（检测技术与自动化装置专业论文）截面数据采集系统接口模块及应用程序.pdf

中文摘要 截面信息检测技术是近年来发展起来的一种针对多相流流动参数检测的新 型技术，相对于以往传统的检测手段，具有非侵入、无辐射、能够实现多源传感 器检测，提供可视化信息，结构简单、成本低廉、可以满足快速变化复杂流动过 程在线测量等优点，在石油化工、地质勘探、工业过程检测等领域有着广泛的应 用前景。 在实际工业环境中，多相流体常具有较高的流动速度，目前的检测系统在数 据采集的实时性方面还无法满足工业现场应用，而且现已开发出来的截面数据采 集系统测量方式单一，系统的灵活性较差，本文根据这种情况对基于c p c i 总线 和f p g a 的截面数据采集系统接口模块及应用程序进行研究。 在本文的研究中，作者主要完成了以下几方面的工作： 1 在明确多相流测试需求的基础上，分析基于f p g a 的柔性结构截面数据采集 系统的架构、系统运行模式及影响系统性能因素等关键问题，提出截面数据采集 接口模块及应用程序的设计方案； 2 研究c p c i 总线的发展与应用，深入分析c p c i 总线协议及w m d o w sw d m 驱动模型，设计针对p c i 9 0 5 4 的w d m 驱动程序，实现c p c i 接口与操作系统之 间的通讯； 3 应用v i s u a lc + + 6 0 设计截面数据采集系统应用程序，采用多线程方式响应 系统消息，以d m a 模式进行数据传输，提高系统数据处理速度，完成应用程序 与驱动程序之间的通讯； 4 对给定被测对象模型进行有限元剖分，利用图像重建算法实现采集数据的可 视化过程，初步建立截面数据采集系统的应用软件框架。 关键词：截面信息检测c p c i 总线w d m 驱动程序d m a 数据传输 a b s t r a c t t h ec r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei san e w l yd e v e l o p e dt e c h n o l o g y w h i c hm e a s u r e st h ef l o wp a r a m e t e r so fm u l t i p h a s e f l o w c o m p a r i n gw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d st h ec r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n t t e c h n i q u ei s n o n - i n v a s i v e ，n o n - r a d i o a c t i v ea n dm e a s u r e m e n ti nv i s u a ln l a n n e rw i t has i m p l e a r c h i t e c t u r ea n dl o wc o s tc h a r a c t e r , i th a sa p r o m i s i n gf u t u r ei no n l i n em o n i t o r i n gi n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , g e o l o g i c a le x p l o r a t i o na n di n d u s t r i a lp r o c e s s e sm e a s u r e m e n t i na c t u a li n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，t h ee x i s t i n gm e a s u r i n gs y s t e m sc a nb a r e l ym e e t t h er e a lt i m em e a s u r e m e n to nt h ef a s tm o v i n gf l o w st h a tu s u a l l ye n c o u n t e r e di n i n d u s t r yf i e l d s ，d u et ot h e i rl i m i t e do p e r a t i o ns p e e d i na d d i t i o n ，t h ep r e s e n tc r o s s s e c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mc a l l o n l yw o r ku n d e rm o n o f u n c t i o na n dl a c ko f f l e x i b i l i t yi ns t r u c t u r e i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n s ，t h i sw o r kp a i da t t e n t i o nt ot h e r e s e a r c ho fs o f t w a r ed e s i g nf o rc r o s ss e c t i o nd a t aa c q u i s i t i o nb a s e do nc p c ib u s a n d f p g a t h i sw o r km a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ec r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nf p g ai sa n a l y z e di nt h e a s p e c t so fs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，s y s t e mo p e r a t i o nm o d ea n dk e yi s s u e st h a tm a t t e r s y s t e mp e r f o r m a n c e as o l u t i o n st oc r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n ti n t e r f a c em o d u l ea n d a p p l i c a t i o np r o g r a mi sp r e s e n t e d 2 t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc p c ib u sw a si n v e s t i g a t e d ，i n d e p t h a n a l y s i so nc p c ip r o t o c o la n dw i n d o w sw d md r i v em o d e l ，a sw e l la st h ed e s i g no n w d md r i v ep r o g r a mf o rp c i 9 0 5 4w e r ea c h i e v e d ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c p c ii n t e r f a c ea n do sw a si m p l e m e n t e d 3 c r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mf u n c t i o n a ls o f t w a r ew a sb u i l tw i t hv i s u a l c + + 6 0 t h i ss o f t w a r ew o r k si nm u l t i t h r e a dm o d et or e s p o n s es y s t e mm e s s a g e s a n d t r a n s f e r sd a t ai nd m am o d e l i nt h i sw a y , t h ed a t ap r o c e s s i n gs p e e dw a se f f e c t i v e l y i m p r o v e d ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p p l i c a t i o np r o g r a ma n dd r i v ep r o g r a m w a si m p l e m e n t e da sw e l l 4 g i v e nm o d e l sc a l lb em e s h e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t h ec r o s s s e c t i o n i m a g e sc a nb er e c o n s t r u c t e dt h r o u g hc e r t a i ni m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m st o r e a l i z et h ev i s u a l i z a t i o no fd a t a a c q u i s i t i o n s e tu pac r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e ms o f t w a r ef r a m e w o r ki n i t i a l l y k e yw o r d s ：c r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ec p c ib u s w d md r i v ep r o g r a md m ad a t at r a n s f e r 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，也不包含为获得丞洼本堂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：配奇敏拉 签字日期： 泖7 年多月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢洼盘堂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：弓战搋查 签字日期：加口7 年占月辱日 导师繇磊崎 导师签名：杉堋珥 签字日期：一夕年乡月4 日 第一章绪论 第一章绪论 多相流是一种在自然界和工业生产过程中广泛存在的流动形式，如石油、天 然气工业中的油水、油气两相流、油气水三相流，化学工业反应流化床中的气固、 气液两相流、大型燃烧设备中的气固两相流等都是典型的多相流形式。然而，由 于现有测试技术的限制，多相流流动参数的检测精度与速度都与实际工程需要有 很大差距，因此，对多相流流动参数检测的研究成为迫切需要解决的科学问题。 1 1 多相流流动参数检测技术现状 随着科学技术的发展，多相流流动参数检测技术也经历了三个不同的发展阶 段。 一、利用传统的单相流量测量仪表对多相流进行检测的阶段 由于传统的单相流量测量仪表工作原理简单可靠，使用经验成熟丰富，使用 范围广泛，因此传统的单相流量仪表首先被应用于多相流流动参数检测领域。在 实际使用中，使用者根据被测对象、工况配以合适的测量模型可以在一定范围内 解决多相流流动参数检测问题【l j 。 例如，采用孔板或文丘里管测量气液两相流，就是以单相流测量原理为基础， 将气液两相流流过节流装置的过程当作不均匀介质流过管道的过程，根据此过程 建立相应的分相流或均相流模型，并进一步导出相应的流动参数计算公式f 2 】【3 1 。 此外，采用两个或多个传感器组合，进行多参数测量也可用于多相流检测技术， 比较成功的应用有：利用文丘里管和涡轮流量计组合、孔板和均速管组合等测量 方法对多相流体的流动速度、组分浓度等参数进行检测，利用两个容积流量和压 力、温度信号组合测分相流量【4 】。 二、利用现代信息处理技术对多相流进行检测的阶段 由于多相流流动具有很强的复杂性、不确定性，很难用数学模型对多相流流 动进行精确的描述，而现代信息处理技术正是通过对一些较易获得的参数进行离 线分析来对难测或不可测参数进行估价的一种技术手段，因此现代信息处理技术 已经广泛的应用到多相流测量领域【5 1 1 6 。 三、利用新型传感技术对多相流进行检测的阶段 应用于多相流检测领域的新型传感技术主要有：辐射线技术、激光技术、光 纤技术、核磁共振技术、超声技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关 技术、过程层析成像技术等【7 j o 】。其中，过程层析成像技术是上世纪八十年代中 期，随着计算机技术和检测技术的进步迅速发展起来的新一代分布式过程参数检 第一章绪论 测技术，它相对于以往的检测技术有以下几方面的特尉1 1 】： 1 。 非侵入，不破坏流场分布，对流体无干扰、无阻碍作用： 2 响应快，实时性高，可以满足在线测量的需要； 3 可以提供二维三维的可视信息，使检测结果更直观的表现； 4 可提取大量被测对象的特征参数； 5 突破了传统检测方法只能进行单模态测量的局限性，可以做到实时的分 布式测量，可以根据不同的被测对象提供不同测量方式，实现多模态检测。 由于过程层析成像技术所具有的优点，自出现以来得到了快速的发展。其中， 基于电学敏感原理的层析成像技是由于其结构简单、成本低廉、应用范围宽、安 全性高等特点被广泛研究。而截面信息检测技术是在电学层析成像技术基础之 上，对被测物场测量数据进行分析处理，利用截面信息检测系统实时测量数据具 有一定分布性的特点，充分提取被测物场的相关特征参数，结合多传感器数据融 合技术，针对多个传感器的测量数据分析处理，达到对被测物场进行精确、实时、 全面、有效信息提取的目的。 1 2 截面信息检测技术发展现状 1 2 1 发展概况 截面信息检测技术的物理基础是基于不同的媒质具有不同的物理特性 ( 如：电磁特性和光学特性等) ，通过判断敏感场中的物理特性的分布及变 化，可获知物场的媒质分布的变化状况。它运用传感器阵列形成空间敏感场， 通过对被测场域施加激励，在被测物场中建立敏感场，进而获得场域边界上 的感应信号，得到的边界测量数据可以对应为相应的介质特性的分布信息， 再运用一定的信息处理方法，便可获得实际对象的分布状态和特性变化。基 于电学敏感原理的截面信息检测技术，由于采用空间敏感阵列，以非接触或 非侵入方式获取被测物场的分布信息，可以提供被测物场分布的实时信息， 得到了广泛的研究。其中，以被测物场截面介质分布特征和图像重建为研究 内容的就是电学过程层析成像技术( e l e c t r i c a lp r o c e s st o m o g r a p h y ，简 称e p t ) 。 电学过程层析成像技术根据敏感阵列的工作原理的不同，敏感场的性质 及其被测物场相互作用方式也将不同，形成了各种基于不同敏感原理的电学 层析成像系统。如，电阻抗层析成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，简 称e i t ) 系统、静电感应层析成像系统、微波层析成像系统等。其中e i t 系 统由于其原理和结构的优势，研究与应用最为广泛。e i t 系统主要包括：电 阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简称e r t ) 系统、电容层析 2 第一章绪论 成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，简称e c t ) 系统和电磁层析成像 ( e l e c t r i c a lm a g n e t i ct o m o g r a p h y ，简称e m t ) 系统等，它们有各自适应的 测量方案。但相对而言，各种电学层析成像系统的数据采集、处理部分和图 像重建部分则是大同小异的。图1 1 是典型的电学层析成像系统框架结构。 雹哕 数据采集信号 计 重 。i 与信弓控。1 _解调 算 制 机 拧j 卜 捌 ” 制 接 l 激励信号分配 爿激励信号发生器 二 口 图1 - i 典型电学层析成像系统 英国u m i s t 大学在电学层析成像技术领域的研究一直走在世界的前列。研 究成果主要有：2 0 世纪8 0 年代中期，m s b e c k 教授为领导的研究小组研制出 8 电极层析成像系统【1 2 】；1 9 9 0 年该系统发展成为1 2 电极并配备了高速并行处理 网络，在线图像重建速率达4 0 幅秒，并能以1 0 0 幅秒的速率离线显示所存储的 图像数据【1 3 】。2 0 世纪9 0 年代，电机工程系的f d i c k i n 开发出m k l b 系统，该 系统数据采集速度可达2 0 幅秒以上【1 4 1 ；1 9 9 8 年又开发出m k 2 b 系统，数据采 集采集速度可达1 0 0 幅秒，数据传输速度大于1 m b s ”】。2 0 0 1 年u m i s t 大学开 发出利用双极性脉冲电流源作为激励源的电阻层析成像硬件系统，这一系统克服 了直流激励带来的极化现象，提高了系统的运行速度，为解决系统实时性提供了 一种新的途径【1 6 】。2 0 0 3 年u m i s t 大学采用双向电流脉冲技术开发出一套微控制 器控制以实现电流激励的1 6 电极电阻层析成像系统，该系统数据采集采集速度 可达1 0 0 0 幅秒( 激励频率8 0 k h z ) 【1 7 1 。此外，还将电阻层析成像系统用于监测 气液两相流混合过程【l 引，测量泡状流的泡沫密度分布等【l9 】。 1 9 9 8 年英国l e e d s 大学w i l l i a m s 教授领导的研究小组研制出i t s 1 0 0 0 型电 阻层析成像系统，系统数据采集速度可达2 5 幅秒( 3 8 4k h z 电流激励、数字解 调) ，如果采用模拟解调，其采样速率为7 幅秒【2 0 】。yd a i 教授等人等还应用双 截面e r t 技术研究了三维气液两相流的气体相含率及速度场分布，其测量结果 与管道内探针测量结果吻合【2 1 1 。2 0 0 3 年l e e d s 大学开发出一套两相流在线数据 采集和测量处理双截面e i t 系统，系统采用并行处理机制，数据采集速度可以达 到每个电极平面1 0 0 0 幅秒，被测流速可达到1 0 m s ，精度5 田j 。 在芬兰，k u o p i o 大学l m h e i k i n e n 等先后采用4 截面( 6 4 电极) 和5 截 面( 8 0 电极) 传感器进行了三维多相流成像研究。他们采用并行数据采集系统， 第一章绪论 共有1 6 个独立的电流源和1 6 路电压测量单元。这套系统采用1 6 电极时，系统 成像速率为3 6 帧秒【2 3 j 。 在我国，电阻抗层析成像技术的研究开始于8 0 年代后期，天津大学徐苓安 教授领导的研究小组开发出多套电阻抗层析成像系统应用于流动参数在线检测。 1 9 9 9 年开发出t e r t - 1 型样机，系统采用1 6 电极激励，系统成像速度可达1 4 幅 秒( 2 3 4k h z 电流激励、开关解调) ；2 0 0 1 年在t e r t - 1 、t e r t - 2 、t e r t - 3 型样机基础之上，又开发出t e r t - 4 型样机，系统成像速度可达5 0 幅秒( 4 0k h z 电流激励、开关解调) 【2 钥；2 0 0 7 年，天津大学过程检测与控制重点实验室设计 出一套多截面并行数据采集方式的电阻层析成像系统，该系统采用并行数据采集 的方式改变了以往串行数据采集的方法，大幅提高了数据采集速度，采集速度可 以达到每一截面3 0 0 幅秒 2 5 】【2 6 】。2 0 0 8 年，天津大学e i t 研究小组研制出一套数 字化e i t 成像系统t e i t - i i i 系统，其数据采集速度有望超过1 0 0 0 幅秒，图像 灰度值计算速度可以超过2 0 0 幅秒，实时成像速度可达6 0 幅秒【2 7 】【2 8 1 。此外， 在国内，东北大学、浙江大学等单位在电阻抗层析成像领域也做了深入研究，取 得了较好的研究成烈2 9 j 【3 u j 。 随着工业自动化水平的不断提高，多相流流动问题越来越多的出现在工业生 产现场中，单纯采用电阻抗层析成像技术对多相流流动参数进行检测已经不能满 足工业检测的需要，与此同时现代信息处理技术和多传感器数据融合技术近些年 来得到了很大的发展，在这种背景条件下截面信息检测技术得到进一步的发展。 截面信息检测技术是一种全新的过程参数检测技术，这种测量技术在电学层 析成像基础之上汲取了多传感器数据融合的思想，充分利用敏感阵列对被测物场 激励之后产生的边界测量数据，利用现代信息处理技术对这些分布式参数进行处 理，以达到提取被测物场特征变量、实时反映被测物场各种信息和重建被测物场 图像的效果。 1 2 2 截面信息检测技术面临问题 由于运用截面信息检测技术对多相流进行检测需要大量的测量数据，而且多 相流动本身具有高度的复杂性，若想检测系统能够实时准确的监测被测对象的流 动信息，检测系统数据采集的实时性就成为制约整个系统性能的关键因素，而截 面数据采集系统实时性问题主要是指从传感器阵列发出激励信号开始，信号经过 被测物场转化为被测信号，被测信号经过系统接口进入计算机进行数据处理，直 至得出分析结果所经过的延时时间，针对本文所设计的截面数据采集系统接口模 块和应用程序，影响系统实时性主要应有以下两个环节： 1 系统接口部分：系统的接口部分主要指系统处理与控制核心计算机c p u 4 第一章绪论 与系统数据采集模块之间的链接。系统的接口是数据传输的实现环节， 其性能的好坏直接影响到整个系统数据采集的实时性，数据传输协议的 选择、功能电路的设计、具体实现芯片的选择都是影响接口部分实时性 的因素，在具体实现的时候要综合考虑传输速度、硬件实现复杂程度、 一后续系统开发的便捷性、系统实现的成本，以使其在有利于系统是显得 前提下，尽可能提高数据传输速度。 2 数据处理方法：系统将测量数据传输到系统核心处理器之后，系统核心 处理器会结合一定的数据算法，将测量数据转化为直接反应被测对象状 态的信息，在这个过程当中影响系统实时性的主要因素是系统处理器性 能和数据处理算法的优劣。 由以上的分析可以得出，系统接口、数据处理部分的改进和实现对系统的实 时性的提高具有重要作用。其中，数据处理部分可以通过选用优质高效的数据处 理算法，提高系统处理器的配置来获得较快的数据处理速度，这样，系统接口部 分就成为影响系统性能的关键因素。目前，市场上有很多高性能的数据采集卡， 数据采集速度精度都很高，但是截面信息检测系统数据传输通道很多，若一套系 统采用多块数据采集卡一方面会涉及到多块板块之间的通讯问题，另一方面成型 的数据采集卡价格都比较高，会导致系统整体成本大幅提高，不利于系统在工业 现场的应用。因此，开发出适于截面信息检测系统的数据采集通道，实现高性能 的数据传输，成为提高截面信息检测系统实时性的可行方案。 1 3 课题来源及主要研究工作 本课题受国家自然科学基金项目“油气水三相流多源测量信息融合及流动特 性研究”( 项目批准号：5 0 7 7 6 0 6 3 ) ；天津市应用基础研究计划重点项目“多传感 器融合的油气水多相流测量系统研究”( 项目批准号：0 8 j c z d j c l 7 7 0 0 ) 和教育 部新世纪优秀人才支持计划“基于截面检测技术的多相流流动机理研究”( 项目 批准号：n c e t 0 6 0 2 3 0 ) 的支持，设计出一种新型截面数据采集系统，系统采 用c p c i 总线接口，以d m a 模式进行数据传输，可以充分提高系统数据采集速 度，满足系统实时性的要求。作者在论文中完成的主要工作如下： 1 根据截面数据采集系统整体需要，开发截面数据采集系统接口模块；利 用c p c i 接口实现系统激励采集模块与系统p c 机之间的通讯；通过p c i 桥接芯片将采集数据和控制命令在系统激励采集模块与系统p c 机之间 进行传输：利用d m a 方式来进行数据的传输，数据传输过程由f p g a 控制，提高数据传输速度。 2 设计截面数据采集系统应用程序。采用v i s u a lc + + 编程语言编程，利用 第一章绪论 模块化思想进行软件设计，整体功能分为系统初始化配置模块、数据采 集存储模块、数据处理模块、图像显示模块、系统状态监视模块，最终 实现应用程序与系统使用者之间的交互、与f p g a 进行通讯、控制截面 数据采集系统的运行功能。 1 4 本论文的组织安排 本文各章节安排如下： 第一章绪论。简要介绍了截面信息检测技术的应用范围、原理技术特点及 发展现状，分析了现阶段截面信息检测技术面临的主要问题；同时对本课题的来 源和研究内容做了介绍，并说明了论文的组织结构。 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析。分析截面数据采集系 统设计方案，根据系统的实时性需求设计基于c p c i 总线的接口模块，对c p c i 总线接口驱动程序及系统功能软件做出总体设计方案。 第三章p c i 总线驱动程序设计。介绍c p c i 接口模块设计方案，选用p c i 9 0 5 4 桥接芯片实现接口功能，开发基于w i n d o w sw d m 模型的p c i 总线驱动程序， 采用d m a 模式传输数据，实现总线接口与p c 机之间的通讯功能，并设计测试 程序对其进行测试。 第四章截面数据采集系统功能软件设计。介绍功能软件总体设计方案，按 各功能模块分别介绍功能软件的实现过程，软件的主要功能包括应用程序与驱动 程序之间的通讯，有限元剖分及采集数据的图像重建等。 第五章总结与建议。 6 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 2 1 截面数据采集系统设计 用于多相流检测领域截面数据采集系统的设计主要顾及三个方面： 1 提高系统数据的采集和传输速度，以此提高系统的实时性，并进一步达 到尽可能真实反映被测物场信息的目的； 2 使设计出的系统具有更强的灵活性和通用性，为此系统采用模块化设计 理念，将整体系统按照功能的不同分为不同模块，各个模块之间相对独 立，自成体系，每个单一模块都可以实现特定的功能，结合其他相关的 模块可以实现系统功能。 3 为使截面数据采集系统能够适应工业现场应用，采用工业标准对系统进 行设计。 电极板1 电极板2 图2 1截面信息采集系统总体框架 研究中设计的截面数据采集系统基本框架如图2 1 所示。系统主要由三个模 块构成，分别为激励信号模块、a d 采集模块、信号调理模块，其中激励信号模 块和a d 采集模块通过c p c i 总线和p c 机实现通讯，完成数据传输的功能。信 号调理模块在激励模块与采集模块之间架起桥梁，目的在于保持激励信号和测量 信号与数据采集系统之间的匹配，以及激励信号模块与a d 采集模块的工作配 置，对于不同的测量原理只需要改变信号调理模块，满足不同测量原理要求即可 组成新的检测系统，平台的可扩展性好。 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 2 1 1 激励信号模块通讯功能介绍 = 一信号发生bv c c s c p c i嫱导 f p g a 模块 电极激励信1 总线 控制 选通 卜 模块 。一c p c i 接c il 。 模块 ， 控制激励模式 一模块r 图2 - 2 激励模块基本框架 图2 2 表示了截面数据采集系统激励模块基本框架。激励模块的核心是由 f p g a 来实现控制功能，由c p c i 总线实现数据传输功能。模块工作时p c 机功 能软件选择系统工作模式以及激励信号的幅值相位，经c p c i 总线对f p g a 进行 初始化，f p g a 根据所接收到的初始化信息控制激励模块内部各部分运行实现激 励信号产生、激励电极选通等系统功能。由此可见，激励信号模块由两个关键部 分组成，f p g a 控制模块与c p c i 总线接口模块，而这两个关键部分也是整个截 面数据采集系统的关键所在。其中，c p c i 总线接1 2 1 部分承担了f p g a 与p c 机 之间进行通信的枢纽作用，系统的控制命令传输与采集数据传输都是通过c p c i 总线接1 2 1 来进行的，可以说c p c i 总线接口是整个截面数据采集系统承上启下的 关键之所在。由于c p c i 总线接口模块的设计是本文的重点研究内容之一，因此 有必要对c p c i 总线接口进行简单介绍。 c p c i 是c o m p a c t p c i 的简称，中文又称紧凑型p c i ，是国际p i c m g 协会于 1 9 9 4 提出来的一种总线接口标准，c p c i 总线是在p c i 总线基础之上经过改造而 成，c p c i 总线与在p c i 总线的不同主要表现在：一是c p c i 总线抛弃i p c 传统 机械结构，改用高可靠的欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、 符合电磁兼容性要求；二是c p c i 总线抛弃i p c 的金手指式互连方式，改用2 m m 密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载 能力。由此可见，c p c i 总线与p c i 总线的区别主要在机械特性上，而实际上在 电气特性方面两者完全相同。对于截面数据采集系统而言，选择c p c i 总线是因 为c p c i 总线更符合工业标准，更便于未来向工业领域发展，而c p c i 总线的电 气特性对于系统的性能来讲显然更为重要，由于c p c i 总线与p c i 总线的电气特 性完全相同，所以为了简便，介绍p c i 总线的电气特性代替c p c i 总线。 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 即连接外部设备的计算机内部总线) 总线是一种高性能的3 2 位6 4 位地址数据复用的高速外围设备接口局部总线。其 总线标准最早由i n t e l 公司的电脑结构实验室在1 9 9 1 年底提出，1 9 9 2 年6 月公布 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 了v 1 0 标准；在1 9 9 3 年4 月升级到v 2 0 ，并扩展到6 4 位，将总线带宽扩展 到2 6 4 m b s ；1 9 9 5 年1 月又升级到了v 2 1 ，总线时钟扩展到了6 6 m h z ，总线带 宽扩展到了5 2 8 m b s 。具体而言，p c i 局部总线包含如下特点： 1 高速性：p c i 总线的主设备( m a s t e r ) 可与微机内存直接交换数据，而不 必经过微机c p u 中转，提高了数据传输的效率，访问时间快，当停靠 在p c i 局部总线上的主设备写p c i 目标时，在3 3 m h z 总线速度下，访 问时间只需要6 0 n s ； 2 并行总线操作，支持完全总线并行操作，与处理器总线、p c i 局部总线 和扩展总线同步使用 3 独立于处理器，为p c i 局部总线设计的器件是针对p c i ，而不是针对处 理器的，因此设备的设计独立于处理器的升级； 4 支持突发传送：p c i 能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，外围设备一般从内存地址顺序接受数据，这种线性 或顺序的寻址方式，意味着可以从某个起始地址读写大量数据。然后每 次只需将地址自动加l ，。便可以接受数据流内下一个字节的数据。线性 突发传输能够更有效地运用总线的带宽去传输数据，以减少无谓的地址 操作； 5 采用总线主控和同步操作：p c i 的总线主控和同步操作功能有利于p c i 性能的改善。总线主控是大多数总线都具有的功能，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可保证微处理器能够与这些总线主 控同时操作，不必等待后者的完成； 6 即插即用性：目前随着计算机技术的发展，微机中留给用户使用的硬件 资源越来越少，也越来越含糊不清，p c i 板卡的硬件资源则是由微机根 据其各自的要求统一分配，不会有任何形式的冲突发生。 7 可靠性：与以前常用的i s a 总线相比，p c i 总线增加了奇偶校验错 ( p e r r ) 、系统错( s e r r ) 、从设备结束( s t o p ) 等控制信号及超时处理 等可靠性措施，使数据传输的可靠性大为增加。 由以上的介绍可以看出c p c i 总线是一种高性能的工业标准数据总线，其数 据高速传输性能完全满足截面信息检测系统数据采集通道的要求，满足工业标准 的总线设计也符合未来截面信息采集系统工业现场应用的需求，因此，系统采用 c p c i 总线作为系统p c 机与硬件设备之间的接口是符合条件的。 9 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 2 1 2a d 采集模块通讯功能介绍 c p c i姆 f p g a a d 总线 r a m 1 模 滤波 j c p o 接ml 模块 数字信号 块 模块r 图2 3a d 采集模块框图 图2 3 表示了截面数据采集系统a d 采集模块基本框架。由于系统从测量电 极采集的测量信号是模拟信号，而上传到p c 机进行数据处理的时候需要的是数 字信号，所以设计a d 采集模块将测量信号由模拟量变为数字量。a d 采集模块 的核心将测量信号经过a d 芯片变为数字信号后，送入f p g a 进行数字滤波，经 过数字滤波之后的信号再送入板载r a m 中，最终仍然通过c p c i 总线将信号送 入p c 机进行实时处理。 2 2 系统软件需求分析及功能软件设计 完整的截面数据采集系统除了需要硬件电路之外还需要软件支持，系统功能 软件结合硬件电路形成完整的数据采集、分析和显示系统，没有软件，数据采集 硬件是毫无用处的或者使用比较差的软件，数据采集硬件也几乎无法工作，本文 的主要工作就是设计与实现截面数据采集系统所需要的驱动程序及功能软件。通 过上面的分析可以得到，截面数据采集系统运行的时候数据是通过c p c i 总线进 行传输的，而采集到的数据最终是在p c 机进行处理，并且系统运行结果的现实、 系统状态的监测都是在p c 机完成的，因此，系统的软件分为两部分：c p c i 总 线接口的功能实现部分和p c 机应用程序部分。 2 2 1 0 p o i 总线接口控制方式 c p c i 总线协议比较复杂，用户可以根据具体实际需求选择相应的开发方式， 一般，c p c i 总线开发采用两种方式， 一是采用可编程逻辑器件，如f p g a 、c p l d 等来设计控制接口，它的最大 好处是比较灵活，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。现在有许多生产可编程逻辑器件的厂商，如x i l i n x 公 司的l o g i c o r e 和a l t e r a 的a m p p 都提供经过严格测试的p c i 接口功能模块，用 户只要进行组合设计即可。但是c p c i 总线协议复杂，使得设计c p c i 控制接口 1 0 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 难度较大，周期较长，而且很难在短期内达到系统稳定，所以一般这种方法只在 大批量生产的情况采用，对于产量不大又有时限要求的工程项目来说，成本巨大， 不宜采用。 二是采用通用p c i 接口芯片，例如南京沁恒公司的c h 3 6 5 ，a m c c 公司的 a m c c $ 5 9 2 0 、a m c c $ 5 9 3 3 ，p l x 公司的p c i 9 0 5 4 、p c i 9 0 8 0 等，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，它能实现p c i 规范所要求的所有硬件接口信号和配置空间寄存器，专用接口芯片具有较低的成 本和通用性，能够有效降低接口设计的难度，缩短开发时间，并能获得较好的数 据传输性能。 根据截面数据采集系统的实际情况，最终采用p l x 公司的p c i 9 0 5 4 实现 c p c i 总线接口协议，系统软件只需要编写针对p c i 9 0 5 4 的设备驱动程序即可实 现经过c p c i 总线传输数据的功能。设备驱动程序实际上是指一系列控制硬件设 备的函数，是操作系统中控制和链接硬件的关键模块。它提供连接到计算机的硬 件设备的软件接口。设备驱动程序将不同外设特性和操作系统高层分割开，隐藏 了硬件设备内部实现细节，并对操作系统透明。开发出高性能的驱动程序可以极 大的提高整体系统实时性，增强系统的灵活性，同时还能极大地降低开发p c 机 应用程序所需的时间。随着截面数据采集系统硬件、计算机和软件复杂程度的增 加，驱动程序的编写显得尤为重要。 2 2 2p c 机应用程序 p c 机应用程序的主要任务就通过p c i 9 0 5 4 驱动程序接口实现硬件设备与p c 机之间的数据传输，对采集到的数据进行处理，为操作人员提供可视化界面。在 本系统中，p c 机的数据采集、显示和管理，p c 机和f p g a 之间的数据通讯，采 集数据的可视化等任务需要同时进行，因此采用多线程技术来并行处理系统各项 任务，保证系统的正常工作，由以上的分析，在课题研究中应用程序具有以下几 项主要功能： 1 系统运行参数设置功能：通过应用程序对系统运行状态、运行参数进行 设置； 2 p c 机与f p g a 之间数据通讯功能：截面数据采集系统数据通讯量大， 通讯实时性要求强，系统通讯主要通过p c 机应用程序调用驱动程序接 口实现，数据通讯任务是整个系统软件的核心部分，数据通讯的效率问 题直接关系到整体系统运行状况； 3 有限元剖分功能：对给定的模型自动进行有限元剖分，或载入其他软件 第二章截面数据采集系统设计及功能软件需求分析 剖分的有限元模型，为截面图像重建准备条件； 4 截面图像重建显示功能：利用一定的图像重建算法对被测截面图像进行 重建，通过灰度值将图像重建结果在用户界面显示。 1 2 第三章c p c i 总线接口驱动程序设计 第三章c p c i 总线接口驱动程序设计 3 1 c p c i 总线接口 截面数据采集系统采用p c i 9 0 5 4 实现c p c i 总线接口模块，p c i 9 0 5 4 是由美 国p l x 公司生产的先进的p c ii o 加速器，是一种性价比比较高的p c i 桥接芯片， 它采用了先进的p l x 数据流水线结构技术，是3 2 位、3 3 m h z 的p c i 总线主i o 加速器；符合p c i 本地总线规范2 2 版，突发传输速率达到1 3 2 m b s ，本地总线 支持复用t p - 复用的3 2 位地址数据；有m 、c 、j 三种工作模式；针对不同的处 理器及局部总线特性可选，可以尽量减少中间逻辑；具有可选的串行e 2 p r o m 接口，本地总线时钟可和p c i 时钟异步。p c i 9 0 5 4 内部有6 种可编程的f i f o ， 以实现零等待突发传输及本地总线和p c i 总线之间的异步操作；支持主模式、从 模式、d m a 传输方式，因其强大的功能广泛应用于适配卡和嵌入式系统中。p c i 9 0 5 4 内部框图如图所示： 图3 1p c i 9 0 5 4 内部结构 p c i9 0 5 4 特性如下： 符合p c iv 2 1 ，v 2 2 规范，包含p c i 电源管理特性。 支持v p d ( v i t a l p r o d u c td a t a ) 的p c i 扩展。 支持p c i 双地址周期，地址空间高达4 g b 具备1 2 0 准备报文单元，完全兼容1 2 0v 1 5 规范。 提供了两个独立的可编程d m a 控制器，每个通道均支持块和 s c a r e r g a t h e r 的d m a 方式，d m a 通道0 支持请求d m a 方式。 在p c i 启动模式下，p c i9 0 5 4 可插入类型1 和类型2 的配置周期。 第三章c p c i 总线接口驱动程序设计 p c i 和l o c a lb u s 数据传送速率高达1 3 2 m b s 。 支持本地总线直接接口m o t o r o l am p c 8 5 0 或m p c 8 6 0 系列、i n t e li 9 6 0 系列、i b m p p c 4 0 1 系列及其它类似总线协议设备。 本地总线速率高达5 0 m h z ；支持复用! i b - 复用的3 2 b i t 地址数据；本地 总线有三种模式；m 模式、c 模式和，j 模式，呵利用模式选择引脚加以 选择。 具有可选的串行e e p r o m 接口。 具有8 个3 2 b i tm a i l b o x 寄存器和2 个3 2 位d o o r b e l l 寄存器。 3 2w d m 驱动模型介绍 3 2 1w d m 驱动程序特点 w d m 是w i n d o w sd r i v e rm o d e l 的缩写，是微软为w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x po s 的设备驱动程序提供了统一的框架，是一