（电力电子与电力传动专业论文）基于pci总线的数据采集与处理系统研究.pdf

a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mr e s e a r c h b a s e do np c ib u s a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fd a t aa c q u i s i t i o ni sa 1 3 i m p o r t a n tb r a n c ho ft h ec o m m u n i c a t i o ns c i e n c e i t sai n t e g r a t i v ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ns e n s o r , s i g n a lm e a s u r i n ga n dp r o c e s s i n g ，a n d c o m p m e rt e c h n o l o g y e t c t h e r e i n t o ，t h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g y o f t e s ti n s t r u m e n t sr e s u l t sw i t ht h ea p p e a r a n c eo f an e wt e s ti n s t m m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t sf v l l t h es o f t w a r es t r a t e g yo fv ii st h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h et h i r dg e n e r a t i o no fa u t o m a t i ct e s t s y s t e m t i l i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u f t i c h a r m e l d a t aa c q u i s i t i o n a n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do np c ib u s f i r s t t h ep a p e rd i s c u s s e dt h eb a s a lt h e o r yo f d a t aa c q u i s i t i o na n dt h et e c h n o l o g yo fp c ib u si n - d e p t h ；b a s e do n 也i s c h o s et h ek p c i 8 l l c o l l e c t i o nc a r df o ra c q u i s i t i o nt o o l ，b u i i tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；t h e nd e v e l o p e dt h ew d m m o d ed r i v e ro ft h ec a r di nw i n d o w s2 0 0 0u s i n g 、i n d r i v e r l a s tw r o t et h es u p e rs t r a t u m a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nv bc o m p i l e de n v i r o n m e n t t h e r e i n t o ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e t r a n s f e r r e dt h ed r i v e rt or e a l i z et h ea c c e s s i n go fc a r du s i n gd y n a m i cl i n kl i b r a r yt e c h n o l o g y , a f t e rt e s t i n g ，e v e r yf u n c t i o nw a sr i g h ta n di ti m p r o v e de f f e c t i v e l yt h et r a n s f e rs p e e db e t w e e n a dc a r da n dc o m p u t e r ；t h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l er e a l i z e dt h ef u n c t i o no ft h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r et oa n a l y z ea n dp r o c e s st h ed a t ac o l l e c t e du s i n gi n t e r f a c ep r o g r a m m i n gb e t w e e nv b a n dm a t l a bb a s e do nc o mg r o u p w a r e i ta c h i e y e dt h ep r o s p e c t i v ea i mo ft h e v i r t u a l i n s t r u r n c n t s ( v i ) ” k e yw o r d s ：p c ib u s ；d a t aa c q u i s i t i o n ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；w d md r i v e r ；w i n d r i v e r ；s i g n a l p r o c e s s i n g u 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章绪论 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、计算机等 技术为基础而形成的一门综合应用技术。它广泛应用于雷达、通信、水声、遥测遥感等领 域。随着信息科学的飞速发展，数据采集技术应用更广泛，它已经成为人们获得外界信息 的重要手段和工具。 ， 1 1 数据采集系统概述 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计 算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集系统“1 的任务具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能 识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得 出所需的数据，与此同时，将得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视。 一个完整的数据采集系统【1 , 2 】由传感器( t r a n s d u c e r ) 、信号调理( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) 、 采集硬件( d a qh a r d w a r e ) 、接口( i n t e r f a c e ) 、数据分析与处理软件( s o f t w a r e ) 等几部 分组成，如图1 一l 所示。 分 | 竺竺兰卜叫竺兰塑竺卜_ 数总 计 析 匝丑巫习 据 线 算 处 采 接 理 机 ! 集口 软 眄习厣赢 _ 一 卡 件 图1 1 数据采集系统组成结构图 f i g 1 1t h ef r a m e w o r ko fd a t aa c q u is i t i o ns y s t e m 1 2 研究的背景和意义 数据采集技术与传感器信号处理和计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。通过 对信号的检测、处理、控制与管理实现测、处、控、管一体化。当今，高速数据采集技术 已在雷达、通讯、水声遥测、遥感地震勘测、振动工程、无损检测、智能仪器、科学试验 等各个方面得到了广泛的应用p j 。 数据采集技术研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等作业，具有很强的实用性。 如在航天飞行器的遥感、遥测与遥控中，在自动飞行控制系统中，在气动、强度、发动 机实验中，数据采集技术都有重要的地位。随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展， 数据采集技术在众多领域得到了越来越广泛的应用，同时人们对数据采集系统的各项指 标，如：速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗干扰能力等方面提出了越来越 第1 章绪论 高的要求1 3 , 4 1 ，特别是系统的速度、分辨率、精度等指标更成为使用者与设计者所共同关 心的重要问题。因此，如何进一步提高数据采集系统的采集速度、精度成为数据采集领域 的首要月标。 这时总线技术进入人们的视线。计算机总线1 5 | 6 】是计算机各部件进行信息传输的公共 通道，其主要职能是负责计算机各模块间的信息传输。随着集成电路规模的不断升级，计 算机总线的宽度和传输能力也在不断提高。总线宽度由8 位的p c x t 总线发展到了3 2 位的p c i 总线，最大传输速率也由p c x t 总线的4 m b s 发展到了p c i ( 外围组件接口技 术p e f i p h e r f lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线1 7 j 1 的1 3 2 m b s ，甚至更高。它是一种新型的高 带宽、处理器无关的总线系统。它既可以作为中问层的总线也可以作为周边总线系统使用。 与其他普通总线规范对照，p c i 总线为高速i o 设备提供了更好的支持( 比如图形适配器、 网络接口控制器、磁盘控制器等等) 。但是p c i 吸引人的地方不在于它的高速度，它适 应了现代i o 设备对系统的要求，并且只需要很少的芯片就可以实现并支持其他总线系 统。研究证明，将p c i 总线技术应用于数据采集领域p i ，可以满足在保证精度的前提下， 提高采集速度，同时达到实时处理和实时控制的目的。 于是，基于p c i 总线技术的高速、离精度数据采集系统便应运而生，并得到快速发 展，在各领域内的应用也日趋广泛。如何将采集的数据，通过分析、处理得出人们所需要 的信息同样至关重要。 传统分析仪器用于数据处理存在下列问题： ( 1 ) 、开发周期长，而且开发和维护费用高。 ( 2 ) 、系统封闭，与其它设备连接受限，不利于功能扩展。 ( 3 ) 、缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。 与传统分析仪器相比，虚拟仪器不存在上述问题，在数据采集领域优势明显。本文就 是以虚拟仪器为目的，开发了一套基于p c i 总线的数据采集与处理系统。 1 3 研究现状 目前对基于p c i 总线的数据采集与处理系统的研究主要第由在以下几个方面： ( 1 ) 硬件电路设计i l 叫 选择p c i 总线作为数据采集卡得传输总线，主要研究p c i 总线设备接口的实现方法。 p c i 设备都支持即插即用特性。因此，p c i 设备都必需实现一个相当复杂的p c i 总线的接 口逻辑，实现这个接口逻辑的方式主要有两种【l 0 “1 ： 其一，利用可编程芯片来进行设计，这种设计途径的优点是性价比高、灵活性大，用 户可以根据自己的需要开发出适合于特定功能的芯片，而不必实现p c i 的全部功能。但 是其复杂性可想而知。这种设计方式一般适用于相对简单的p c i 设备，而且，往往只是 实现接口逻辑的一个功能子集。 其二，采用专用的p c i 总线接口芯片，通过专用芯片可以实现完整的p c i 主控模块 和目标模块的功能，将复杂的p c i 总线接口转换为相对简单的用户接口，用户只要设计 转换后的总线接口即可。这些芯片由专业的厂商设计生产，性自g 相对稳定，功能也比较完 备，可以大大的减少p c i 设备接口逻辑设计的工作量。由于数据采集卡比较复杂，而且 应该把主要的精力放在数据采集与传输上，不应该在p c i 接口的实现上花过多的时问， 因此常选用后一种实现方法，即采用p c i 接口专用集成芯片。 ( 2 ) 采集卡驱动程序开发 数据采集卡驱动程序多采用w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 模式来编写。w d m 是微软 为w i n d o w s9 8 和w i n d o w s2 0 0 0 制定的统一驱动模块，它规定了标准化的驱动模块，这 大庆石油学院硕土研究生学位论文 样可以减少写驱动程序的代码量。 开发w d m 驱动程序主要有下面几种方法c 1 2 , 1 3 1 ：利用m i c r o s o f t 公司提供的d d k 和 v i s u a lc + + 工具直接开发、利用设备驱动程序第三方软件来间接开发，如利用n u m e g a 公 司研发的设备驱动程序开发软件d r i v e s t u d i o 来间接开发或者利用与硬件设备相关的设备 驱动程序w i n d r i v e r 来间接开发。三种实现方法的驱动程序开发难度逐渐降低，以牺牲代 码的灵活性为代价，设备驱动程序工作的实时性也稍有降低。 ( 3 ) 应用软件开发。 目前，对于基于p c i 总线的数据采集系统，一般是用来实现数据采集、处理和运算、 结果显示、输出打印等功能。其用户态应用软件一般采用w i n d o w s3 2 可视化编程软件， 如v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 等，它们都是通过驱动程序访问和操作 数据采集卡的，与驱动程序的交互一般是用标准的w i n 3 2 a p i 函数( 如c r e a t e f i l e ，r e a d f i l e ， w r i t e f i l e ，d e v i c ei oc o n t r o l 和c l o s e f i l e 等) 对硬件进行i o 操作。对于其数据处理等功能， 通常结合m a t l a b 工具的超强的数据处理能力来实现。只是因为m a t l a h 本身不能直接调用 w i n d o w s a p i 函数来直接访问硬件系统，所以本文采用了v i s u a lb a s i c 结合m a n a b 混合编 程的方法来对采集的数据进行处理，提高w i n d o w s 环境下的实时性 1 4 , 1 5 , 1 6 j 。 1 4 论文研究内容和结构安排 本文对基于p c i 总线的数据采集及处理系统进行了研究和讨论，重点研究了 w i n d o w s 2 0 0 0 环境下p c i 总线设备驱动程序的开发和用户态数据采集及处理应用软件的 开发。本文选用k p c i 一8 1 l 多功能数据采集卡作为采集工具搭建了数据采集系统，利用 w i n d r i v e r 开发了该采集卡在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的w d m 模式驱动程序，采用v b 语言 开发了基于k p c i 8 1 1 卡数据采集与处理系统应用软件的数据采集模块部分，并利用基于 c o m 组件的v b 与m a t l a b 的接口编程实现了上层应用软件的数据处理功能，实现了对所 采集数据常用的信号处理与分析，主要包括：所采集数据的加窗、滤波、时域分析( 相关 分析) 与频域分析( 幅值谱、相位谱、功率谱密度等) 以及联合时域分析等。 本文的组织结构安排如下： 第一章简要介绍了本课题研究的背景和研究现状。 第二章主要介绍了数据采集和p c i 总线技术的基本理论，包括信号采样、量化理论 和p c i 总线特点、系统结构、总线信号以及配置空间等。 第三章首先介绍了数据采集系统的组成，然后重点介绍了该数据采集卡驱动程序的开 发流程，并选用w i n d r i v e r 开发了p c i 采集卡的w d m 模式驱动程序。 第四章介绍了数据采集系统上层应用软件的设计开发。按系统功能将其分为以下几个 模块：数据采集功能模块、数据显示模块、数据分析模块、数据处理模块、数据回放模块。 并分别对个模块的详细设计开发进行了介绍。 第五章介绍了系统的调试与测试情况。 最后对论文的总结和对未来工作的展望。 人庆“油学院硕士研究生学位论文 第2 章数据采集理论与p cl 总线技术 2 1 数据采集基本理论 计算机内部能识别的是二进制的数字信号。对于开关信号或数字信号计算机可以直接 采集处理，而对于输入计算机的模拟信号必须转换为离散的数字信号，即将连续的模拟信 号转换为离散的数字信号。数据采集是指首先将各种模拟量进行采集，后转换为数字量， 再进行存储、分析、处理、显示或打印的过程。它是数字信号处理的前提。相应的系统称 为数据采集系统。数据采集系统典型框图【2 ，如如图2 - 1 所示： 模拟信模拟情 数字信号 数字信号 图2 - 1 数据采集系统典型框图 f i g 2 - 1 t h et y p i c a lf r a m e w o r ko fd a t aa c q u i s i t i o ns ys t e m 模拟输入信号先经过预采样滤波器，然后由采样器每隔一个采样间隔读出一次数据， 再由模数转换器( a d c ) 量化为二进制数码，计算机处理后经由数模转换器( d a c ) 将二进制 码转化为连续时间脉冲，脉冲之间的空隙则经过平滑滤波器来填充平滑以恢复成模拟信号 i t 7 1 。模拟信号的数字化过程如图2 2 所示。 数据采集的基本理论主要包括采样、量化、编码等。下面分别加以讨论。 ( _ ) l t 2 t3 t4 t5 t6 t t8 t 图2 - 2 模拟信号的数字化过程 f i g 2 - 2 t h ed i g i t a l t r a n s f o r mp r o c e sso ft h ea n a l o gs i g n a ls 6 o 纯撵8 6 ，2 宁弼 吖 鼹策 教数0 第2 章数据采集理论与p c i 总线技术 2 1 1 信号采样 数字信号处理【1 9 2 0 ，2 1 2 2 1 的本质就是将现实世界中的物理信息交给数字计算机处理。为 此，模拟信号必须被采样，即让模拟信号经过一个每隔一定时间闭合一次的电子开关，成 为时间离散信号，然后将采样到的信号幅值一直保持到完成对它的模拟数字转换，得到本 次采样的数字信号。采样是以一定的时间间隔进行的，经过了n 次采样后，连续时间函数 x ( t ) 成为离散时问函数x ( n t s ) ，t s 为采样时间间隔，它的倒数1 l = f 称为采样率。 为了充分地得到一个模拟信号的特征，必须有足够高的采样率。这就要满足一个基本 法则采样定理。为了在采样后真实的保留原始模拟信号的信息，采样率必须至少为信 号最高频率分量的2 倍，这称之为采样定理。 ( 1 ) 理想采样 设一连续时间信号x ( r ) ，其频谱为x 佃) ，理想采样信号为周期性冲激脉冲信号c ( o ， 其周期为t ；，频率为z = 1 l ，频谱为c ) ， c ( f ) = 8 ( t - h e ) n = 一 ( 2 1 ) c ( 妒等鸯( ( d - - n 0 9 ) 协z ， 采样过程为x ( f ) 与c ( t ) 相乘的过程，即采样后得到的离散时间信号x 。0 1 ) 为 x 。( h r ) = x ( t ) c ( t ) 由频域卷积定理得 x ，( c o ) = 瞵徊) + c ( c o ) 】 三虿 = 彳1z x ( o , - - g g o 。) 1 n - _ ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由上述可见，理想采样后的频谱为x ( c o ) 的周期延拓频谱，重复频率为国。，为使频率 不发生混叠，要求x 洄) 的最高频谱分量 l 2 ，即为奈奎斯特采样定理，t 即为奈奎 斯特采样频率。理想采样后的频谱没有失真。 ( 2 ) 带通采样 假定一个带通信号的中心频率为丘，带宽为b ，则根据奈奎斯特采样定理，对于这个 带通信号的采样率应为z 2 ( a + b 2 ) ，如果工很高，那么也势必很高，这样就给 系统后端处理带来了很大的压力，现实中要求它满足另一个采样定理带通信号的采样 定理。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 设一带通信号，其频带为( 无，h ) ，由于最低频率不是从零频率开始的，奈奎斯特 频率不要求达到2f ，此时要求的采样频率最低值为 z = 2 ( 一无) ( 1 + m n ) ( 2 5 ) 其中n 为不超过矗( ，h 一 ) 的最大整数，m = ( 矗一，l ) 】一n 。即b = 厶一 则采样频率在2 b 和4 b 之间。将上式化简后可以得到： 丘= 2 厂h ( 2 - 6 ) 满足上式的采样频率即可恢复原始信号。 ( 3 ) 自然采样 自然采样信号不是理想冲激脉冲信号，而是具有一定形状和宽度的脉冲( 方波信号) p ( t ) ，即 c ( ) = p ( t - n t ；) ( 2 7 ) 将c ( f ) 展开为傅立叶级数 c ( f ) = c 。p ”。 c 。= 簟p e ”击 上式中，c 。为傅立叶级数系数。则 x ( ，) = x ( t ) c 7 x 。( ) = c 。x ( o j - - n o ) ；) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由上可看出，同理想采样相比，自然采样的每项频谱分量的强度按c 。变化，但形状没 有变化，即频谱无失真。 ( 4 ) 平顶采样 平顶采样与自然采样一样，抽样脉冲具有一定的持续时间，但在脉宽期间抽样输出幅 度保持不变，即用抽样保持电路实现。 平顶采样可看成是理想采样后经过一个冲激响应为矩形的滤波器 ( f ) 后形成的，设抽 样脉冲宽度为t ，t t 。 = 恰 ( 2 - 1 2 ) 第2 章数据采集理论与p c i 总线技术 日r m l ：a f s i n ( ( 0 r 2 ) ( 2 1 3 ) 1t 己 则 “归卜堑”时蛳， 沼，。， lp oj x 。( ) = i 1 x ( 一n o ) 。) h ( ) = 鲁童工c o ) - - 1 ( 0 s ，辈斧( 2 - 1 5 ) 可见，平顶采样后的频谱具有一个随频率变化的加权项，s i n ( ( 0 r 2 ) ( c o t 2 ) ，发生 了畸变，即频谱失真，又称为孔径失真。这种失真可用一个频率响应为细f 2 ) s i n ( ( 0 2 2 ) 的滤波器来均衡。 2 1 2 景化 经过采样后的模拟信号的样值必须转化为数字信号，因为二进制代码的位数是有限 的，只能代表有限个信号电平，故在编码成计算机能识别的二进制之前，必须对采样信号 值进行量化2 0 ，孔”j ，即把采样信号的幅值用有限个数码来近似表示。 采样信号值与某个最小单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小 数量单位倍数来代替该幅值，这一过程称为“量化过程”。量化过程是一个非线性的变换 过程，亦可看作是连续幅度输入x ( n ) 到离散幅度y ( n ) 的映射， y k = q x k x s h “) ( 2 - 1 6 ) 其中l 称为量化电平数，q = x k 。- - x 。称为量化间隔，最小数量单位称为量化单位( 或 量化电平) q ，其定义为量化器满量程f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) 与2 “的比值： q ：f s r ( 2 1 7 ) 2 “ 其中n 是量化器的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越小，a d 的精度就越 高。由量化产生的误差叫量化误差( 也称为量化噪声) ，记为e e = 爿：( h r ) 一x 。( 疗i ) ( 2 - 1 8 ) 式中x 。( h z ) 表示采样信号 x 。0 t ) 表示量化信号 量化误差【2 3 】是一种原理性误差，只能减小而无法完全消除。量化误差的存在会影响 a i d 的分辨率，降低a d 的有效位数。一般用信噪比来表示这种量化失真。在均匀量化 的条件下： ( 1 ) 样值信号量化后的信噪比与量化间隔数n 的平方成正比。n ( 量化比特数) 增 加或减小l 比特，信噪比将相应变化6 d b ，这是因为：n 越大，量化级数越多，量化分层 大庆石油学院硕士研究生学位论义 越密，量化误差就小，在重建原信号时，由误差引入的噪声就小，故量化信噪比就高。 ( 2 ) 随着输入信号幅度的下降，信噪比将严重恶化，曼化的有效位数也随之下降。 因为在量化器确定后，量化阶距q 和量化级数n 就被固定，这样，输入信号幅度下降， 相当于被量化的级数小于n ，使量化误差增大，噪声相应增大。信号幅度减小的分贝数就 是量化信噪比减小的分贝数。 ( 3 ) 在使用中，通常由信号的动态范围和信噪比来确定对器件量化级数( 或有效位 数) 的要求。 2 1 3 编码 在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码 1 9 2 0 , 2 1 2 x 是模数转化的最后阶段，就 是把量化信号的电平用数字代码表示出来最常用的编码形式是二进制编码。因为实际问 题的模拟电平极性不同，模数转换器分为单极性和双极性两种编码方式。 在单极性方式中，其工作范围由0 至i + v f s 或由0 到- - v f s ( 满量程电压) 。编码 有多种形式，最常用的是二进制编码，即用1 和0 所组成的n 位数码来代表量化电平。 数码的最左边的位叫做最高有效位，简称最高位，用符号m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) 表 示；数码的最右边的位叫做最低有效位，简称最低位，用符号l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 表示。 对于二进制编码，有如下公式： rn 圪u i - k s l ( 击一1 ) l ( 2 - 1 9 ) 其中，a n = l 或0 ，。是对应于a s 、a s 1 、a 2 、a 1 的转换器输出。对于一个有限的 位数n ，最大的输出电压p 二。总比，小，有下面公式： 1 。= 咋s ( 1 一寿) ( 2 2 0 ) 双极性编码有符号数值码、偏移二进制码、反码和补码等编码方式。符号数值编码中， 最高位为符号位( “0 ”表示正数，1 表示负数，0 值有两个码( o 0 ；1 0 o ) ，一y 。丢 失) ，其它各位是数值位，可用于浮点运算。偏移二进制码，其代码简单的偏移了一个满 刻度偏移值。反码编码中，正值用标准的二进制编码，而负输出的编码为相应正值的反码。 但是，+ o 和一o 编码不一致，一。输出丢失。补码编码中，其负数输出由反码加1 获 得( 使用二进制加法) ，便于进行整数算术运算。 2 2p o i 总线技术 2 2 1 概述 p c i ( 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 t ) 意为“外部设备互连”，是一种比较新的局部 总线技术。i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出了p c i 总线的概念，随后与i b m ，c o m p a q 等1 0 0 多家 公司于1 9 9 3 年提出了p c i 总线标准，目前p c i 规范已经修订到2 2 版本。 第2 章数据采集理论与p c i 总线技术 p c i 总线是一种高性能局部总线，可同时支持多组外围设备，不受制于处理器，它为 中央处理器及高速外围设备提供内部连接机构，数据总线3 2 位或6 4 位，最大数据传输率 为1 3 2 m b s 或2 6 4 m b s 。 2 2 2p c i 总线的特点 p c i 总线具有如下一些特点1 7 ，g 】： 1 高性能 p c i 总线全称为外围器件互联( 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 t ) 总线。它是一套 整体的系统解决方案，较其它只为加速图像或视频操作的局部总线优越。其时钟频率为 3 3 m h z 或6 6 m h z ，采用3 2 位或6 4 位数据线，支持多组外围部件及附加卡。最大数据传 送率可达1 3 2 m b s ，6 6 m h z 时钟频率下，速率翻倍。 2 线性突发传输 p c i 支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。外围设备可 以从内存的某个地址顺序的接收数据，每次只需将地址自动加1 。从而有效地利用总线的 带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。 3 极小的存取延迟 存取延迟很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需要的时间。 4 采用总线控制和同步操作 总线主控的目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速执行高 吞吐量、高优先级的任务。p c i 独特的同步操作功能保证微处理器与总线主控同时操作， 而不必等待后者的完成，从而改善了总线性能。 5 不受处理器限制 p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将c p u 子系统与 外围设备分开。这样我们可以随意增添外围设备电脑系统，而不必担心在不同的时钟频率 下会导致c p u 性能的下降。 6 兼容性强 由于p c i 的设计是要辅助现有的扩展总线标准因此它与1 s a 、e i s a 及m c a 总线 完全兼容。p c i 总线可提供“共用插槽”，以便插接p c i 、i s a 及m c a 金手指。此外， p c i 的驱动软件可以在不同的平台上运行。 7 预留了发展空间 p c i 总线支持6 4 位地址数据多路复用，p c i 6 4 位延伸设计，可将系统的数据传输速 率提高到2 6 4 m b s 。允许p c i 总线扩展卡和元件自动配置。 8 数据完整 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。 9 低成本、高效益 p c i 芯片将大量系统功能高度集中节省了逻辑电路耗用较小的电路板成本降低p c i 部件采用地址数据线复用从而使p c i 部件用以连接其它部件的引脚数减至5 0 以下。 1 0 软件透明 在与p c i 设备或面向扩展总线的同类设备通信时，设备驱动程序使用相同的命令集 和状态定义。 p c i 局部总线所具备的以上特点，既迎合了当今的技术要求，又能满足未来的需要， 是公认的最具有高瞻远瞩的局部总线标准。p c i 的高性能、高效率及与现有标准的兼容性 和充裕的发展潜力，是其它总线不可及的。 人庆石油学院倾 研究生学位论艾 2 2 3p c i 总线系统结构 图2 3 是目前一个典型的计算机系统结构图。由图可见，p c i 总线对于扩展总线、处 理器、存储器和各种外设之间的连接关系就像是一种夹层总线( 这样可以扩展连接不同形 式的总线) 。它通过一种称之为“桥”( b r i d g e ) 的接口连接计算机的不同部分。 在p c i 系统 5 , 6 , 7 , 2 5j 中，存在两种不同功能的“桥”，一种是h o s t p c i 桥，称为北桥( n o r t h b r i d g e ) ，连接处理器总线到基础p c i 总线，即北桥可以直接访问映射于存储器空削或者 i 0 空间的p c i 设备，此时c p u 只管与北桥交付。北桥是一个低延迟的访问通道，能够 提供数据缓冲功能，以便c p u 与p c i 总线上的设备并行工作而不必相互等待；该桥可以 使c p u 与p c i 总线上的操作分开，以免相互影响；北桥作为主设备并且提供了p c i 总线 上的所有驱动机制。由此可见北桥在p c i 系统中具有重要位置。另一种是p c i i s a 桥，称 为南桥( s o u t hb r i d g e ) ，连接p c i 总线到i s a 总线，南桥通常含有中断控制器、i d e 控制 器、u s b 控制器和d m a 控制器等，可见南桥是为了在p c i 系统中挂接其它总线以兼容 现有设备。南桥和北桥组成芯片组。在基础p c i 总线或p c i 插入卡上，可以嵌入一个或 多个p c i p c i 桥。一个芯片组可以支持多于一个的北桥。 除h o s t p c i ( = e 桥) ，p c i p c i 桥，p c i i s a ( 南桥) 外，系统p c i 芯片组中还提供了p c i 仲裁器按照一定的算法，对请求使用p c i 总线的设备进行仲裁，取得使用权的p c i 设 备才能占用p c i 总线。 图2 - 3p c i 总线系统结构图 2 2 4p ci 总线信号定义及命令描述 在p c i 总线中，发起交易的p c i 设备称为主设备，响应交易的设备称为目标设备。 总线主设备可以控制总线、驱动地址、数据及控制信号目标设备不能启动总线操作，只 能依赖总线主设备向它传递或从中读去数据。目标设备要求4 7 根信号线，主设备要求4 9 根信号线，包括分为数据地址复用信号、命令字节使能信号、仲裁信号、中断信号、系 统信号等瞵“j ，图2 - 4 为一个p c i 兼容设备的信号引脚图，其中左边为必需信号，右边为 可选信号。在信号之后的一个“社”标志说明该信号是低电平有效的，当无“群”标志时， 信号是高电平有效的。每条引脚上的信号类型跟在信号名之后。 第2 帝数据采集理论与p c i 总线技术 必选信 ， 地址数据线 接u 控制信号 错误撤告信0 _ l 仲裁信呼丁 l 系统竹弓 a d6 3 ：3 2 o 三= c b e 【7 ：4 # = = = = = e e 鲢- ! g 鱼i ! 塞- k ! 苎 l o c k # p c i 主设备 ! ! ! 业 倍号组! ! ! 壁- i n t c # + 面i i 产 t d i + 而r + + 1 面 + 1 一 + 1 耐 叫选信号 6 4 位总线 j r 展信号 接口控制 卜中断信蛩 l 边界丰1 描 f侬i 图2 - 4p c i 总线信号线定义 f i g 2 - 4 t h ed e f i n i t i o no ft h ep c i b u ss i g n a l 3 2 b i tp c i 系统的管脚按功能来分有以下几类： 系统控制：c l k ，p c i 时钟，上升沿有效 r s t ，r e s e t 信号 传输控制：f r a m e # ，标志传输开始与结束 i r d y # ，m a s t e r 可以传输数据的标志 d e v s e l # ，当s l a v e 发现自己被寻址时置低应答 t r d y # ，s l a v e 可以转输数据的标志 s t o p # ，s l a v e 主动结束传输数据的信号 i d s e l ，在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号 地址与数据总线：a d 3 1 ：0 1 ，地址数据分时复用总线 c b e # 3 ：o ，命令字节使能信号 p a r ，奇偶校验信号 仲裁号：r e o # ，m a s t e r 用来请求总线使用权的信号 p c i 总线命令 8 , 2 6 1 用来规定主、从设备之间对话的类型，主设备用总线命令控制从设 备的动作。总线命令出现于地址期的c b e # 信号线上，从设备可以对总线命令进行译码 以确定后续动作。可以简单的分成下面四类命令： ( 1 ) 存储器读取相关的命令：该命令可以分成存储器读取( m e m o r yr e a d ) 、线存储 器读取( m e m o r yr e a dl i n e ) 以及多重存储器读取( m e m o r yr e a d m u l t i p l e ) 。其中 m e m o r yr e a d 是最基本的命令，m e m o r yr e a dl i n e 和m e m o r yr e a dm u l t i p l e 是为了 提升传输性能而设置的。 ( 2 ) 存储器写) x ( m e m o r yw f i t e ) 相关的命令：该命令可分为存储器写x ( m e m o r y w r i t e ) 年l l 存储器写入并无效( m e m o r yw r i t ea n di n v a l i d a t e ) 。 ( 3 ) 端口( i o ) 相关的命令：对i o 端口进行读写。 ( 4 ) 配置命令( c o n f i g u r a t i o nc o a u n a n d ) ：对配置寄存器进行读写。 表2 1 中给出了常用命令及解释。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 命令类型 编码含义 中断响应0 0 0 0 读取设备中断向量 特殊周期0 0 0 1 以广播方式向所有设备发送信息 i o 读 0 0 1 0 从映射到i 0 地址空间的设备读数据 i 0 写0 0 1 l 从映射到t o 地址空间的设备写数据 内存读0 1 1 0 从映射到存储器地址空间的设备读数据 内存写 0 1 1 1 从映射到存储器地址空间的设备写数据 配置读1 0 1 0 从任意设备的配置空间读数据 配置写1 0 l l 从任意设备的配置空间写数据 t a b 2 - 1t h ef r e q u e n tc o m m a n da n dd e s c r i p t i o no fp c i b u s 2 2 5p c ii b 置空间 当系统上电自检时，b i o s 里的配置软件必须检测p c i 总线，确定有哪些计算机设备 在p c i 总线上，以及它们的配置要求，进行系统配置。p c i 系统支持内存空间、i o 空间 和配置空间。所有p c i 设备必须有一个具有独立配置地址空间来实现p c i 协议规定的配 景寄存器，从而能够实现参数自动配置，使所有与p c i 兼容的设备实现真正的即插即用。 p c i 总线标准规定的配置空间1 7 1 8 2 4 】总长度为2 5 6 个字节，配置信息按一定的顺序和 大小依次存放。前6 4 个字节配置空间称为头标区，p c i 总线设备都有该配置空间。头标 区的功能主要是用于识别设备，定义主机访问p c i 板卡的方式( 是i o 访问还是m e m 访 问、中断号等) 。其余的1 9 2 个字节空间称为本地配置空间，因卡而异，主要定义卡上局 部总线的特性、本地空间基地址及范围等。因p c i 规范的通用性，所以每一块p c i 总线 扩展板卡都只是实现配置空间的一个子集。表2 2 简要说明了配置空间的预定义头域。 基址寄存器 保留 保留 扩展r o m 基址寄存器 保留 保留 b e f o r e h a n dd e f i n e dh e a d m a r ko fp c i b u sc o n f i g u r a t i o nr o o m a g e 第2 章数据采集理论与p c i 总线技术 下面就是配置空间的头标区的简要说明： 头域中的“供应商代码”由p c is i g 发布：“设备识别”、“修改版本”、“分类代码” 三个寄存器用于p c i 总线设备识别及其功能识别。 头域中的“命令”寄存器用于对p c i 总线设备的p c i 操作进行的粗略控制。 头域中的“中断引脚”寄存器表明设备的中断送到桥接器的哪一个中断引脚，p c i 接口芯片p c i9 0 5 0 只支持i n t a # 中断引脚。如果设备没有使用中断，该寄存器必须清0 。 头域中的“中断线”寄存器表明该设备在主机中所占用的中断号( i r q o i r q l 5 ) ，由 系统分配并写入。 头域中的“基址寄存器”寄存器配置空间头标区中共有7 个双字，分别是本地配置寄 存器、本地空间寄存器、扩展r o m 寄存器。它们的作用都是将p c i 地址空间映射到本地 地址空间。 ( 1 ) 本地配置基址寄存器定义p c i 总线访问本地配置空间寄存器的方式及本地配置 空间在p c i 空间上的基地址，有存储器映射和i o 映射两种方式。 ( 2 ) 本地空间寄存器用于将本地地址映射到p c i 地址空间，映射方式既可以是存储 器映射，也可以是i 0 映射。 ( 3 ) 扩展r o m 基址寄存器用于将本地r o m 地址映射到p c i 地址空间，该寄存器用 于带有扩展r o m 的板卡。 2 2 6p l x 9 0 5 0 接口芯片 在目前，有两种p c i 接口的实现方案可供选择： 第一，使用可编程逻辑器件( f p g a 或c p l d ) ：第二，采用专用p c i 接口芯片。 使用可编程逻辑器件，可以根据系统的需要，选择实现p c i 规范一个子集，这种方 法比较灵活，但要求开发人员对p c i 协议特别了解，并有电子设计的经验，开发难度大， 开发周期长。 采用专用p c i 接口芯片可以缩短开发周期，并降低开发难度。 本课题所选择的数据采集卡采用专用p c i 接口芯片p l x 9 0 5 0 来实现p c i 接口，下面 对该芯片做简单介绍： p l x 9 0 5 0 2 8 1 是p l xt e c h n o l o g y 公司推出的低成本、高性能p c i 总线从接口芯片，支 持3 2 位、3 3 m h z 的p c i 总线规范。它用来连接针对p c i 总线的各种局部总线。图2 - 5 示意了相应的信号接口。 1 4 p c i 么 l 总l 扒 线 厂_ 1 局 接部 口 总 线 p c i 弋 _ 7 v9 0 5 0 图2 - 5p l x 9 0 5 0 信号接口示意图 f i g 2 - 5t h es k e t c hm a po fp l x 9 0 5 0si g n ali n t e r f a c e s 大庆石油学院硕士研究生学位论文 p l x 9 0 5