计数值被存储在快速的 1 2 8 k b r a m 中，这样1 6 路的能 谱就被存储起来，最终可以传输 到个人电脑上。而电路中的d a c 是用于调节系统的微分非线性， 它是划尺电路的一部分【9 】。 2 4 2 国内研究现状 微机化方案。 图2 1 1 采集系统的实现 f i g2 1 1r e a l i z a t i o no f t h ea c q u i s i t i o n 随着计算机和电子技术的发展，我国能谱测量仪器也不断向微机化、智能化 迈进。下面是我国能谱测量在不同时期的微机化发展的典型方案5 】： 1 ) 8 0 年代初以f d 一3 0 2 2 为代表的六道能谱测量仪。 重庆大学硕士学位论文 2 x 光谱测量原理 主要以单片微处理器系统为核心，由n 越t 1 ) 闪烁计数器、放大器、六道脉冲 幅度分析器、计数器、液晶显示器以及稳谱电路和电源电路组成，如图2 1 2 所示。 它的缺点是不能实时显示谱线，也不能进行大型数据运算。 图2 1 2 系统的原理框图 f i g2 1 2b l o c ko f f d - 3 0 2 2s y s t e m 2 ) 8 0 年代中期以c d 一3 为代表的四道能谱测量仪。 它以p c 一1 5 0 0 袖珍计算机系统为核心，由闪烁计数器、前置电路、放大器、 四道脉冲幅度分析器、接口电路及应用软件、稳谱电路和电源等部分组成，如图 2 1 3 所示。该仪器可由软件改变闽值电压，可得2 5 6 道微分谱线，但尚未实现真 正意义上的多道测量。 图2 1 3c d 一3 系统的原理框图 f i g2 1 3b l o c ko f c d 一3s y s t e m 3 ) 9 0 年代以轻便型x 荧光仪为代表。 图2 1 4 系统原理框图 f i g21 4b l o c ko f t h es y s t e m 它采用笔记本微机为控制核心，测量道数为1 0 2 4 - 2 0 4 8 道，处理数据和实时 一 一可 一 一 韫 | |巨 一 兽 挚 蓦 一 翮西 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 显示谱线能力都很强，但整机功耗大( 大于1 0 w ) ，无法满足野外测量需要 1 0 。电 路原理如图2 1 4 所示。 4 ) 近些年来以新一代手提式x 荧光仪为代表。 采用了电制冷硅p i n 型半导体探测器、以p c i 0 4 嵌入式微机为控制核心、并 采用了多道脉冲幅度分析器和大规模c m o s 集成电路等，测量道数为2 0 4 8 - - 4 0 9 6 道，能够检测多种元素，检出限、灵敏度、数据处理和存储能力都有显著提高 1 1 - 1 2 1 。 图2 1 5 系统的原理框图 f i g2 1 5b l o c ko f t h es y s t e m 可以看到，在国内脉冲幅度分析器的发展过程中，其控制核心部分充分体现 了微机化、智能化的特点，并且在考虑稳定、可靠、大容量存储等同时，又在逐 渐向低功耗、高速方向发展。以上方案中分别采用了并口、串口、c o m p a c t p c i 等。 可见，在微机化发展的过程中，接口成为提升速度的不可忽视的重要手段。下面 着重就x 光谱测量的接口部分进行分析。 微机接口 1 ) 微机接口作用 在仪器微机化发展的过程中，微机化测量仪器中的接口电路，起着计算机与 射线探测器及相关电路沟通信息的桥梁作用，是实现x 光谱仪微机化的重要条件。 接口一般应具有以下功能【1 3 1 ： a 接收来自探测器及有关电路传来的电信号，将其转换成数字信号，并进行 缓存； b 接收来自计算机的信息，并转换成对仪器进行控制的相应信号，对仪器进 行控制； c 以查询方式、中断方式或d m a 方式向计算机传送接口缓冲器的数据； d 进行计算机与仪器间的电平匹配； 2 ) 接口方案 采用微机系统方案研制的能谱测量仪器，需要通过微机系统的标准i o 接口进 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 行连接。因此，接口电路必须是串行方式、并行方式、u s b 方式或总线方式中的 某一种。下面是对几种常用接口电路的分析。 a 串行接口电路。 串行接口电路可以采用r s 2 3 2 或r s ，4 2 2 标准，能够进行远距离数据传送。 其工作原理如图2 1 6 所示。数据采集电路接收来自探测器及有关电路传送来的电 信号，将其转换为数字信号，并进行缓存。单片机控制电路可以将数据采集电路 并行输入的8 位二进制数据及时转换为串行信号，经电平转换电路和r s 一2 3 2 标准 串口，逐位输出送给微机系统，也可将并行输入的数据先送给存储器记录一定时 间后再集中转换输出。电平转换电路将单片机输出的5 v 电脉冲信号转换为1 2 v 的2 3 2 接口电平，实现仪器测量电路与计算机之间的电平匹配。 图2 1 6 串口工作原理 f 垃2 1 6p r i n c i t ，l eo f t h es e r i a li n t e r f a c e b 并行接口电路。 其特点是：通过8 位数据线一次可传送一个字节的数据，传送速度较快。并行 接口电路的工作原理如图2 1 7 所示。由探测器及相关的电路送给数据采集电路的 电信号，被转换为数据信号。在控制电路的作用下，通过数据传送电路和标准并 行接口将数据并行送往微机系统。 图2 1 7 并口工作原理 f i g2 1 7p r i n c i p l eo f t h ep a r a l l e li n t e r f a c e c 通用串行总线接口u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 。 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 其接口规范从早期的u s b l 1 、1 2 到现在的u s b 2 0 。u s b l 1 、1 2 的接口规 范可以满足慢速或中高速外设的智能连接，如键盘、m o d e m 、显示器及打印机等 外部设备；u s b 2 0 规范可以支持u d m a 类型的硬盘等高速设备。u s b 接口已经 成为现代微机系统的标准配置。 图2 1 8 u s b 工作原理 f i g21 8p r i n c i p l eo f t h eu s bi n t e r f a c e d 总线接口。 其特点是：通过系统总线可以迅速接收数据和发送控制指令，传输速度极快。 常用p c 机、笔记本电脑的总线结构主要有i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r d a r c h i t e c t u r e 扩 展工业标准总线结构) 、p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t 外设互连总线) 和 p c m c i a ( p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n 笔记本电脑的 总线标准) 。在控制电路的作用下，数据信号通过数据传送电路和微机数据总线送 往微机系统。译码电路将微机系统总线中的部分地址信号转换为对接口电路的控 制信号，以配合整个接口电路协调工作。 数据 ：刊数据传送电路k 采集 ， 控制电路k 二二二 总线微机 电路 【lj 1 接口 系统 l 年面磊 仁 图2 1 9 总线工作原理 f i g2 1 9p r i n c i p l eo f t h eb u s 2 5 接口方案选择 在各种接口和总线中，要评价其性能好坏，数据传输宽度和传输速率是两项重 要技术指标。表2 1 是各种接口和总线的这两项指标列表： 重庆大学硕士学位论文 2x 光谱测量原理 表2 1 接口及总线性能的比较 t a b l e2 1c a p a b i l i t yc o m p a r i s o nb e t w e e ni n t e r f a c e sa n db u s e s 接口或总线类型数据宽度( 位)传输频率( v l h z )最大传输率 r s 2 3 2l 1 8 4 3 x 发送时钟频率) 2 0 1 1 1 5 k b p s 并口 81 m ，s u s b l1 12 20115 t 1 2 ，4 8 0啪，s i s a8 t 1 647 78h ，m ，s p c i 2 1 1 223 2 ，6 4 3 3 6 61 3 2 5 2 8 m b ，s 从表中看到，p c i 总线在数据传输方面具有明显优势。它独立于处理器的独特 设计和其在高性能、低成本、开放性等方面的优势，使其在近几年来迅速普及和 发展，目前己成为微型计算机事实上的总线标准，并在嵌入式计算机和工业控制 计算机方面具有广泛的应用前景。嵌入式微机p c i 0 4 就有两个版本，其中之一 p c i 0 4 一p l u s 系统就采用了该总线标准，除支持i s a 总线外，还支持p c i 规范2 i 。 因此，本论文采用p c i 总线作为数据传送方式。这样既兼顾了目前台式机上 的开发，又兼顾了将来有低功耗要求时可以转移到嵌入式微机p c i 0 4 一p l u s 上。 2 6 数据采集系统总体方案 本论文的研究工作采用台式p c 机作为数据采集系统的控制核心，以p c i 总线 作为传输通道，利用a d 转换器来实现多道脉冲幅度分析器，完成对x 射线的能 谱的测量。 目前，最新一代手提式x 荧光仪应用了p c i 0 4 作为控制核心，但采用的是低 版本，只支持i s a 总线。我们的数据采集卡在台式机上研制成功后可以移植到 p c i 0 4 - p l u s 上，除了兼有p c i 0 4 的体积小、重量轻、功耗低等优点外，由于采 用了p c i 总线标准，又具有非常强大的数据传输能力，从而能够更好的完成野外 数据采集。由于p c l 0 4 - p u j s 与台式机内部配置及接口很接近，因此我们在台式 机上开发后只要在外型尺寸上稍做改动就可移植到p c i 0 4 一p l u s 上。 可见，本论文研制的p c i 数据采集卡既可用于室内测量又可以稍做改型后用 于野外测量，从而有着广泛的应用前景。 2 7 本章小结 脉冲幅度的测量技术是x 光谱测量的一个关键技术，本章在详细分析国内外脉 冲幅度分析器研究现状和各种接口方案的基础之上，提出了以p c i 总线作为传输通 道，利用a d 转换器来实现多道脉冲幅度分析器的能谱测量方案。该方案既适用 于室内测量，又可用于嵌入式系统p c i 0 4 一p l u s 上，有着广泛的应用前景。 重庆大学硕士学位论文3p c i 总线技术 3p c i 总线技术 3 1 引言 任何系统的研制和外围模块的开发都必须服从一定的总线规范。基于p c i 总 线的数据采集卡的开发，当然首要的就是对p c i 总线及其规范的理解。下面，我 们就p c i 总线结构和特点、信号定义、p c i 总线的操作、p c i 局部总线的配置空间 等几个问题进行详细地介绍。 3 2p c i 总线的发展 2 0 世纪9 0 年代，随着图形处理技术、多媒体技术和i n t e m e t 技术的广泛应用，以 w i n d o w s 为代表的图形用户界面( g t n ) 操作系统要求p c 机具有强大的图形处理能 力、高速的数据传输率和更大的- 吞吐量。这不仅要求图形、网络等各种适配 器改善其性能，也对总线的性能提出了挑战。原有的i s a 、e i s a 和m c a ( m i c m c h a n n e la r c h i t e c t u r e ) 总线已经远远不能满足这种高要求，总线已成为整个p c 系统 的瓶颈。为了适应p c 的发展，1 9 9 1 年底，i n t e l 公司首先提出了p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) 的概念，并联合m 、c o m p a q 、a p p l e 等公司组成了p c i s i g 管理p c i 。1 9 9 2 年6 月，p c i s i g 发布了p c i l o ，从此p c i 便成为p c 总线的标准，后来 p c i s i g 发布了p c i 2 ，0 2 1 1 2 2 ，最近又发布了p c i2 3 。p c i 不仅应用于所有的p c s n 大多数工作站上，还用于工业p c 。现在的许多高性能总线，如c o m p a c t p c i 、p c i x 、 p x i 和a g p 都是由p c i 为基础发展而来的。p c i 局部总线不但满足了桌面系统的需 求，还能够满足便携式计算机、服务器等各种系统的需求。p c i 元件和插卡独立于 处理器，所以它既支持现在的各种处理器，也支持未来的处理器，这种独立性使p c i 总线可以最优化i o 功能，使处理器内存系统和各种高性能的外部设备能够并发 执行p c i 局部总线操作”。 p c i 局部总线具有许多优点：高性能，低成本，长寿命，易用性，协调性，健壮性，灵 活性，数据可靠性，软件兼容性，所以它不仅成功地代替了i s a 总线，在很长一个时 期内满足t p c 系统的各种需求，并且成为历史上最成功的总线标准。近年来，在高 级3 d 图形、1 g b 以太网、高速视频采集、光纤接入等宽带应用中，p c i 虽然已有些 力不从心，但是在未来几年内还没有任何一种总线能够替代p c i ；由p c i s i g 提出的 下一代总线标准3 g i o 还在制定中，并且也将与p c i 兼容，可见从p c i 平滑过渡到 3 g i o 将需要很长时间所以p c i 还是高速外设与p c 连接的最佳途径。 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线技术 3 3p c i 总线的结构和特点 p c i 局部总线能够配合要求彼此间快速访问或快速访问系统存储器的适配 器，也能让处理器以接近自身总线全速的速度访问适配器。图3 1 是p c i 系统的结 构图，图中表明t p c i 、扩展、处理器和存储器间的基本关系i ”】。 h o s t p c i 桥，常称为北桥( n o r t hb r i d g e ) ，连接主处理器总线到基础p c i 局部总线。 ( 室) p c i f l s a 桥，常称为南桥( s o u t hb r i d g e ) ，连接基础p c i 局部总线n i s a ( 或 e i s a ) 总线，南桥常含中断控制器、i d e 控制器、u s b 主控制器和d m a 控制器。 南桥和北桥构成芯片组。 在基础p c i 局部总线或p c i 插入卡上，可以嵌入一个或多个p c i - p c 晰。 一个芯片组可以支持一个以上的北桥。 图3 1p c i 系统结构图 f i g3 1b l o c ko f p c is y s t e m 1 4 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线技术 p c i 总线作为一种优良的总线标准，与i s a ，e i s a ，v l b u s 等总线相比有 着显著的特点。表现在： 高性能 p c i 总线时钟为3 3 m h z ，与c p u 时钟无关，其总线宽度为3 2 位，并可以扩展 至1 1 6 4 位，其带宽达1 3 2 2 6 4 m b s 。p c i 总线支持无限读写突发方式，而i s a 总线不 支持突发方式，e i s a 和v l 总线仅支持有限读写突发方式。这种无限读写突发方 式使得p c i 能在一瞬间发送大量数据。p c i 总线支持并发工作，也就是p c i 总线上 的外围设备可与c p u 并发工作，一般设计良好的p c i 控制器带有多级缓冲。 良好的兼容性 p c i 总线可以与i s a ，e i s a ，v l b u s 总线兼容。这使得在这些系统上的扩 展卡也可以在p c i 系统上工作，这种兼容能力可以保障用户的投资，让用户既能 继续沿用以前的附加卡又提供额外的插槽，便于用户选用新的外围设备。且p c i 总线与处理器无关，对各种用于p c 的处理器完全兼容。 自动配置 p c i 总线规范保证了p c i 插卡可以自动配置，p c i 定义了3 种地址空间：存储 器空间，输入输出空间和配置空间。p c i 定义配置空间的目的在于提供一种关联， 从而使所有与p c i 兼容的设备实现真正的“p l a y & p l u g ”，在每个p c i 设备中都有 2 5 6 字节的配置空间用来存放自动配置信息，一旦p c i 插卡插入系统，b i o s 将根 据读到的有关该卡的信息，结合系统的实际情况为插卡分配存储地址、中断和某 些定时信息，基本上避免了手工操作 共享中断 p c i 总线是采用电平有效方式，多个中断可以共享一条中断线，而i s a 总线 不能共享。 扩展性好 如果需要把许多设备连接n p c i 总线上，而总线驱动能力不足时，可以采用 多级p c i 总线，每个总线上最多可挂2 5 6 个设备。 多路复用 在p c i 总线中为了优化设计采用了地址线和数据线共用一条物理线路，即多 路复用。p c i 接插件尺寸小，又采用了多路复用技术，减少了元件和管脚个数， 因而成本较低。 严格规范 p c i 总线对协议、时序、负载、电气性能、机械性能等指标都有严格的规定， 这正是其它总线不及的地方，从而保证了它的可靠性和兼容性。当然由于p c i 总 线规范十分复杂，其接口的实现与i s a 、e i s a * 目比有较高的技术难度。 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线技术 定义了3 3 v 和5 v 两种信号环境。 电压转换路径使得5 v n 3 3 v 的工业转换能够平滑过渡。 3 4p c i 局部总线信号定义 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。如果只作为目标设备，至少需要4 7 条接口信号线，若作为主设备，则需要4 9 条。利用这些信号线可处理数据、地址， 实现接口控制、仲裁及系统功能。图3 2 是兼顾主设备和目标设备，按功能分组 后的信号表示【1 5 】。 盛选信呈 错误报告信号1 仲裁信号 系统信号 p c i 局部 总线设备 6 4 位总线 扩展信号 接口控制 中断信号 注：图中。# 号表示低电平有效，否则为高电平有效 图3 2 p c i 局部总线信号 f i g3 2p c il o c a lb u sd e f i n i t i o n 3 5p c i 总线的操作 3 5 1 总线命令编码 总线命令是用来规定主、从( 目标) 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。这里的主设备指通过仲裁而获得总线控制权的设备；目 标设备是指在f r e e 3 ：o 上出现命令的同时，被a d 3 1 ：0 0 线上的地址所选中 的设备1 1 6 j 。 、，l，ll、0产j、0广j rlll rlllv、ll，弋，0 捌 临 粥 蝴 生 m