（计算机软件与理论专业论文）解析测图仪控制接口的研制.pdf

摘要 解析测图仪是进行数字测图和图解测图的摄影测量仪器，广泛地应用于军 事、农林、电力、交通、地矿、石油、城建、环保以及土地管理等部门。 本论文的主要工作是为某型解析测图仪设计、实现基于p c i 总线计算机控 制接口。控制接口用于连接计算机系统和解析测图仪，为两者之间的数据、控 制命令、地址等的传输提供通道。原有的控制接口是基于i s a 总线的，不能支 持即插即用，因此不适合用于很多目前流行的操作系统软件上。同时，i s a 总线 在硬件上又不具备p c i 总线的许多优点如兼容性、高速性等，不能满足对精度 和分辨率的要求。为了提高解析测图仪的绘图精度，满足硬件兼容性等要求， 现采用p c i 总线技术重新设计实现该控制接口。 本论文采用基于v h d l 自顶向下的设计方法设计实现该控制接口卡。在概要 设计阶段，将整个接口按功能分为五个模块；经过器件选型后完成整体设计； 在详细设计阶段，分别对五个模块进行v h d l 编程、通过调试仿真，绘制原理图 和p c b 图，烧录f g p a ，制作完成控制接口硬件板卡。 本论文第一章是绪论。介绍了课题的背景、发展、应用以及论文的主要内 容和工作。 第二章是解析测图仪的相关内容。主要介绍了解析测图仪的控制接口原理 及其控制接口结构。 第三章是p c i 总线技术。主要说明了包括p c i 总线配置空间、总线协议等 等，这是如何用f p g a 方法实现p c i 接口所要掌握重要知识。 第四章是f p g a 技术。介绍了f p g a 的类型、结构、特点以及本论文中所使 用的设计f p g a 的方法。并介绍了设计f p g a 所要使用的工具软件m a x p l u s i l 和硬 件描述语言v h d l 。 第五章是设计与实现。介绍了具体的程序实现。对开发需求说明的详细分 析，将课题分为五个模块。对各个模块分别进行v h d l 程序实现及调试仿真后， 绘制原理图和p c b 图，制成控制接口板卡。 关键词：p c i 总线、f p g a 、硬件描述语言、m a x p l u s 、p r o t e l 9 9 、原理 图、p c b 图、解析测图仪。 a b s t r a c t j i ex im a p s c a n n i n gd e v i c ei su s e df o rs c a n n i n gm a p sa n df o rs u r v e y i n gl a n d i ti s w i d e l yu s e d i nm i l i t a r y ，a g r i c u l t u r e ，e l e c t r i cp o w e r ，t r a f f i c ，m i n e ，o i l ， a r c h i t e c t u r e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n do t h e r l a n da d m i n i s t r a t i o nd e p a r t m e n t s t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st od e v e l o pt h ei n t e r f a c eo ft h i sd e v i c e t h e i n t e r f a c ei su s e dt oc o n n e c tt h ec o m p u t e rw i t ht h ed e v i c ea n dp r o v i d e sac h a n n e lf o r t h et r a n s m i s s i o no f d a t a ，c o m m a n d s ，a d d r e s s e s ，e t cb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h e d e v i c e t h i si n t e r f a c ec a r dw a sd e s i g n e df o rar e s e a r c hi n s t i t u t e t h e i rp r e v i o u s i n t e r f a c ec a r dw a sb a s e do na ni s ab u sa n dc o u l dn o tm e e tt h e i rd e m a n d s i no r d e rt oi n c r e a s ec o m p a t i b i l i t y ，t h i si n t e r f a c ec a r di sb a s e do nap c ib u s i n t h i st h e s i s ，t h ew h o l ei n t e r f a c ec a r di sd i v i d e di n t o5m o d u l e s t h ec a r dw a s f i n i s h e da f t e rd e b u g g i n g ， e m u l a t i n g ， a n d p r o g r a m m i n g i nv h d l t h ef i r s tc h a p t e ro ft h ep a p e ri sp r e f a c e i ti n t r o d u c e st h eo r i g i n ，p u r p o s ea n d s i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c t c h a p t e r 2i n t r o d u c e ss o m e k n o w l e d g e a b o u tt h ej i ex i m a p - s c a n n i n g d e v i c e c h a p t e r 3m a i n l yd i s c u s s e st h ep c ib u st e c h n o l o g y c h a p t e r4m a i n l yd i s c u s s e st h ef p g at e c h n o l o g ya n d t h et o o l su s e dt od e s i g n t h ei n t e r f a c ec a r d t h el a s t c h a p t e r o ft h e p a p e r d e m o n s t r a t e si nd e t a i lt h ec o u r s eo ft h e i m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s ：p c ib u s ，f p g a ，v h d l ，j i ex im a p s c a n n i n ga p p a r a t u s i i 引言 第一章绪论 随着世界科技经济一体化时代的到来，经济的发展已不再是直接取决于资 源、资本和硬件技术的数量、规模和增量，而是直接依赖于知识和有效信息的 积累和利用，信息产业成为世界经济发展的驱动力。现代地理信息产业作为信 息产业中一个独立的组成部分，其在经济发展中的作用已日渐明显。现代地理 信息产业的基础和主干是测绘产业，而测绘产业是地理信息，特别是基础地理 信息获取、维护、更新和提供的主体。国民经济和国防现代化的发展对数字地 图的要求f 1 益迫切，目前数字地图的来源一般是利用数字化仪进行地图数字化 或者是扫描数据矢量化，但无论那一种数字化，其依据都是纸质地图，这一过 程包含的误差是多方面的：航测作业误差、制图人员为处理某些物质关系而带 来的移位误差、图纸收缩误差、栅格数据矢量化误差、数据采集误差，以 上这些误差当它们独立存在时一般都在精度范围以内，而当它们综合影响时所 有的累积误差将是惊人的。如果在摄影测量过程中将数据采集与数据处理的结 果变成可以直接绘制地形图的数字信息，就可以尽可能减少上述累积误差，同 时对作业工期的压缩也是相当惊人的。由于解析测图仪具有这种优势，己成为 全国各省市生产比例尺地图的主流仪器。 随着测绘设备的更新换代，传统的控制接口的设计方法、内容、程序、技 术要求等将会随之改变，为此我们必须研究新的方法、技术要求以做相应的变 革。 以前测绘用的测图仪主要是模拟测图仪，传统的模拟仪器，虽然精度高， 但是特别笨重，体积庞大，维修困难，作业劳动强度大、效率低。它是利用安 置在左、右像片盘上的相邻像片，通过仪器的机械转( 移) 动，恢复空中摄影瞬 间的相对关系( 恢复内、外方位元素) ，建立实地的立体模型，达到量测立体模 型，测绘地形图的目的。由于模拟测图仪受制造时的机械限制，这种转动、移 动的自由度是很有限的。但是，解析测图仪的测图原理就完全不同了，它是应 用计算机、利用共线方程和事先已计算出来的定向参数。将左、右像片的影像 坐标不断地计算出来。并由伺服控制处理器指挥伺服系统驱动左、右像片盘和 观测系统运动，最终形成并维持立体模型，进而对该模型实现点、线、面等各 i 贞测量。 随着航测技术的发展，解析测图仪已经成为当今主要的测绘设备，模拟测 图仪正在被改造或者淘汰。某研究所研制的a p s 系列解析测图仪尤其是a p s p 解析测图仪借鉴和吸收了国内外解析测图仪研究和微电子学方面的最新发展成 果，采用微型计算机直接数字控制和总线i o 接口技术，以及先进的可编程逻 辑器件g a l 、p a l 的使用，成功地将a p s p 型解析测图仪接口和控制电路集成到 象普通微型计算机扩展卡那样的两块电路板上( 除功率放大电路外) ，直接插入 微型计算机扩展槽中，替代了国内外传统解析测图仪中所都具有的专用电子控 制柜，不仅大大降低了硬件成本，更重要的是有效地提高了系统的稳定性，使 a p s p 系列解析测图仪的电气性能在可靠性方面达到了与微型计算机几乎相同 的水平。 a p s 系列解析测图仪已经广泛地应用于军事、农林、电力、交通、地矿、石 油、城建、环保以及土地管理等部门。随着数字化测图的发展，该系列解析测 图仪为促进我国测图仪器由模拟型向解析型和数字化方面转化作出了很大贡 献。 1 2 课题来源和意义 a p s 系列解析测图仪是在d o s 平台上基于i s a 总线的解析测图仪。d o s 平台 所支持的分辨率很低，最大仅为8 0 0 6 0 0 ，而且现有的a p s 系列解析测图仪控 制接口都是基于i s a 总线，存在速度慢、不支持即插即功能等缺点。目前，随 着计算机技术的发展，微机中低性能的i s a 总线标准即将被淘汰，原有的i s a 板卡将无法在今后新的微机中使用：另一方面，对高速、商性能的板卡的需求 将会越来越高。a p s 系列解析测图仪控制接口不能适应当前的高档计算机的高配 置要求，因此本课题拟将原来的基于i s a 总线的控制接口改制成在w i n d o w s 下 基于p c i 总线的，用f p g a 技术实现的控制接口。改进后的a p s p 解析测图仪的 分辨率和绘图的速度将会大大地提高，所制作的地图的精度也将相应地提高。 1 3 所做的工作 本论文主要的工作是要进行测图仪控制接口卡的研制，内容包括： 1 ) 和用户进行用户需求的沟通，确定控制接口卡的总体方案，进行了器件 选型； 2 ) 设计控制接口卡的器件的外接电路( 如参数的设置、数字电路之间的接 口的电平匹配问题等等) ： 3 ) f p g a 的设计和编程工作( 输入输出信号的设计、控制信号的设计、用 v h d l 语言编程、逻辑仿真等) ； 4 ) 绘制控制接口卡的原理图、p c b 图；制板： 5 ) 电路调试。 1 4 论文内容安排 本论文的安排如下： 第一章：绪论。简要介绍了解析测图仪的发展、应用以及本文的研究背景 和工作。 第二章：解析测图仪介绍。主要介绍了解析测图仪的接口结构。为后续章 节做铺挚。 第三章：p c i 总线技术详细介绍。包括配置空间、总线协议等等，这是如何 用f p g a 方法实现p c i 接口所要掌握重要知识。 第四章：f p g a 技术。详细说明了f p g a 的类型、结构、特点，介绍了多种设 计f p g a 的方法，比较了它们之间的优缺点，并讲述了设计f p g a 所要使用的工 具和语言。 第五章：设计与实现。从概要设计到器件选型，最后到详细设计，结合前 面几章的技术和知识，从编写v h d l 程序、仿真调试到绘制原理图和p c b 图制作 板卡，最终完成了控制接口的研制。 具体的工作安排如下 2 0 0 2 2 3 2 0 0 2 4 6 2 0 0 2 7 1 l 2 0 0 2 1 l 一2 0 0 3 1 2 0 0 3 2 查阅资料 产品框架的确定 具体的方案的确定、实现、修改 完成论文初稿 论文定稿 第二章控制接口的组成和原理 2 1 解析测图仪的组成和原理 解析测图仪( 如图2 一l 所示) 是进行数字测图和图解测图的摄影测量仪器， 主要用于航空和航天摄影测量。仪器由下列部分组成： 1 ) 立体坐标仪和操作控制面板； 2 ) 数控绘图仪： 、 3 ) 微型计算机及其兼容机： 4 ) 电子接口部件： 5 ) 实时循环程序及应用软件包； 6 ) 测图工作站软件包： 7 ) 软件丌发系统。 图2 1 解析测图仪的外观 从摄影测量学角度讲，解析测图仪就是利用电子计算机与立体坐标测量仪 相连接，用严格数学方法解算像点坐标和模型坐标几何关系、模型坐标与地面 坐标以及图面坐标几何关系的摄影测量仪器。其输出结果为数字或图解。从1 9 1 7 年至今，解析测图仪的发展已经历了三个阶段，当前正处于黄金时代，我国从 7 0 年代木丌始进e l 国外的解析测图仪，与此同时国内的有关单位也开始研制这 类设备。某测绘研究所先后研制出了多种型号的a p s 系列解析测图仪，并且将 许多类型的迸e l 模拟测图仪改制成解析测图仪。同其它微型计算机控制、检测 仪器类似，a p s 系列解析测图仪也是通过输入输出接口电路来实现微型计算机对 立体坐标测量仪的控制与检测，其示意图如图2 2 所示。 图2 - - 2a p s p 解析测图仪示意图 2 2 解析测图仪控制接口的原理 以下将重点以a p s p 型解析测图仪为例，说明该系列解析测图仪控制接口 的原理。 i ) 输入输出数据传送方式 对于a p s p 型解析测图仪来讲，一方面要求微型计算机对立体坐标测量仪 进行实时控制，另一方面其输入接口电路输入数据保持时间相对于c p u 的处理 速度要长得多，输出接口电路有相应的缓存器接受输出数据，c p u 不用去查询和 检测外设状态，直接同它们进行数据交换。因此，该仪器采取的数据传输方法 是利用微型计算机系统的定时中断作为中断源，并替换原中断服务程序，然后 通过无条件传送方式实现微型计算机与外部设备的信息交换。 2 ) i o 端口寻址方式 a p s - - p 型解析测图仪采用的是i 0 指令寻址方式来沟通微型计算机主机与 立体坐标测量仪。此外，a p s - - p 型解析测图仪总线接口板中为了减少元件个数 和提高译码效果，采用了新的可编程逻辑器件来形成地址译码器。 2 3 控制接口的组成 解析测图仪的控制接口结构如图2 3 所示，主要包括四个部分：控制板显 示电路( l e d 显示电路) ；计数电路；a d 变换电路；d a 变换电路。 i o 总线 图2 - 3 整体接口结构图 2 3 1 输入接口电路 2 3 1 1 a p s p 型解析测图仪的主要输入部件： 1 ) 操纵杆： 用以代替手轮使相片车架按任意方向快速运动。 2 ) 扫描速度旋钮： 用于控制地面数字模型扫描采样时的测标运动速度。两个速度开关分别 用于设定手轮和脚盘的速度，分l ，2 ，3 三档。 3 ) 左右手轮： 有两个计数器为左右两个手轮转动计数。平面上做x ，y 方向上的运动。 按顺时针方向转动手轮时，测标沿x ，y 方向作正向运动。按逆时针方向转 动手轮时，测标沿x ，y 方向作反向运动。 4 ) 脚盘： 用以使测标在模型空间内作z 方向运动。 2 3 1 2 输入接口电路介绍： a p s p 型解析测图仪的手轮、脚盘和车架坐标运动产生的机械位移量通过 与之相连接的位移传感器转换为电信号，然后经倍频辨向电路送出计数脉冲结 计数器，此时微型计算机便可将各计数器中数据读入到c p u 中。具体实现电路 如下： ( 1 ) 位移传感器 常用的位移传感器有直尺光栅和旋转编码器( r o t a r ye n c o d e r ) ，两者的基 本原理是相同的，由于本论文研制的控制接口中使用的是旋转编码器，以下介 绍旋转编码器输出波形。 、 转动旋转编码器，输出a 和b 两路方波，它们的相位差是9 0 。，转动分为 f 向转动和反向转动a j 下向转动时，计数值在a 、b 两路方波的上升沿和下降沿 分别加l ：反向转动时，计数值在a 、b 两路方波的上升沿和下降沿分别减1 。 其波形如图2 4 所示： a 输出 计数操作 b 输出 图2 4 计数操作时序图 ( 2 ) 倍频电路 圆编码器输出的a 和b 两路方波信号由倍频辨向电路经过判向并四倍频产 生加或减脉冲信号输出。该电路以前采用电阻、电容元件以及t t l 器件实现， 为了避免使用电阻、电容元件，提高倍频辨向效果，a p s p 型解析测图仪中采 用了先进的可编程逻辑器件作为全逻辑倍频辨向电路，使得元器件使用数减到 最少。 ( 3 ) 计数器 a p s p 型解析测图仪中车架坐标需4 组计数器，手轮和脚盘需3 组计数器， 考虑到测量仪主机左右车架x 方向和y 方向最大行程都为2 5 0 肺n ，而a p s - - p 型 解析测图仪的测量分辨率要求为1ur n ，故车架坐标每个方向都选用高中低3 个 计数器芯片共2 4 位来记录当前坐标值，手轮、脚盘对应的每组计数器记录的则 是位移增量，这些值每间隔2 0 m s 被程序读取一次，然后又重新计数，因此每组 选用高低两个计数器芯片共1 6 位便可满足记录需求。所有这些8 位芯片都是用 先进的可编程逻辑器件p a l 写成的可逆计数器，每一个计数器都作为一个i o 端口，经过地址译码选通后，微型计算机c p u 便可读取其中的数据，此时便完 成了a d 模数转换。 此外，为了作业方便，a p s p 型解析测图仪还加装了驱动测标快速运动所 用的操纵杆以及d t m 扫描速度控制电位器。它们送出的模拟信号分别由3 个a d 转换芯片转换成并行数字信号，然后通过i o 端口送入微型计算机。脚踏开关 和作业员控制面板也有相对应的i o 端口，微型计算机c p u 按固定周期不断读 取其丌关状态，由此来确定工作方式。 2 3 2 输出接口电路 微型计算机输出到i o 端口的是并行数字信号，经过d a 数模转换才变换 为模拟信号，然后经功率放大电路驱动伺服电机带动机械部分运动，具体实现 电路如下： 1 ) d a 转换 a p s p 型解析测图仪车架4 个方向选用的是带有两极缓存的l2 位d a 数 模转换芯片，微型计算机通过i o 端口送出4 路并行数字信号，通过该芯片来 完成并行数字信号到模拟信号的变换。d a 数模转换芯片有些输出是电压信号， 有些输出是电流信号，a p s p 型解析测图仪采用输出为电流信号的芯片，故紧跟 其后的运算放大电路首先将电流信号转换为电压信号，然后把该信号变为正负 双极性模拟电压信号，最后送给功率放大电路放大，取得了合适的电机驱动梯 度，驱动车架伺服驱动系统。 2 ) 车架伺服驱动系统 a p s p 型解析测图仪采用半闭环伺服驱动系统控制像片盘和光学滑架的移 动，以直流伺服电机作为驱动系统的执行元件。伺服驱动系统按增量方式进行 工作，微型计算机以相对坐标传送目标位置。伺服系统不断测定当前位置和目 标位置的差值，以形成伺服电机的控制信号来驱动像片盘和光学滑架准确到位。 3 ) 控制显示电路 作业员控制面板上共有1 2 个按键，每个按键都对应一个发光二极管，当按 下某个按键时其相应的发光二极管就会点亮。 西北工业大学硕士论文第二章解析测图仪 2 4 接口的设计思路 根据开发需求说明，所开发的控制接口要求实现的主要功能是实现解析测 图仪中地图的精确定位。本课题要实现在p c i 总线上的控制接口卡，采用了基 于v h d l 语言输入的自顶向下的设计方法。首先，用v h d l 输入方式的f p g a 设计 方法实现p c i 规范的一个子集，保证能够完成基本传输协议，读写时序等；并 在f p g a 中实现计数功能和f p g a 与控制接口卡上的其它元件的数据传输功能： v h d l 程序编制后使用m a x p l u s i i 进行仿真综合。其次，利用元器件设计控制接 口卡的a d 、d a 转换功能以及显示电路；最后，整个板卡的设计工作完成后， 使用p r o t e l 9 9 工具绘制原理图和电路图，制作完成板卡后，进行调试，直至成 功完成整个控制接口板卡的设计。 在后续的章节中，论文将依次讲述所用到的设计方法和实现工具。 第三章p c i 总线技术 3 1p c i 总线和i s a 总线的比较 a p s 系列解析测图仪原来的控制接口卡是基于i s a 总线的，比之p c i 总线存 在速度慢、不支持即插即、兼容性差等缺点，不能适应当前的高档计算机的高 配置要求。本课题是将原来的控制接口卡改制成基于p c i 总线的，用f p g a 技术 实现的控制接口卡。下面将就两类总线进行比较。 随着计算机技术的不断发展，其数据宽度及工作频率也在不断提高，因此 传统的i s a 总线严格地限制了新型芯片水平的发挥和利用，p c i 总线因其众多的 功能、强大的兼容性，在计算机及通信领域得到了广泛应用。 p c i 是近年来在工作站和个人微机中得到广泛使用的一种局部总线规范，也 是一种先进的局部总线规范，相比之下，i s a 总线的性能和特点就相形见绌了。 p c i 总线可提供3 2 位或6 4 位数据宽度。在3 2 位数据宽度下，可提供最大1 3 2 m s 的数据传输率。计算机技术的发展，对高速高性能的板卡的需求将会越来越高， 微机中低性能的i s a 总线必将被淘汰。i s a 总线是比较老的总线结构，属于1 6 位总线，i s a 总线时钟率限制在8 3 3 m h z ，在最好的情况下，一个1 6 位传输占 两个时钟周期，因此最大的数据率只有8 m b s 。另外，i s a 规范中没有说明任 何自动配置的东西，它不要求有任何软件配置寄存器，用户通常必须用d 诤开 关和跳线配置扩展卡，也就是不支持即插即用的功能。 l 总线类型最大速度标准化程度时延成本支持即插即用 i p c t1 3 2 m b s非常高低低是 li s a8 m b s低低低否 表3 一lp e i 总线与i s a 体系结构的比较 目前，随着计算机技术的发展，方面，微机中低性能的i s a 总线标准即 将被淘汰，原有的i s a 板卡将无法在今后新的微机中使用；另一方面，对高速 高性能的板卡的需求将会越来越高。因此，只有符合p c i 标准的板卡，才能适 应未来的需要。 3 2p c i 总线介绍 p c i 总线的英文全称为：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 li n t e r e s t g r o u p ，简称p c i s i g ，即外设部件互连。 p c i 总线支持6 4 位数据传送、多总线主控和线性突发方式( b u r s t ) ，数据传 输率为1 3 2 m b s ，这给其发展提供了有利条件。总的看来，p c i 总线之所以能够 发展的如此迅速，其动力之一是g u i ( g r a p h u s e r i n t e r f a c e ) 的发展。良好的用户 接口界面的实现是以高性能的图形界面操作系统为基础的，而图形界面操作系 统往往需要大容量存储器，因而，刺激了r a m 芯片的生产，进而对总线的性能 提出了更高的要求。i s a 总线的传输率为8 m b s ，e i s a 总线的数据传输率为 3 3 m b s ，都无法满足图形操作系统和高速网络的要求。p c i 总线的传输率为 1 3 2 m b s ，可以满足要求。在本论文中，所要解决的问题之一就是提高解析测图 仪的分辨率，因此，只有改变其控制接口，适应p c i 总线协议，使之达到高传 输率，满足高分辨率。 p c i 作为一种同步的独立于处理器的3 2 位或6 4 位局部总线，最高工作频率 为3 3 m h z ，峰值吞吐率在3 2 位时为1 3 2 m b s ，因而非常适用于网络适配器、硬 盘驱动器、全动念视频卡、图形卡及各类高速外设。图3 一l 为基于p c i 的一个 比较典型的系统框图： 图3 一lp c i 总线的系统结构图 连接到p c i 总线上的设备分为主控设备和目标设备两类。p c i 支持多主控设 备，采用地址和数据复用的总线结构，大大减少了信号数量t 目标设备最少只 需4 7 个信号，主控设备最少只需要4 9 个信号。p c i 是先进的高性能局部总线， 同时支持多组外围设备。p c i 局部总线不受制于处理器，可提高数据吞吐量， 能完全兼容现有的1 s a e i s a m i c r o c h a n n e l 扩充总线。总之。p c 局部总线有如 下特点： ( 1 ) 高性能 目前微机上的p c i 总线为3 2 位，3 3 m h z ，可提供每秒1 3 2 兆字节的突发( b u r s t ) 数据传送率，远超过以往的各种总线。而早在1 9 9 5 年6 月推出的p c i 总线规范 2 1 已定义了6 4 位、6 6 m h z 的p c i 总线标准。因此p c i 总线完全可为未来的计 算机提供更高的数据传送率。 ( 2 ) 采用总线主控和同步操作 p c i 独特的同步操作功能可保证微处理器能够与各种总线主控同时操作，不 必等待后者的完成。另外，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，也提高了数据传送的效率。p c i 总线支持并发工 作，也就是p c i 总线上的外圈设备可与c p u 并发工作。一般设计良好的p c i 控 制器有多级缓存，c p u 要访问p c i 总线上的设备，它可以把一批数据快速写入缓 冲器中，当这批数据还在不断吸入p c i 设备的过程中，c p u 可以去执行其他操作， 这种并发工作提高了整体的性能。 ( 3 ) 线性突发传输 线性突发传输可确保总线不断满载数据，故能更有效地运用总线的带宽去 传送数据，以减少无谓的地址操作。另外p c i 最独特之处是可以支持突发读取 及突发写入，这使使用商性能图形加速器尤为重要。 ( 4 ) 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。在使用i s a 板卡时，有两个问题需要解决：一是在同一台 微机上使用多个不同厂家、不同型号的板卡时，板卡之间可能会有硬件资源上 的冲突：二是板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源( 如声卡、网卡等) 相冲突。而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，决不 会有任何的冲突问题。因此，作为p c i 板卡的设计者，不必去关心微机的哪些 资源是可用的，那些资源是不可用的，也不必去关心板卡之间是否会有冲突。 因此，即使不考虑p c i 总线的高速性，单凭其即插即用性。就比i s a 总线优越 了许多。 ( 5 ) 可靠性 与原先微机常用的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。 ( 6 ) 硬、软件实现的复杂性 p c i 总线功能的强大使得硬、软件实现上的难度增加，硬件上要采用大容量、 高速度的c p l i ) 或f p g a 芯片来实现p c i 总线复杂的功能；软件上则要根据所用 的操作系统，采用软件工具编制相应的支持即插即用功能的设备驱动程序。 ( 7 ) 自动配置 i s a 卡往往需要设置开关和跳线，p c i 规范保证了p c i 可以自动进行配置。 p c i 总线的一个重要特点是存在配置空间，它提供一种配置关联，这种关联适合 于目前或将来的系统配置机制，从而实现参数自动配置，使所有与p c i 兼容的 设备实现真正的插入即用( p l u g a n d p l a y ) 。在每个p c i 设备中都有2 5 6 字节的 配置空削用来存放自动配置信息，一旦p c i 卡插入系统，系统b i o s 将能根据读 到的有关该卡的信息，结合系统的实际情况为卡分配地址、端口地址、中断和 某些定时信息，从根本上免除了人工操作。 ( 8 ) 共享中断 p c i 总线采用电平有效方式，多个中断可以共享一条中断线，而i s a 总线是 边沿触发方式不能共享中断。 ( 9 ) 可扩展性 如果需要把许多设备接到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。这些总线都可以并发工作，每个总线上均可接挂若干设备，以 此，p c i 总线结构的扩展性是非常好的。 ( t o ) 预留了发展空间 p c i 总线在开发时预留了充足的发展空间，支持6 4 位地址数据多路复用， 可将系统的数据传输速率提高到5 2 8 m b it s 。 ( t1 )极小的存取延迟 支持p c i 的设备，存取延迟很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制 权所需的时间。 3 3p c i 总线信号及传输规范 3 3 1p c i 总线信号 p c i 总线信号可划分为l o 大类型，如图3 2 所示。其中6 4 位总线扩展信 号、资源锁存信号、c a c h e 支持信号和边界扫描信号是可选的。 , a d d r e s s ! 设计的建立 首先在文件编辑器下输入v h d l 的源代码，v h d l 源代码可以是行为级的、r t l 级的或者它们的混合形式。设计捕获以后，就可以对源代码进行行为级的仿真。 行为级仿真验证v h d l 代码的功能，检查代码是否正确等，根据所提示的错误信 息可以对相应的源码进行修改。设计者还可以使用单位延时和标准的v h d l 测试 矢量来驱动行为级仿真。在建立了行为级的v h d l 源文件后，就可以对它进行综 合，综合的过程把行为级的v h d l 文件转化为门级网表并对它进行指定工艺的优 化。有些f p g a 开发软件还可以从门级网表生成用于结构仿真的结构网表，结构 仿真验证综合后的v h d l 网表的功能。具体步骤如下： 1 ) 设计要求的定义 无论是系统设计还是模块设计，都必须先对设计目的和要求有明确的认 识，例如设计功能是什么；对所需的信号建立时间、时钟一输出时间、最大 系统工作频率、关键路径等要有明确的定义。然后再选择适当的设计方式和 相应的器件结构。 、 2 ) 用v h d l 进行设计描述 对大型设计，可将设计分为几个功能模块，既可自顶向下，也可自底向 上地分层设计，也可以是平坦式设计。确定了设计方式后。就可根据v h d l 的具体语法和语义结构，参照已设定的功能块、数据流状态图等，进行设计 代码的编写。对c p l d 和f p g a 的设计代码编写不能使用不可综合的行为描述 语句。 3 ) 原代码模拟( 即原理仿真) 大型设计的综合、优化和布局布线需花费较长的时间，原代码模拟就很 有必要，可及时发现设计错误。进行修改，以节约时间。对小型设计，则不 必进行这一步。进行原代码模拟可使用v h d l 编写模拟输入文件，也可直观 地进行波形输入。 2 设计的实现 在综合和结构仿真完成后，下一步工作就是进行布局和布线。布局布线后 的时延信息可以反标到同一仿真器作后仿真验证，检查设计是否满足时延约束。 如仿真结果有问题，可进行静态时延分析，找出问题之所在。重新修改综合的 约束条件或者重新修改设计，以获得满意的设计结果。具体步骤如下： 4 ) 综合、优化和布局布线 综合、优化和布局布线由软件自动实现。对有特殊要求的设计，也可人 工指引。对修改后的设计文件，在进行重新布局布线时，如果不希望改变器 件管脚分配，则要注意保存管脚定义。 5 ) 布局布线后的模拟 布局布线后的模拟可以直接调用原代码模拟的模拟输入文件。但在布局 布线后，信号加上了惯性延时和传导延时对某些复杂的设计文件，可能需 要对模拟输入文件做适当的修改。而此时的模拟结果。才能够真正评估你的 设计性能。如果模拟结果不能满足要求。则需修改设计代码，重复上述过程， 直到满足设计要求为止。 3 编程和系统验证 器件编程在成功地完成了设计描述、仿真、综合、优化、布局布线和模拟 之后，就可生成器件编程所需的数据文件，对器件进行编程和进行系统验证工 作。 第五章设计与实现 5 1 接口卡的整体设计 在了解了a p s p 型解析测图仪的整体接口结构( 图2 5 ) 后，并且在该研究 所进行了用户需求分析，我们知道了这种a p s p 型解析测图仪的控制接口主要 的功能如下。 1 ) 计数左右两个手轮转动的位移量，并将计数值送到微机。两个手轮与两个旋 转编码器相连，当转动这两个手轮时，带动两个旋转编码器转动，产生两路 脉冲，分别进行计数：按顺时针方向转动手轮时，计数值递增：按逆时针方 向转动手轮时，计数值递减。 2 ) 计数脚盘转动的位移量，并将计数值送到微机。脚盘与一个旋转编码器相连， 和手轮原理相同，转动这个脚盘带动旋转编码器转动，产生一路脉冲进行计 数。 3 ) 计数左右两个车架位移量，并将计数值送到微机。两个车架与四个旋转编码 器相连，当两个车架前后左右移动时，带动这四个旋转编码器转动，产生四 路脉冲，分别进行计数。 这共计是7 个计数器，这些计数器是利用编制v h d l 程序实现的。旋转编码 器转动一圈所产生的脉冲数目是确定的，这样在不断转动下就形成了一列脉冲。 通过多个计数器计算各个转轮转动所产生的脉冲数目，就可以确定控制平台所 要移动的距离了。 4 ) 把操纵杆运动产生的模拟量转换成数字量，并送到微机。运动操纵杆会产生 两个输出，分别是x 和y 的坐标。 5 ) 把扫描速度旋钮转动产生的模拟量转换成数字量，并送到微机。 操纵杆和扫描速度旋钮共同控制地图的定位，其中操纵杆进行地图显示平 面二维的控制，扫描速度旋钮控制地图移动速度的快慢。要实现此功能，必须 通过控制接口中的线路将操纵杆和扫描速度旋钮产生的模拟信号量变换成数字 信号量，即：需要有三路a d 模块，分别把操纵杆产生的两路输入和扫描速度旋 钮产生的一路输入转换成三路数字量的输出。 6 ) 实现按下控制面板的1 2 个按键中的某个后其相应的l e d 灯就会点亮，并且 产生五位的二进制数字输出。这是一个l e d 显示部件。需求说明中要求要 实现一些参数的输出显示。 7 ) 除了上述这五个部分之外，解析测图仪控制接口还要有四路d a 转换，用以 将从微机系统输入到解析测图仪的四路数字量，转换成电压模拟量，控制 电机驱动两个放置照片的平台前后左右运动。只有当转化成模拟量，才能 驱动控制系统中地图显示部分移动的电机，实现地图的定位。 所要研制的控制接口就是要实现上述的这些功能。为了加速移动图像，提 高手动装置的速率，应设置一个倍频的信号输入，如果有输入就该是原有速率 的4 倍，如果无输入就保持原有速率。综合起来就是五个模块：p c i 总线接口； 七个计数器：a d 转换；d a 转换；控制板的显示。在实现p c i 接口的设计上， 我们采用的是用v h d l 输入、c p l d 实现的设计方法，控制接口卡的总体框架图如 图5 2 所示： 模 块 1 。七个计数器的输入信号1 天”i p c i 插槽是标准的器件，各个厂商都生产同样的型号，因此任选种厂家的 产品即可。 a d 转换器用于实现将解析测图仪的操纵杆和扫描速度旋钮的模拟输入转 换成数字量的输出。我们采用了a d c 0 8 0 4 器件，a d c 0 8 0 4 是c m o s 型的八位 连续a d 转换器，这种a d 转换器就像微处理器中的内存单元和i o 端口， 无需接口逻辑电路。 a d c 0 8 0 4 主要特性： 兼容8 0 8 0 系列。无需接口逻辑电路，访阅时间是1 3 5 n s ： 对所有微处理器提供简单的接口，或者“独立操作”； 差分模拟电压输入： 同时满足m o s 年d t t l 电压规范的逻辑输入输出： 参考电压2 5 伏； 带有时钟发生器： 0 v 一5 v 模拟输入电压； 无需调零； 2 0 个管脚： 分辨率：八位： 错误总数：1 4l s b ，1 2l s ba n d 1 l s b ： a d 转换时间：l o o n s 。 d a 转换器用于实现将四个数字量输入转换成电压模拟量输出，控制解析测 图仪电机驱动两个放置照片的平台前后左右运动。我们采用了a d 7 6 7 器件， a d 7 6 7 是1 2 位的数模转换器，可锁存输出的数字量。 a d 7 6 7 主要特性： 输出1 2 位的数字量： 芯片上带有输出放大器； 高可靠性； 快速写脉冲一4 0 n s ； 单芯片结构； 同时满足m o s 和t t l 电压规范的逻辑输入输出。 f p g a 用于实现v h d l 输入的f p g a 设计p c i 接口：对解析测图仪的两个手轮 和一个脚盘带动的7 个圆编码器进行计数并把数据输入计算机；实现p c i 总线和控制接口卡上的其它的数字电路( a d 转换器、d a 转换器) 接口通路， 如把a d 转换出的数字量传给计算机以及把d a 转换出的模拟量传给解析 测图仪等等。 在选择f p g a 芯片时，应该尽可能选用速度等级最低的、电压比较低( 性价 比较好) 的芯片。如果设计中不需要使用容量较大的内嵌存储器，尽量选用 f l e x 6 0 0 0 系列的芯片，否则要用f l e x l o k 系列的芯片。 本论文中f p g a 芯片要实现p c i 接口等功能，需要的容量比较大，综合考虑 之后，选用了a l t e r a 公司的f l e x l o k 芯片。该芯片可内含1 0 万门，与其它公 司的f p g a 相比，密度大，开发快，仿真准确，是当前p l d 中容量最大的器件系 列之，其内部有嵌入式阵列块( e a b e m b e d d e da r r a yb l o c k ) ，可实现系统 缴集成。e a b 是具有输入和输出寄存器的、灵活的r a m 。e a b 实现同步r a m ，它 与器件内的全局时钟是自定时的，便于同器件内其它电路在时间上相互配合。 每个e a 8 可配置成2 5 6 8 、5 1 2 4 、1 0 2 4 x 2 或2 0 4 8 x1 等容量的r a m 。大的 r a m 可由多个e a b 构成，最大可构成2 4 5 7 6 位( b i t ) 的r a m 。 可编程的e a b 用建立查找表( l u t ；l o o k - u pt a b l e ) 的只读方式配置后， 可实现各种复杂的逻辑函数。这种实现组合逻辑函数的方法能比普通逻辑用算 法实现的方法更快地得到结果，并被e a b 的快速读出时间进一步提高工作速 度。使用e a b 实现复杂逻辑函数的另一好处是可以节省芯片面积，因而用e a b 可实现象算术逻辑单元、乘法器等复杂逻辑，它们可组合在数字滤波器、数字 信号处理器、微控制器或徼处理器中，在一个p l d 上实现系统集成。 f l e x i o n 芯片主要特性是： 高速度； 在线配置功能； 连续式布线结构； 使用嵌入阵列； 高密度；具有1 0 ，0 0 0 门到2 5 0 ，0 0 0 门：有多达4 0 ，9 6 0 个r a m 位； 每个嵌入式阵列块有2 ，0 4 8 位，可以占用这些位而不会减少芯片的逻 辑容量。 可重复编程。数据是存储在芯片外部的e p r o m 中，如果需要修改设计， 只要重新改写e p r o m 即可，因而特别适用于新产品的研制与开发。 控制面板的显示：按下控制面板的l 2 个按键中的一个产生五位的二进制 数字输出，选用一片7 4 l s 2 4 5 和一片7 4 h c 5 7 4 就可以了。 a ) 7 4 h c 5 7 4 是八位的d 型触发器，利用c m o s 技术制成。带三态的输出。这 种d 型触发器是由时钟输入信号( c k ) 输出使能信号( o e ) 控制的。 7 4 h c 5 7 4 的主要特性是： 高速度f m a x = 6 2m h z ( t y p ) a tv c c = 5 v ； 低功耗i c c = 4 a ( 凇x ) 矗tt a = 2 5 ： 抗干扰v n i h = v n i l = 2 8 v c c ( m i n ) ： 输出驱动1 5l s t t ll o a d s ； 阻抗均衡i o l = i o h = 6m a ( m i n ) ； 延迟均衡t p l h = t p h l ： 工作电压宽泛v c c ( o p r ) = 2 vt o6 v ； 管脚功能可兼容。 b ) 7 4 l s 2 4 5 是八位的总线接收器。在数据总线之间进行8 位异步双向通信， 方向输入信号( d r ) 控制数据传输方向，输入使能信号( e ) 隔离总线。 7 4 l s 2 4 5 的主要特性是： 滞后输入一可提高抗干扰性能： 双向异步数据总线通信； 输入二极管限制快速中止； e s d 3 5 0 0 v 。 其真值表为： 堕韭王些叁：塑主笙：!