（机械电子工程专业论文）基于pci总线技术的数据采集系统的研究与实现.pdf

中文摘要 本论文主要研究利用p c i 总线技术在数据采集领域的实现与应用的问 题。 随着信息技术( i t ) 特别是计算机技术的迅猛发展，工农业生产、医疗和 科研等领域对数据收集与处理提出了更高的要求，我国利用高速的p c i 总线 技术在这一领域的应用却相对落后，本课题就是出于这一目的而提出来的。 本课题包括硬件电路、印刷电路板( p c b ) 、驱动程序和应用软件的设计，涉及 a d 板和d a 板两大块部分，具体的功能模块包括多路信号选择模块、模数 转换模块、数模转换模块、p c i 协议转换模块、驱动放大模块、控制逻辑、 时钟电路和配置电路，其中重点是a d 板部分。课题着重点是最新的p c i 总 线规范2 2 在数据采集系统领域的应用和驱动程序的开发，利用p l x 公司 2 0 0 0 年才刚刚研发并生产的p c i 协议芯片p c i 9 0 3 0 。硬件电路的绘制采用 p r o t e l9 9 电路软件，而驱动程序则采用w i n d r i v e r 5 3 开发工具，应用软件 则利用v i s u a lc + + 6 0 高级编程软件。本课题已基本完成硬件电路调试、驱 动程序开发与安装等工作，获得用户好评。0 | 本论文主要阐述了数据采集的意义和任务、当今利用p c i 总线技术运用 于数据采集系统的最新动态、数据采集的基本理论、p c i 规范的重要内容、 p c i 数据采集系统的硬件电路设计、驱动程序的设计、应用软件的开发和整 个系统的应用等方面的内容。 关键字：p c i 总线f 局部总线，、p c i 9 0 3 0 ，、数据采集，a d vd a v a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mu s i n g t h ep c ib u s w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) e s p e c i a l c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n d u s t r y a n d a g r i c u l t u r e m a n u f a c t u r e ，m e d i c a l a n d s c i e n t i f i cr e s e a r c hb r i n gf o r w a r dh i g h e r x e q u e s t f o rd a t ag a t h e r i n ga n d p r o c e s s i n g c h i n ar e l a t i v e l yd r o p sb e h i n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e si nm a k i n gu s eo fh i g h s p e e dp c ib u st e c h n o l o g y t h e t h e s i si s p u tf o r w a r di n o r d e rt os e t t l et h e q u e s t i o n t h et h e s i si n c l u d e st h ed e s i g no fh a r dc i r c u i t ，p c b ( p t i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ， d r i v e ra n da p p l i c a t i o ns o f ti n v o l v i n ga db o a r da n dd ab o a r d t h ed e t a i l e d f u n c t i o n a lm o d u l e sc o n s i s to fm u l t i p l e xs i g n a l ss e l e c tm o d u l e 、a n a l o gd i g i t a l c o n v e r s i o nm o d u l e 、d i g i t a la n a l o gc o n v e r s i o nm o d u l e 、p c ip r o t o c o lc o n v e r s i o n m o d u l e 、d r i v e ra n dm a g n i f y i n gm o d u l e 、c o n t r o ll o g i c 、c l o c kc i r c u i ta n d c o n f i g u r a t i o nc i r c u i t t h ei m p o r t a n c eo ft h et h e s i s i sa db o a r d t h et h e s i s e m p h a s i z e st h ea p p l i c a t i o no fn e w l y p c i b u s s p e c i f i c a t i o n2 2i nd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fd r i v e ru s i n gt h ep c i 9 0 3 0c h i pw h i c hi sj u s t s t u d i e da n dp r o d u c e di np l xc o m p a n yi n2 0 0 0 t h eh a r dc i r c u i ti sd r a w n e m p l o y i n gc i r c u i ts o f tp r o t e l 9 9 t h ed r i v e ri sd e v e l o p e du s i n gd e v e l o p i n gt o o l w i n d r i v e r 5 3a n dt h ea p p l i c a t i o ns o f ti sp r o g r a m m e dm a k i n gu s eo fa d v a n c e d p r o g r a m m i n gs o f tv i s u a lc + + 6 0 t h i st h e s i sb a s i c a l l yh a sb e e nc o m p l e t e dh a r d c i r c u i td e b u g 、d r i v e r d e v e l o p a n di n s t a l l a t i o n ，h a sb e e nr e c e i v e dg o o dc u s t o m e r s c o m m e n t s t h i sp a p e rm a i n l ys t a t e st h em e a n i n ga n dt a s ko fd a t aa c q u i s i t i o n 、n e w l y t r e n d so fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s i n gt o d a yp c ib u s t e c h n o l o g y 、f o u n d a t i o n t h e o r yo f d a t aa c q u i s i t i o n 、m o s tc o n t e n t so fp c i2 2s p e c i f i c a t i o n 、h a r dc i r c u i t d e s i g n o fp c id a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 、d e s i g no fd r i v e r 、d e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o ns o f ta n da p p l i c a t i o no f t h ew h o l es y s t e m k e y w o r d s ：p c ib u s ，l o c a lb u s ，p c i 9 0 3 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a d ，d a i i 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：j 斗k 鸪r 一日期j 2 0 0 3 年月j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：畸玉l 立出一导师签名： 塑型 吐 日期：2 0 0 3 年；月1 日 电子科技大学硕士研究生学位论文 第一章引言 数据采集技术作为微型计算机应用技术的一个重要分支，它集传感器、 信号采集与转换、计算机等技术于一体，是获取信息的重要手段和工具。本 文就是运用当今最新的高速p c i 总线技术于数据采集领域的一个具体实例。 1 1 数据采集的意义和任务 “数据采集”是指将温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模 拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或者打印的 过程，相应的系统称为数据采集系统。 在生产过程中，运用数据采集技术可对生产现场的工艺参数进行采集、 监视和记录，为提高产品的质量、降低成本提供信息和手段，从而实现对生 产过程的实时控制。在科学研究中，应用数据采集技术，将提高人们对各种 瞬态现象进行研究的能力，是探索科学奥秘的重要手段之一。数据采集系统 的任务，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 需要的数据。而且计算得到的数据可以进行显示和打印，以便实现对某些物 理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制 某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保 证精度的前提下，应该尽可能的提高采样速度，以满足实时处理和实时控制 对速度的要求，本文主要是利用计算机p c i 总线技术来达到工业控制在数据 采集技术对速度方面的要求。 1 2 计算机总线技术运用在数据采集领域的前沿动态 随着计算机芯片的不断升级，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 总线的1 3 2 m b s ，甚至更高。p c i 总线的英文名称为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 t 即外设部件互连或者周 边器件互连。现在国内工业生产当中，数据采集技术使用的计算机总线很多 电子科技大学硕士研究生学位论文 是i s a 总线( i s a 总线的英文名称为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 ，即工业 标准结构) 。但是i s a 总线是低端总线，其1 6 位的总线宽度和1 6 m b s 的最 大传输率显然很难满足工业生产的需要，而且p e n t i u m n 高速c p u 的出现， 无论在容量上还是在图象处理等应用上，均要求有极高的数据通量予以支持。 然而，像i s a 、e i s a 这些标准总线已经无能为力了，在解决这些问题方面， p c i 总线是当前最好的总线。 p c i 总线有独特的优点： ( 1 ) 高性能 p c i 是一套整体的系统解决方案，较其它只为加速图象或者视频操作的 局部总线优越。p c i 总线能提高网络设配卡、硬盘的性能；可以出色的配合 全活动影像、图象及各种高速外围设备的要求。p c i 局部总线以3 3 m h z 的时 钟频率操作，采用3 2 位的数据线和地址线复用结构，可支持多组外围部件及 附加卡。数据的最大传输率可达1 3 2 m b s ，远远超过标准的i s a 总线的速率。 即使在3 2 位的情况下，p c i 总线也能支持奔腾( p e m i u m ) 及计算机的图形 数据传送速率。 ( 2 ) 突发性传输 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。外围设备可以从内存的某个地址顺序的接收数据，可以减少无谓的地址 操作，这样能够更有效地利用总线的带宽去传输数据。也就是说外围设备可 以由某个地址起读写大量的数据，然后每次只需将地址自动加1 ，便可以接 收数据流内的下一个字节的数据。另外，p c i 总线可以支持突发读取和突发 写入，这对使用高性能图形加速器尤为重要。 ( 3 ) 极小的存取延误 支持p c i 的设备，存取延误很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控 制权所需要的时间。例如，支持p c i 的以太网卡可以及时将数据传至中央处 理器，减少所需要的额外内存，从而减少附加卡的成本。 ( 4 ) 采用总线控制和同步操作 p c i 的总线控制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 电子科技大学硕士研究生学位论文 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。 ( 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，将中 央处理器予系统与外围设备分开。因此用户可以随意增添外围设备，以扩展 电脑系统而不会因为在不同的时钟频率下导致c p u 性能的下降。而且，p c i 总线独毒于微处理器结构还可以保证不会因为处理器更新抉代过快而使外围 设备过时，从而保护了消费者的利益。 ( 6 ) 适合于各种机型 p c i 总线定义了两种信号环境：5 v 和3 3 v 。他们之间可以很容易地进行 转换，而且3 3 v 信号环境地定义为p c i 总线用于笔记本电脑开阔带来了方 便。在服务器环境下，p c i 支持分级式外围设备的特性，可使一个p c i 界面 支持一组级联的p c i 局部总线；也可以使拥有多组p c i 总线的服务器增添额 外的扩展插槽。 ( 7 ) 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i s a 、e i s a 及 m c a 总线完全兼容。p c i 局部总线可提供“共用插槽“，以便插p c i 、i s a 及m c a 插头。 ( 8 ) 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，例如，p c i 总线支持6 4 位地 址、数据多路复用，p c i 插槽能同时接插3 2 位和6 4 位插卡。允许p c i 局部 总线扩展卡和元件自动配置。在p c i 器件上包含有寄存器，上面有配置所需 要的器件信息。 此外，p c i 总线还具有协议芯片成本低、高效益等优点，而且p c i 规范 也在不断完善。 1 9 9 1 年，i n t e l 公司首先提出p c i 总线的概念，并联合i b m 、c o m p a q 、 h p 、d e c 等多家公司成立了p c is i g 协会，即p c i s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，致 力于促进p c i 局部总线工业标准的建立和完善。1 9 9 2 年，p c is i g 发布了p c i 局部总线规范1 0 版，1 9 9 3 年发布了p c i 局部总线2 0 版，1 9 9 5 年，p c is i g 电子科技大学硕士研究生学位论文 又发布了修订版p c i 局部总线2 1 版，1 9 9 9 年推出的版本是2 2 版。最近p c i s i g 又推出了2 - 3 版本。 p c i 规范1 2 版只提供了部件级的内联机制，已为2 0 版替代。p c i 规范 2 0 版包括p c i 局部总线部件和扩展板的协议、电气、机械和配置规范。其 中电气规范适用与5 0 v 和3 3 v 信号环境。p c i 规范2 3 版基本与2 2 版兼容， 但是其电气规范适用于3 3 v 的信号环境。 随着p c ! 规范的不断完善，p c i 规范的芯片也在更新换代! 开发p c i 总 线协议芯片的公司主要有a m c c 、p l x 、i n t e l 公司。a m c c 公司先后研发并 生产了a m c c 5 9 2 0 ，a m c c 5 9 3 3 ，最近推出了a m c c 5 9 3 5 芯片。p l x 公司 先后推出了p c i 9 0 8 0 、p c i 9 0 6 0 、p c i 9 0 5 6 、p c i 9 2 5 4 、p c i 9 0 5 2 、p c i 9 0 5 0 ， 最近在2 0 0 0 年又推出了p c i 9 0 孤i n t e l 公司的代表产品是i 9 6 0 r p ，它集成了 p r i m a r yp c ii n t e r f a c e 、s e c o n d a r yp c i b u sc o n t r o l l e r ( 至少4 个p c i 设备) 、i 9 6 0 处理器核、d r a m 控制器、l o c a lb u s ( 3 2b i t s ) 和其他外围。a m c c 5 9 3 3 和i 9 6 0 r p 在p c i 总线上既可以作为主设备，也可以作为从设备，而p c i 9 0 3 0 在p c i 总线上只能作为从设备。本文使用的p c i 规范协议芯片是p l x 公司的 p c i 9 0 3 0 。 4 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 1 数据采集基本理论 第二章基本理论 计算机内部能识别的是二进制的数字信号，因此输入计算机的信号必须 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。模拟 的非电量( 电流、电压) 必须先通过传感器，把非电量的模拟信号，如湿度、 温度、压力、流量等模拟量转换为电信号。本文讨论的模拟信号都是已经转 换为电信号后的模拟信号。连续的模拟信号转换为离散的数字信号必须经历 以下过程： ( 1 ) 采样过程 采样就是周期性地读出或者测量一种连续信号。测量的周期称为采样周 期t s ，采样周期的倒数称为采样频率f s = l t s ，t s 称为采样时间。模拟信号 通过采样开关，对连续信号进行采样，即只在采样时间间隔t 内对输入的模 拟信号进行测量。采样开关输入的是连续的模拟信号，而输出的是离散的模 拟量一一在采样间隔f 内信号是连续的，也就是说采样所得的离散信号是输 入的连续信号的一部分，是一种脉冲调制信号，它与作为数字量的离散信号 是完全不同的。输出的离散信号又称为采样信号。 在实际系统中，f t s ，也就是说，在一个采样周期内，只有很短的一段 时间采样开关是闭合的。 信号采样过程如图2 1 2 3 所示： fl 卜 l t 模拟信号 图2 1 图2 2 电子科技大学硕士研究生学位论文 f s 采样输出信号 图2 3 从图2 1 2 3 中可以看出，采样波形即采样开关本身的控制信号，是具 有一定幅度的等幅脉冲，而采样输出信号是被输入的连续模拟信号所调制的 脉冲信号，即采样输出信号工( r ) 可以看成是连续信号厂( f ) 与脉冲序列p ( t ) 的 乘积： 厂。( f ) = f ( t ) p ( t ) ( 2 ) 保持过程 由图2 3 可以看出，采样输出的信号在采样时间t 内是连续的模拟量，其 幅度值为连续的，为使采样过后的信号的幅度变为有限值，同时采样到某一 时刻的信号值，因此引入保持过程，即在保持状态下电路的输出保持着前一 次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。采样 保持结果如图2 4 所示。 f s( n t s y 冬， 一 t s2 t s 3 t s t 图2 4 6 电子科技大学硕士研究生学位论文 采样周期t s 决定了采样信号的质量和数量：t s 太小，会使y , ( n r s ) 数 量剧增，占用大量的内存单元：t s 太大，会使模拟信号的某些信息被丢失， 这样将采样后的信号恢复成原来的信号，就会出项失真现象，影响数据处理 的精度。这个采样的依据就是奈奎斯特采样定理。 采样定理： 为使采样输出信号工( f ) 能完全恢复连续信号，( r ) ，包含任何干扰在内的 信号，( f ) 的最高有效频率一一奈奎斯特频率厶必须小于采样频率矗的一 半；或者说采样频率以至少是信号频率厶的两倍。用公式表示如下： + 。s i n 争( 卜n t 。) 八。2 至。刖呱焉q 。1 ( 3 ) 量化过程 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，必须对采样信号进行量化，即把采样信号的 幅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”。最小数量单位称为 量化单位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： 口= 一f s r 1 2 ” ( 2 2 ) 其中n 为量化器的位数。 量化方法两种：其一是“只舍不入”的量化方法，即将信号幅度值轴分 成若干层，各层之间相等，且量化单位为q ，在信号幅值相邻两个最小整数 倍量化单位之间的部分舍去；其二是“有舍有入”的量化方法，即信号赋值 在相邻两个最小整数倍量化单位之间的部分，看其是大于q 2 ，还是小于q 2 ， 若大于则计入，小于则舍去。量化过程如图2 5 所示。 电子科技大学硕士研究生学位论文 l n t s j 9 q 三三莽；薹毛； ，q 3 q 盎三 q 一 。 t s2 t s3 t s t 一 i h 图2 5 ( 4 ) 编码过程 模，数转化的最后阶段是编码，就是把量化信号的电平用数字代码来表示， 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 t s 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。 编码因为实际问题的模拟电平极性不同有两种方式，即单极性编码和双 极性编码。 二进制分数码是一种单极性编码，这种编码的原理如下： 一个十进制数d 的量化电平可以表示为 。2 喜q 2 2 拿+ 三a 丁2 + + ； 。2 ， l - l ，一、 q 或为0 ，或为1 ，所以d 的值就是所有非0 位的值与它的权值积的累加 和，因此d 的值是一个小数。一个模拟信号采样转换的结果可以表示为： u o = f s r 窆罢= 艘噜+ 歹a 2 l = l争) 山 二 ( 2 4 ) 式中，是a d 转换器模拟输出e g f , ，f s r 是满量程，r l 为量化器的位 数。编码结果如图2 6 所示 8 电子科技大学硕士研究生学位论文 f ( n ) j i 1 i ) 0 1 1 。9 q 一l 。3 0 1 0 l j l 0 。 一 7 q 一 一 5 q 一 一 0 0 1 1 3 q 一 。o o t i 一 q 一 n 图2 6 单极性编码除了二进制外还有b c d 编码，例如8 4 2 1 b c d 码，4 2 4 1 b c d 码，2 4 2 1 b c d 码等。 双极性编码有符号一数值码、偏移二进制码和2 的补码的等编码方式。 符号一数值编码中，最高位为符号为( “0 ”表示正数。“l ”表示负数) ，其它 各位是数值。 2 2 a d 转换器的基本原理 a d 转换器是将模拟电压或者电流转换成数字量的器件或设备，它是模 拟系统与数字系统或者计算机系统之间的接口。a d 转换的实现方法有多种， 常用的有：积分式、逐次逼近式、并行比较式、二进制斜波式和量化反馈式。 这里主要介绍一下逐次逼近式a d 转换器的基本原理。逐次逼近式a d 转换器是一种转换速度较快，转换精度较高的转换器，广泛应用于中高速数 据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。 逐次逼近式a i d 转换器的原理类似于一架电子自动天平，它是用一系列 的基准电压( 如同天平所用的砝码) 同要转换的电压( 熏物) 进行比较，逐位确定 转换成的各位数是l 还是0 ，确定次序是从高位到低位进行。 9 电子科技大学硕士研究生学位论文 图2 7 逐次逼近式a d 转换器结构图 逐次逼近式a j d 转换器的结构如图2 7 所示，一般由电压比较器、d a 转换器、控制逻辑、移位寄存器和锁存器等组成。它的工作过程是这样的： 当出现启动脉冲时，移位寄存器和锁存器全清零，故d a 输出也为零。当第 一个时钟脉冲到达时，移位寄存器最高位被置成1 ，这时d a 转换器输入为 1 0 0 0 0 0 0 0 ( 假设d a 转换器为8 位的) ，转换输出的压e o 再与输入电压e i 进行比较，若e o e i ，则锁存器将该位1 锁存( 否则不锁存，即为0 ) ，这时 移位寄存器右移l 位。上述过程重复进行，直至移位寄存器右移溢出为止， 这时右移时钟就作为a d 转换结束信号e o c ( e n do fc o n v e r s i o n ) ，锁存器 锁存的结果就是a d 转换的结果。 2 3 d a 转换器的基本原理 d a 转换器就是将数字信号转换为模拟信号的仪器或者设备。数模转换 的实质就是将每一位代码按其“权”的数值变换成相应的模拟量，即每一位 的代码值与其权值的积，然后将代表各位的模拟量相加，从而获得与数字量 成正比的模拟量，这样就完成了数字量一模拟量的转换。 d a 转换的基本原理涉及到代数基本定律，即任意一个非负整数y ，总 可以用一个x 进制数表示： 电子科技大学硕士研究生学位论文 】，= q l p + q 卜l x , , - i + + q 驴+ 岛爿巾( 2 - 5 ) 式中，x 表示进制数；n 表示位数：a i 表示x 进制代码( i = 0 ，l ，2 ， n ) ；0 s a i x - i 。在上式中，y 看作是要转换的模拟量，等号右边的数字量 上的代码a j ，按加权成为一个以某一量纲作参考的电压或电流。对于上式多 项式可以用线性元件组成的网络来实现解码，图2 8 是利用1 1 个电阻组成的 电阻解码网络。 假如在第i 位加上参考电压v r ，由 电路分压理论可知经第i 位分压后的电 压v o 为： = 焘协s ， 式中r p 为除第i 位电阻外的所有电 阻的并联值，即 r x r 工。1 r 图2 8 x 进制加权电阻网络 砖= 击+ 击六+ 杰剖1 _ l ( 2 - 7 ， 假设所有电阻均接地，那么n 个电阻的并联值为； 1l1 石2 石+ 而 耳= 击+ 击+ ”+ 击】_ l ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 式中r p 为所有电阻的并联等效电阻值，称为x 进制加权网络的特征电阻。 当 一o o 时，由等比公式可得： v1 廓z ：2 r( 2 - 1 0 ) 对于二进制而言，x = 2 ，那么r e = r 2 ，当第i 位电阻接参考电压v r 时， 经其分压后的电压为： 正搬rl 。且 一 1 i u l 上 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 南= 击( 2 1 1 ) 同理可得，在i ，j ，m 位的电阻均接参考电压v r 后，通过电路叠加 原理，可得v o 的值为 = ( 击+ 击+ + 尹1 ，v 。, 如果用q ( f - o ，1 2 ，玎一1 ) 为0 表示第i 位电阻接地， 接参考电压v r ，那么v o 表示为： v o ：芝熹 i * 0 二 ( 2 - 1 2 ) 为1 表示第i 位电阻 d a 转换器的基本构成就是利用上述的加权网络原理来构造的 的结构框图如图2 9 所示。 r f 图2 9d a 转换器基本结构框图 f 2 - 1 3 ) 其基本 基本的d a 转换器的结构功能模块由参考电源、权位开关、电阻加权网 络和运算放大器四部分组成。由于运算放大器的负端是虚地，所以从加权网 络流出的电流全部从放大器的反馈电阻彤流过从k 输出。由电路的基本理论 可得： ，y ：争，：争盟 7 = i = l 5 蕃鬻，；l 厶 l 1 2 ( 2 - 1 4 ) 电子科技大学硕士研究生学位论文 因此运算放大器的输出电压，也就是d a 转换后的电压为 忙杰i = 1 等 一2 v r p r f 一, 争a _ ，_ z ， 一r 百2 ， ；一华( 2 _ 1 ”2 4 ”+ 2 - n a n ) p 、 ( 2 1 6 ) 令q = 一。，因此q = ，= 岛，上述表达是可以表达为： 忙喜等 ：一孚( 2 _ ， 仃w ( 2 - 1 7 ) 在权电阻单刀双掷开关中，为“0 ”表示接地，为“1 ”表示开关接参考 电压， 即高电平。当q = l ，吒= 口，= = = 0 时，也就是b n = 1 ， b - i = b 。2 = = b l = o ，即编码为1 0 0 0 ，只有第一号开关接参考电平，因此其 它开关均接地，也就是没有分压，因此v o = 一研r ，在实际工作中r f 常 r 2 ，因此，当编码为1 0 0 0 0 时，d a 转换的结果为v r 2 ，即满量程的一 半，跟实际的编码要求相符合。 还有一种是利用t 型i 卜_ 2 r 电阻网络原理，输入数字信号还是用来控制 开关，参考电压是逐级分压后才接到下一级网络电阻上的，如图2 1 0 所示。 q啦吼 图2 1 0r _ 一2 r 电阻网络d a 原理 电子科技大学硕士研究生学位论文 图2 1 0 中n 、m 、b 、a 各点向右看对地的电阻值为r ，因此从参考电 压v r 流出的电流i r = v r r ，从图2 。1 0 可以看出，各支路电路分配规律从左 右是i r 2 、i r 4 、i r 8 、i r n ，因此，电流分配也满足权分布的要求。从 而可以得出： ， 7 ， = 一( 等r ，q + r ：a 2 + + 等巧) = 一- 警- - ( a , 2 - i + 呸2 - 2 4 - _ + 2 一”) 由此可得，该种电阻网络同样可以满足d a 转换要求， 器原理结构。当输入为1 1 1 1 1 1 ，输出电压为： = 一下2 v r r ：( 2 - 1 + 2 - 2 + + 2 - n ) = 一竿c 一争 2 4 计算机总线 ( 2 - 1 8 ) 是一种d a 转换 f 2 - 1 9 ) 计算机总线就是计算机各模块间进行信息传输的通道。不同的总线都是 为了解决某一方面问题而产生的。根据总线的使用场合的不同可以把计算机 总线分为内部总线、系统总线和外部总线。 内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的 互连，包括片内总线、存储总线、片总线( 元件级总线) 。 系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互 连，系统总线一般都以插槽的形式出现在主板上，系统总线又称为i 0 通道 总线，包括p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c tl o c a l b u s ) 总线、 i s a ( i n d u s t r i a l s t a n d a r da r c h i t e c t u r e 、工业标准结构) 总线、a g p ( a c c e l e r a t e d g r a p h i c sp o r t ，加速图形端口) 总线、v m e 总线( v e r s a t i l eb a c k p l a n eb u s ，通 用底板总线) 、m c a ( m i c r oc h a n n e la r c h i t e c t u r e 微通道结构、p s 2 ) 总线、m u l t i b u s 总线、s t e ( s y s t e mt e s te q u i p m e n t ，系统测试设备1 总线、s t d ( s t a n d a r d ， 标准) 总线、e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，扩展工业标准结构1 电子科技大学硕士研究生学位论文 总线、s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e 、软盘和主机) 总线、 i d e ( i n t e g r a t e dd i s ke l e c t r o n i c s ，也叫a t 总线，是当前新型硬盘驱动器采用 的一种接口) 总线、v e s a ( v i 【d e o e l e c t r o n i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o n ，提高系统视 频性能，简称v l 总线( v e s a l o c a lb u s ) ) 总线、p c m c i a ( 个人计算机存储器 卡国际协会) 总线等。 外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该 总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连，外部总线( 又 称为通信总线) 分为串行和并行两大类。串行总线有r s 2 3 2 c 、u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ，通用串行总线) 、i e e e l 3 9 4 、a d b ( a p p l ed e s k t o pb u s ，苹果桌面总 线) 、a b ( a c c e s sb u s 存取总线) 、c h i ( c o n c e n t r a t i o nh i g h w a yi n t e r f a c e ) 、 g e o p o r t ：并行总线有：i e e e 4 8 8 、v x t ( v m eb u se x t e n s i o n f o ri n s t r u m e n t a t i o n ， 测控系统) 总线等。外部总线也必须通过系统总线来实现和主机的通信。比如， u s b 是通过p c i 到u s b 的主控制器。 选用哪一种总线技术时，应当明确各种总线的设计目的，即它的主要应 用领域，然后根据自己的具体需要，选择一种总线规范来实现自己的目的。 2 5 p 0 l 总线规范2 2 版 p c i 总线规范2 2 版规定了p c i 总线的电气规范、机械规范和配置规范等 诸多方面的内容。这里主要介绍p c i 总线规范内的p c i 总线结构、信号定义、 总线操作和总线配置等方面的重要内容。 2 5 1p c i 总线结构 在一个p c i 系统中，高速的外部设备和低速的外部设备可以共存，p c i 与i s a e i s a 总线并存。 从图2 1 1 可以看出，c p u 通过主设备p c i 桥，即北桥可以直接访问映射 于存储器空间或者i o 空间的p c i 设备。北桥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；北桥可以使c p u 与p c i 总线上的操作分开，以免相互影响；北桥提供了p c i 总线上的所有驱动机制。 p c i 总线上可以有p c i 的显卡( 现在很多计算机主板支持a g p 总线的显 电子科技大学硕士研究生学位论文 卡) 、p c i 的网卡、p c i 的声卡、s c s i 的软盘设配器、p c i 扩张总线桥以及p c i 插槽。p c i 扩展总线桥又称为南桥，南桥可以是p c i p c i 扩展总线桥、p c i i s a 扩展总线桥、p c i e i s a 扩展总线桥。通过北桥和南桥c p u 可以访问二级p c i 总线、i s a 总线、e i s a 总线上的设备。南桥除了可以扩展总线外，还可以接 i d e 接口和u s b 接口等。 图2 1 1p c i 总线系统结构 北桥和南桥的充当的角色是相对与哪一级总线而言，北桥对于c p u 总线 而言是从设备( t a r g e t ) ，对于p c i 总线而言是主设备( m a s t e r ) ；同样在i s a 总线 上南桥是主设备，而在i s a 总线上的所有其它设备，如超级i o 均为从设备。 也就是说，主从设备是相对于总线而言。主设备具有总线控制权，能够驱动 地址线、数据线和控制线，但是从设备不能驱动地址线。 1 6 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 5 2p c i 总线信号定义 p c i 总线的信号线分为地址线、数据线、接口控制线、仲裁及系统线等， 对于p c i 从设备或者目标设备执行需要4 7 条信号线，如图2 1 2 所示，而对 于主设备的p c i 接口至少需要4 9 条信号线。在信号末尾加上“# ”号的信 号表示低电平有效，其它表示高电平有效。主控方式就是p c i 协议转换设备 在p c i 总线上是充当主设备，可以使p c i 设备能够不在主机c p u 的干预下 访问主机的地址空间( 包括主存、其他p c i 设备等) 以加快访问速度、减少启 动延迟和降低主机负担。p c i 设备工作在主控( m a s t e r ) 方式下，该设备的p c i 信号比从设备多了“r e q # ”和“g n t # ”两个信号。如果p c i 设备完全是在 主机c p u 的控制之下工作( l l 如说，当p c i 设备接收到某一个外部事件，然 后中断主机，主机c p u 读写该p c i 设备) ，那么该p c i 设备在p c i 总线上就 可以工作于从设备方式，也称为s l a v e ( 或者称为t a r g e t o n l y ) 方式，此时该p c i 设备就可以不接“r e q # ”和“g n t # ”这两个信号。p c i 总线信号的具体含 义见p c i s y s t e m a r c h i t e c t u r e ) ) 。 必要信号任选信号 地址 数据 接口 控制 错误 报告 总线 仲裁 系统 图2 1 2p c i 信号定义 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 5 3p c i 总线操作 p c i 总线传输采用命令驱动的方式，总线命令的作用是用来规定主、从设 备之间的传输类型，出现于地址周期的c b e 3 ：o 撑上。这里的主设备是 指通过仲裁而获得总线控制权的设备：从设备是指在c b e 3 ：0 3 拌上出现 命令的同时，被a d 3 1 ：0 线上的地址所选中的设备。p c i 总线操作比较 多，这里只介绍最重要的一些，详细内容请参阅p c is y s t e r m a r c h i t e c t u r e ) ) 一书。 ( 1 ) p c i 总线的突发数据传输 p c i 总线的基本传输机制是突发分组传输。一个突发分组由一个地址期和 一个或多个数据期组成。这种突发分组由p c i 主桥来完成，它可以把对多次 存储器访问在不产生副作用的情况下合并为一次访问，只要处理机发出的连 续双字读( 或写) 所隐含的地址是连续的，那么主桥路就可以把这些访问合 并为突发传输。p c i 传输基本上由f r a m e # 、i r d y # 、t r d y # 三个信号 线来控制。f r a m e # 信号又称为帧周期信号，由主设备发出，表示一次访问 的开始和持续时间。f r a m e 撑有效即由高电平跳到低电平，预示着总线传输 的开始；在f r a m e # 有效期间，表示数据传输继续进行；当f r a m e # 失效即 由低电平跳到高电平，表示数据传输的最后一个数据期。i r d y # ( 即i n i t i a t o r r e a d y ) 信号，又称为由主设备准备好信号，i r d y # 有效表明发起本次传输的 设备能够完成一个数据期，它要与t r d y # 配合使用，二者同时有效，数据才 可以完整传输，否则要插入等待周期。在读周期，i r d y # 信号有效，表示表 示主设备准备接收来自从设备的第一个数据项；在写周期，i r d y # 有效，表 示主设备正在通过a d 总线驱动第一个数据到从设备上去。t r d y # ( i l pt a r g e t r e a d y ) 信号，又称为从设备准备好信号，t r d y # 有效，表示从设备