（微电子学与固体电子学专业论文）基于CF接口的便携式数据采集系统.pdf

摘要 论文题目：基于c f 接口的便携式数据采集系统 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：高耀武签名： 指导教师：高勇教授签名： 杨嫒副教授签名： 摘要 本文提出了一种基于c o m p a c t f l a s h ( c f ) 接口的便携式数据采集系统的设计方案，采用 可编程逻辑器件实现c f 接口控制及数据采集控制：c f 接口部分实现与上位机的数据传 送，数据采集控制部分完成量程变换，模数转换控制等功能。上位机基于c f 接口与下位 机进行数据通信，给下位机发送量程控制字、数据采集参数等命令，采用中断方式接收下 位机采集过来的数据并进行处理，下位机只完成数据的采集。这种方案最大的优势是上位 机端的数据处理软件易于修改，以面向不同的应用。 目前基于c f 接口的设计采用专用：吝片实现接口控制，由f p g a 、d s p 等实现逻辑功 能，这种多芯片方案虽然设计简单，但成本高，功耗大。本课题首先根据c f 规范，设计 了一种基于可编辑逻辑器件的c f 卡端接口，实现了存储器模式和i o 模式两种传输方式 的接口设计，并在此基础上完成了数据采集系统的设计。相比较传统方案，本方案设计灵 活，系统成本和功耗更低。此外，本课题设计的基于可编辑逻辑器件的c f 卡端接口具有 通用性，在此基础上可实现其它多种基于c f 接口的便携式i 0 设备。 本课题完成的数据采集系统中，用于逻辑控制的可编程逻辑器件采用了f p g a 和 c p l d 两种实现方案。在完成系统的硬件和软件设计后，对系统进行了测试，结果表明系 统成功地实现了数据采集、处理、显示和控制，采用c p l d 作为本设计的逻辑控制在系 统功耗方面具有明显的优势。 关键词： c o m p a c t f l a s h 接口可编辑逻辑器件数据采集系统 a b s t r a c t t i t l e ：p o r t a b l ed a l 。aa c q u i s i t l 0 ns y s t e mb a s e do n c o m p a c t f l a s h m a j o nm i c r o e i e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：y a o w ug a o s u p e r v i s o r ：p r o f y o n gg a o a s s o c i a t ep r o f y u a ny a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：l 釜型：垒竺d s i g n a t 叭：鲤兹纩 s i g n a t 叭：垫些 ak i n do f p o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) s y s t e mb a s e do nc o m p a c t f l a s h ( c f ) i n t e r f a c ei s i n t r o d u c e d , p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d ) i su s e da sc fi n t e r f a c ec o n t r o l l e ra n dd a q c o n t r o l l e r ：c fi n t e r f a c ec o n t r o l l e rt r a n s f e r sd a t ab c t w c 层nc l i e n ta n dh o s t , d a qc o n t r o l l e r s e l e c t si n p u tr a n g ea n dc o n t r o l sa dc o n v e r s i o n h o s ta c c e s s e sc l i e n f sd a t aa c r o s sc fi n t e r f a c e ， s e n d si n s t r u c t i o n st oc l i e n ts u c ha sr a n g es e l e c tw o r da n dd a q p a r a m e t e r , d a t aa r es e n tt oh o s t i ni n t e r r u p tm o d ea n dt h e np r o c e s s e d d a t ap r o c e s s o rs o f t w a r eo nt h eh o s tc a nb em o d i f i e d e a s i l yt os u i td i f f e r e n tc o n d i t i o n , w h i c hi st h eb i g g e s ta d v a n t a g eo f t h i sl 【i n do f s y s t e m m o s tc f - b a s e dd e s i g n su s es p e c i a lc h i pa si n t e r f a c ec o n t r o l l e rc u r r e n t l y , l o g i cf u n c t i o ni s i m p l e m e n t e db yf p g a d s pe t c t h i sm u l t i c h i ps c h e m ei se a s yt ob u i l d , b u ti so fh i g h e r s y s t e mc o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n b yr e a d i n gc o m p a c t f l a s hs p e c i f i c a t i o n , ac fc a r ds i d e i n t e r f a c eb a s e do np l dw i t hm e m o r ym o d ea n df om o d ei sd e s i g n e d ，o nw h i c hd a qs y s t e m i sd e s i g n e d c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ld e s i g n sb a s e do ns p e c i a li n t e r f a c ec h i p s ，t h i sd e s i g nh a s m o r ef l e x i b i l i t y , l o w e rs y s t e mc o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n f u r t h e r m o r e ，p l d - b a s e dc fc a r d s i d ei n t e r f a c ei n t r o d u c e di nt h i sd e s i g n e di su n i v e r s a l ，m a n yo t h e rk i n d so fc f - b a s e dp o r t a b l e i od e v i c ec a nb e n e f i tf t o mt h i sd e s i g n p l du s e da sl o g i cc o n t r o l l e ri nd a q s y s t e mf i n i s h e di nt h ep r o j e c tw a si m p l e m e n t e do n b o t hf p g aa n dc p l d a f t e rt h ec o m p l e m e n to f h a r d w a r oa n ds o f t w a r e t e s t sa r ct a k e nt od a q s y s t e m r e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h es u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o n o fd a t a a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g ，d i s p l a ya n dc o n t r o l ，a n dd a qs y s t e mb a s e do nc p l dc o n s u m e sm u c hl e s sp o w e r t h a nt h a to f f p g ai nt h i sp r o j e c t u k e yw o r d s ： c o m p a c t f l a s h i n t e r f a c ep l d d a q 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：雄呻年弓月；。日 学位论文使用授权声明 本心皇麴在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文储虢犁导师虢三骠砷年弓胪日 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的背景及意义 定期测量移频轨道电路参数是考核线路质量是否达标的必要手段，也是保证行车信 号准确可靠和确保列车安全运行的重要条件，因此，移频参数测量系统的研究具有十分重 要的意义。近年来，由于电气化铁路的普及以及行车速度和密度的提高，使得待测的移频 信号中含有大量干扰信号，从而影响测量的精确性，因此对移频参数测试系统提出了高抗 干扰能力和高精度的要求。传统的移频参数测试仪采用硬件解调的方法对各个移频参数进 行测量，一方面测量的频率范围有限，不全面，操作时需要手工进行选频；另一方面大量 重复结构的硬件增加了系统的功耗，而且电路的抗干扰能力较差。基于傅立叶变换的频域 分析方法较大程度地提高了系统的抗干扰能力，但是由于傅立叶变换的局限性，该方法的 时间效果不明显，测量精度不高；另外，仪器操作界面不友好，参数设置不灵活。随着掌 上电脑p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 技术的发展，p d a 在手持式便携式仪器中的应用 越来越广泛，其友好的可视化界面是消费者的必然选择。在p d a 中，c f ( c o m p a c t f l a s h ) 接口以其快速性、低功耗等优点成为p d a 的通用接口配置。因此本项目提出采用p d a 作为移频参数测量仪器的操作控制平台，通过c f 接口进行数据传输，实现对移频信号参 数的实时采集，采集到的数据由p d a 采用数字滤波、小波分析和f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 算法相结合的方法实现对数据的分析处理，从而得到高精度的移频信号参数。 采用p d a 作为手持式操作设备，能够给用户提供友好的操作界面，参数设置方便， 系统可扩展性好，可以很方便地扩充需要测量的移频信息；由p d a 进行信号的数据分析 算法处理，可以灵活运用多种数字信号处理技术，提高信号的检测精度。 另外，在手持式便携式设备的应用场合，电路的功耗直接影响系统的工作时间，低 功耗设计是便携式设备的研究重点。现有的c f 接口卡均采用c f 接口专用控制芯片，外 加控制器如d s p 、单片机等实现卡的各种功能，增加控制器无疑增加了系统的功耗。本课 题采用可编程逻辑器件完成对c f 接口和数据采集的控制，采用减少开关活动性的方法力 求降低系统功耗。相比较现有方案，本方案设计灵活，系统成本和功耗更低。 目前基于c f 卡的数据采集系统均实现c f 接口的h o s t 端，采用c f 存储卡进行数据存储 n 瑚，而本课题实现c f 接口的c l i e n t 端，连接到上位机进行数据采集，本课题进行时对于 实现c f 卡的c l i e m 端国内尚无报道。 1 2 便携式数据采集系统的发展现状 目前便携式数据采集系统主要有三种结构： 1 单片机d s p + 液晶：由单片机作为系统控制，接受键盘输入并在l c d 上显示测量 结果，采用这种方案可以获得很小的体积和很低的功耗，但受单片机处理速度的 西安理工欠学硕士学位论文 2 限制，这种结构只能对采集到的数据进行简单的处理和显示；采用d s p 替换单 片机可以增强系统的运算能力，但同时也增加成本和功耗，并且仍然无法解决系 统功能不易扩展的问题，这种数据采集系统的框架如图l 1 ： 来自传 的模拟 图i - i 基于单片 i f l , d s p 和液晶便携式数据采集系统 f i g u r e l ip o r t a b l ed a qs y s t e mb a s e d o ns i n g l e c h i p d s p l c d 2 a r m 嵌入式主板+ 操作系统：可理解为第一种方案的升级版，采用a r m 或嵌入 式主板为基础，搭建完整的硬件平台并移植操作系统，再编写应用软件，从而大 大提高了界面的友好程度并易于扩展系统功能，这种结构的系统功能强大，实时 性较好，但成本高、功耗高、设计难度大，体积也往往较大，适合需要较强实时 数据处理能力的便携式应用t , 6 1 ，其结构框图如图1 2 ： 来自传感 模拟信 i 呈委堡旦il 堡垒堡呈il 望竺堡旦l 掌| a 砌w 嵌入式主板匿 口ia 砌w 嵌入式主板i 墨 引 ( 运行操作系统) i 莹 键盘、鼠标接口ii 串口il 并口 图l - 2 基于a r m 嵌入式主机扳和操作系统的便携式数据采集系统 f i g u r e l - 2p o r t a b l ed a qs y s t e mb a s e do na r m e m b e d d e dm a i n b o a r d o s 3 单片机d s p 肌d + 接口控制芯片：利用单片机d s p p l d 等控制数据采集，再通过 接口控制芯片转换成并i = 1 、p c i 、u s b 等，上位机通过这些接口获取数据再进行 处理、显示、存储和控制。此方案中的计算机系统不再是专用系统，根据运算能 力、便携程度、成本等可以是台式机、笔记本或p d a ，提供接口的h o s t 功能，与 数据采集卡连接”j 9 l 。由于系统设计难度低，应用灵活，目前大部分的数据采集 系统都采用这种方案，其结构框图如图1 - 3 ： 1 绪论 来自 图i - 3 基于单片机，d s p p l d 和接口控制芯片的便携式数据采集系统 f 追u r e l 3p o r t a b l ed a qs y s t e mb a s e d o l ls i n g l e c h i p d s p p l d i n t e r f a c ec o n t r o lc h i p 1 3 论文研究的主要内容 本课题的研究目的是开发一个用于移频轨道电路参数测量的便携式数据采集控制系 统，将整个系统分为两大部分：基于c f 接口的数据采集卡和上位机端的软件进行设计。 数据采集卡完成数据的采集和传送任务，对传感器输出的模拟信号进行调理、模数转换并 通过c f 接口发送到上位机：上位机端的软件对数据进行处理和显示，并根据需要对数据 采集部分进行控制。 基于c f 接口的数据采集卡是本设计的难点，本课题按如下步骤进行： 1 阅读c f 规范。由于c f 规范非常庞大，而本课题只需其中的一部分功能，因此 对其进行裁剪，提取出所需实现的部分。c f 规范与p c m c i a - a t a 兼容，因此 阅读时还可参考p c m c i a - a t a 规范。 2 编写裁剪后c f 接口部分v e r i l o g 代码，由仿真保证其功能正确性，再通过综合， 估算出接口部分所占的资源，作为可编程逻辑器件选型的参考。 3 硬件制作，包括元件选型、购买、电路和p c b 设计、焊接。 4 针对可编辑逻辑器件型号和设计的电路指定相应的管脚约束，将前述代码综合、 布局、布线，生成位流文件下载。 5 编写上位机端的测试软件，分别对i o 端口的读、写和中断响应进行测试。 6 信号调理、模数转换部分设计、制作及测试。 7 系统整体软硬件联合调试。 本论文共分七章，内容安排如下： 第一章为绪论，简述本课题的研究背景、意义、便携式数据采集系统的发展现状及 本课题研究的技术路线。 第二章介绍c f 接口，详细描述了经裁剪后c f 接口的电气特性。 第三章为系统方案设计，根据系统设计指标，制定便携式数据采集控制系统的硬件 和软件实现方案。 第四章为具体的电路各部分设计及实现，逻辑控制部分包括f p g a 和c p l d 两种实 现方式。 西安理工大学硕士学位论文 第五章为软件部分的设计，实现c f 卡与上位机的中断方式和c fi 0 模式通信、数 据处理、显示和控制。 第六章为实验测试结果，给出了数据采集系统各部分的测试结果和可编程逻辑器件 的资源占用情况，并做了功耗分析。 第七章为结论，对本课题所做的工作做出总结。 4 2 c f 接口介绍 2c f 接口介绍 c o m p a e t f l a s h ( c f ) 卡于1 9 9 4 年由s a n d i s k 最先推出，以其良好的兼容性和便携性 迅速成为存储卡的首选。次年1 0 月，c f a ( c o m p a c t f l a s h a s s o c i a t i o n ) n 0 1 成立，负责制定 c f 规范，保证c f 设备的兼容性。为最大程度推广c f 的使用，c f a 开放c f 规范。c f a 总部位于加拿大的p a l o a l t o ，目前其成员包括佳能、柯达、惠普、日立、s a n d i s k 、l e x a r m e d i a 、r e n e s a s 和s o c k e tc o m m u n i c a t i o n s 等1 9 0 多个。 虽然最初的c f 卡是采用闪存的存储卡，但随着其发展，各种采用c f 卡规格的非闪 存卡也开始出现，c f a 后来又定义了c f + 规范，使c f 卡的应用范围扩展到其它领域， 包括磁盘存储器和调制解调器、以太网卡、w i f i 、篮牙适配器、串1 2 1 并1 2 u s b 转换卡 等其它设备。 c f 卡有相当多的平台支持，包括d o s 、w i n d o w s3 x 、w i n d o w s9 5 、w i n d o w s9 8 、 w i n d o w sc e 、w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sm e 、w i n d o w sx p 、o s 2 、a p p l es y s t e m7 、8 、9 和o sx 、l i n u x 以及多种u n i x ，这些操作系统同时支持基于闪存的c f 存储卡和c f + 卡。 采用c f 接口实现i ，o 设备有如下优点： 1 体积小，易于携带。c fi 型卡的尺寸为4 3 衄3 6 衄3 3 哪( i i 型卡的最大厚 度为5 衄) ，与基于p c i 、p c m c i a 等接口的设备相比，其体积小得多。( s d 卡由 于其厚度过于薄，无法容纳分立元件，因此用于i o 设备开发并不方便2 ) ； 2 抗震性好，c f 卡的元件都封装在一个由两个铁片保护的框架内，工作时可承受 2 0 0 0 g 的震动； 3 支持热挺拔和即插即用； 4 速度快，4 0 版c f 规范的数据传输速率可达1 3 3 m b y t e s ( 实际产品中速度最快为 4 0 m b s 1 ) ： 5 工业标准的c f 卡可以在- 4 5 至8 5 的温度范围内工作“； 6 支持中断方式通信，实时性好。 2 1c f 卡基本特性 2 1 1c f 卡的尺寸 从外形上c f 卡可以分为五种：c fi 型卡、c fi i 型卡、加长型c fi 型卡、加长型c fi i 型卡及扩展尺寸的c f + 卡。后面的四种外形都是在c fi 型卡的基础上扩展得来的，c fi 型 卡通常是闪存卡，体积最小，也最为常见，其尺寸如图2 1 ： 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 1 c f i 型卡尺寸图 f i g u r e 2 it y p eic fc a r dd i m e n s i o n s 注：出自文献1 ：5 ，f i g u r e3 c fi i 型卡与i 型卡的区别仅在于它的最大厚度可达5 0 m m ，以容纳更多更高的元件， c fi i 型卡主要用于微型硬盘及其它一些i o 设备。c fi 型卡可以用于c fi i 型卡插槽，但c f i i 型卡由于厚度的关系无法插入c fi 型卡的插槽中。 除此之外，考虑到某些基于c f 的应用可能需要更大的空间，c f 规范还规定了另外三 种可扩展的尺寸，它们分别为：加长型c fi 型卡、加长型c fi i 型卡及扩展尺寸的c f + 卡， 如图2 2 。前两种可以对长度和厚度( 两个方向) 扩展，扩展尺寸的c f + 卡允许在三个方 向上对尺寸进行扩展。 6 图2 2 ( a ) 加长型c fi 型卡( b ) 加长型c fi i 型卡( c ) 扩展尺寸的c f + 卡 f i g u r e 2 - 2 ( a ) l o n g e r b p e i c f c a r d ( b ) l o n g e r t y p e i i c f c a r d ( c ) c f + e x t e n d e d c a r d 2 c f 接口介绍 2 1 2c f 卡的电源 c f 规范规定了两种工作电压，分别为v c c = 5 v _ 1 0 9 6 和v c c = 3 3 v + 5 ，c f 规范还规 定了两种供电级别，在不同的条件可提供的最大电流如表2 一l ： 表2 - ic f 接口供电级别 1 a b l e 2 1c fp o w e rl e v e l 供电级别。供电级别1 3 3 v7 5 m a5 0 0 m a 5 0 v 1 0 0 m a 5 0 0 m a 供电级别1 提供了最大2 5 w 的功率，供某些功耗较大的c f + 卡，如微硬盘使用。 卡在加电后复位及读c i s 期间均使用供电级别0 ，在初始化完成后，根据卡配置寄 存器的相关控制位决定是否使用供电级别1 。 2 1 3c f 卡内部结构及外围接口方式 从内部结构上看，c f 存储卡包括一个控制器和一个f l a s h 存储休，控制器允许上位机 对f l a s h 存储体进行存取；c f + 卡也有着类似的结构，但存取对象为i 0 模块。图2 - 3 给出了 c f + 卡的内部结构及其与主机总线的接口方式，1 0 模块完成相应的i o 功能，它与上位机的 通信由控制器转换后满足c f 规范；上位机对c f + 卡的操作经由c fh b a ( h o s tb u s a d a p t e r ) 后亦满足c f 规范，从而保证上位机对c f + 卡的正确操作。 图2 - 3c f + 卡的内部结构及其与主机总线的接口方式 f i g u r e 2 3c f + c a r di n s i d e & c o n n e a i o nt oh o s tb u s 2 2c f 接口信号定义 c f 卡具有p c m c i a a t a 和t r u ei d e 功能，可工作于三种模式下：p c m c i a - a t a 存 储器模式、p c m c 认a t ai o 模式、t r u ei d e 模式。c f 规范规定普通的c f 存储卡必须 支持以上全部的三种工作模式，而对于c f + 卡可省去t r u ei d e 模式。 本课题利用c f 接口将采集到的数据传送给上位机并将上位机发送的控制指令传送回 来，属于c fi o 卡，因而只实现了p c m c i a a t a 模式。c f 接口共5 0 个信号，存p c m c i a - 西安理工大学硕士学位论文 a t a 模式下定义如表2 2 ( 其中h b a 到c f 为输入，反之为输出) ： 表2 - 2c f 接口信号定义 管脚号 信号名描述 1 3 ，3 8v c c+ 5 v 或+ 3 3 v 电源 l 。5 0 g m 地 一c d l 输出 - 在c f 卡上接地，h b a 端对这两个信号上拉，并通过检测这两个信号的 2 6 2 5 一c d 2电甲来判断c f 卡是否完伞插好 4 1r e s e t 输入 高电平有效的# 复t f ，信号 8 ，1 0 1 l 。1 2 ，1 4 ，1 5 ，1 a 1 0 a 0 输入 配合- - r e g 可以选择c f 卡中的所有宅同：存储器模式下的通用存储空 6 1 7 ，1 8 1 9 ，2 0间、c i s 、卡配冒寄存器以及t o 模式下的i 0 端口 3 l 。3 0 ，2 9 2 8 ，2 7 4 9 ， 双向 1 6 位双向数据总线 4 8 。4 7 。6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，2 3d i s d 0 0 2 2 2 i 4 4- - r e g 输入 i o 周期中当总线上存在有效i 0 地址时必须保持有效( 低) 输入 存储器模式下的读使能信号，用于读通用存储空同或属性存储空间 90 9 ( c i s 和卡配置寄存器) 输入 存储器模式下的写使能信号，用于写通用存储空间或配置寄存器 3 6一e ( c i s 不可写) 一c e l ， 输入】这两个输入作为卡选择信号并判断是字节还是字操作。 7 。3 2 - - c e 2 始终存取字的奇数字节， o 和一c e 2 决定- - l e t 存取奇数字节还是偶 c e 2 数字节，三者协作可用8 位宽访问卡上的所有数据 3 4一i o r n 输入 t o 模式下的读使能信号 3 5一1 0 w r 输入 i 0 模式下的写使能信号 输出 当卡被选择且正对地址线上的有效地址的i 0 读周期做出响应时，由 4 3 一i n p c x卡发出此信号作为响应腿a 以此信号控制c f 卡和c p u 之间输入数据缓冲的 使能。 一i o i s l 6 输出 低电平表示进行1 6 位或奇字节操作 2 4 存储器模式下信号名为卵， 输出 ，应保持低电平 输出 中断请求。c f 卡配置好进行i 0 操作后。此信号表示中断请求该信 一i 砒号瞬间降低以产生脉冲模式的中断，或保持一段时间的低电平以产生电平模 3 7 式的中断。 存储器模式下信号名为r e a d y ，卡忙时为低电平，空闲时为高电平 一s t s c 睇 输出 i 0 接口配簧好后，其低电平通知哺 转换就绪和写保护状态，此信 4 6 号由卡配置和状态寄存器控制 存储器模式下信号名为b v d l ， 输出 ，但不使用此信号，需保持高电平 4 2 一_ a i t 输出 由乍发出此信号通知船a 延迟一个e l e m o r y 或i o 周期的结束。 - s p k r 双向 卡的二：进制音频输出口，若卡不支持则戍保持无效 4 5 存储器模式下信号名为b 、d 2 ， 输出 但不使用此信号，诺保持高电平 - - v s l 。 输出 电压敏感信号。- - v s l 在卡上接地，使h b a 采用3 3 v 电压对c f 卡进 3 3 4 0 一v s 2行操作。- - v s 2 在 p 悬宅。 3 9一c s e l 输入】在p c h c i a - a t a 模式下不被使用，本设计将其悬空。 在c f 接口的5 0 个信号中，l l 位地址线为c m o s 输入，1 6 位数据线为c m o s 输入， 三态输出；r e g 、o e 、w e 、i o r d 、i o w r 、- c e i 、- c e 2 需通过5 0 k o 5 0 0 k o 电阻 上位至电源，再经过旅密特触发器以加速这些便能信号的跳交并消除干扰； r e a d y - i r e q 、w a i t 、- i n p a c k 、b v d 2 - s p k r 、b v d l - s t s c h g 采用图腾柱方式输 出；r e s e t 为高电平有效的卡复位信号，其最低输入高电平为1 5 v ( v c c = 3 3 v ) 和2 v ( v c c = 5 v ) ，因此。为保证设计的可靠性，r e s e t 在进入p l d 前需要经过缓冲。 8 2 c f 接口介绍 2 3 c f 卡空间寻址 c f 卡内部根据寻址方式可分为三部分：属性存储空间、通用存储空间、i o 空间， 如图2 - 4 所示。 a 1 0 a 0 d 1 5 d 0 一c e 2 吒e 1 一r e g - o e w e - 1 0 r d 1 0 帆 图2 - 4c f 卡内部空间 f i g u r e 2 - 4s p a c e si nc fc a r d 属性存储空间由卡信息结构( c a r di n f o r m a t i o ns t r u c t u r e ，c i s ) 和卡配置寄存器组成， 用于存储c f 卡识别和配置信息，使c f 卡能够自动地被系统识别并驱动，从而达至u l l p 插 即用的目的；通用存储空间对应于普通c f 存储卡的数据存储空间，可映射到上位机的内 存空间，通过存储器模式或t r u ei d e 模式进行操作；i o 空间则把c f 卡的i o 地址映射 到上位机的i o 地址范围内，上位机通过对这些i o 地址操作来存取c f 卡。 r e g 、o e 、w e 、i o r d 、i o w r 用于三种空间的选择：p e g 高电平时选择通用 存储空间，r e g 低电平时选择属性存储空间或i o 空间，o e 、w e 为存储器模式下的 读、写使能信号，i o r d 、i o w r 为i o 模式下的读、写使能信号，它们组合后的译码结 果如表2 3 ： 表2 - 3 c f 空间译码 t a b l e 2 - 3c fs p a c ed e c o d i n g o ew e r e g1 0 r d1 0 w r 意义 0 1l1l 读通用存储空问 l0lii 写通用存储空间 010ll 读属性存储空间 lo0ll 写# 配置寄存器 illoi 无效 1lll0无效 ll00l读i o 空同 ll0 l0 写i o 空间 ：c i s 不可写 c e 2 、c e l 用于选择操作数位宽，令地址线最低位a 0 为0 时对应地址的数据为偶 字节，a 0 为l 时对应的数据为奇字节，选择结果见表2 4 ： 9 存问性空属储 专 ，卞j 一 一 一 西安理工大学硕士学位论文 表2 - 4 操作数位宽选择方式 类型 e 2c e la od 1 5 一d 8d 7 一d 0 空闲 llx 无效 无效 字节存取( 8 位模式) l00 无效偶字节 字节存取( 8 位模式) loi 无效 奇字节 奇字节存取( 1 6 位模式) 0lx 奇字节 无效 字存取( 1 6 位模式) o0x 奇字节偶字节 由表2 - 4 可看出： 1 c e 2 、- c e l 分别用于选通高8 位和低8 位数据线，仅c e i 有效时为8 位存取模 式，与之对应地，- c e 2 有效时为1 6 位存取模式( 意即利用了高s 位数据线，实 际有效数据可能仍然只有8 位) ； 2 8 位模式和1 6 位模式存取时可在同样的信号( d 7 d o ) 上褥到同样的结果( 对 偶字节操作时) 。 目前大多数的c f h b a 都支持8 1 6 位存取，当h b a 对c f 卡进行8 位操作时，卡 端数据线高8 位d 0 8 - d 1 5 及用于选通它们的e 2 应保持高阻态 2 3 1c f 卡的属性存储空间 属性存储空间用来存储c f 卡识别和配置信息，只能在偶地址( a o = o ) 以存储器模 式作8 位模式存取，如表2 5 ，任何对奇字节的存取都是无效的( 这种方式可以确保c fh b a 对属性存储空间进行8 1 6 位操作可以得到一致的结果) 。 表2 - 5 属性存储空间操作 f u n c t i o nm o d er e gc e 2_ c e l a i oa 9a 0- o e、ed 1 5 - d 8d 7 d 0 s t a n d b ym o d e xllxxxxx高阻态 h i g i l z 读c i s ( 8 位) 0l0 0oooi 高阻态偶字节 读c f + 配置寄存器( 8b i t s ) ol0 xx0 o l 高阻杰偶字节 写c f + 配置寄存戥8b i 回 0lo xxolod o f i tc a r e偶字节 读c i s ( 1 6 b i t s ) 000o oxoln o t 、i d 偶字节 读c f + 配置寄存器 普通信号 卡检测( - c d i ， c d 2 ，因此，c f 卡插入卡槽后，h b a 检测到c d l 和c d 2 被拉低( - c d i 和- ( 2 i ) 2 在c f h b a 端上拉，在c f 卡上接地) ，认为此时卡与插槽已经接触良好，并开始对c f 卡供电，h b a 在电源稳定至少l m s 后发出有效的r e s e t 信号，c f 卡在2 0 m s 内完成复位，如果它不能在 规定的时间内完成复位，须以r e a d y 信号通知h b a 1 7 1 。 西安理工夫学硕士学位论文 v 酬 ，如粜2 0 卡不健在篁位后 一二j 斟 内准备蚌就衙薹j 在l 嘶s 内扮低r o ! ， | 西p 接口痈、。 z 一黔 作z 斗匿生蔓夔i i 图2 - 9 c f 卡上电时序 f i g u r e 2 - 9c fc a r dp o w e ro nt i m i n g 注：出自文献1 ：2 3 3 ，图1 0 - 6 复位完成后，上位机由0 开始连续在偶地址读c i s ，直至判断出c i s 已结束由c i s 信息可知配置寄存器基址等卡的基本信息，上位机将预期数据写入配置寄存器，给c f 卡 分配相应资源，c f 卡的初始化过程完成。 卡的初始化过程完成后，由于c f 卡的i o 空间被映射成上位机端口的一部分，在上 位机端通过软件编程对相应i o 地址读写便可对c f 卡进行存取。上位机以i o 模式对c f 卡存取的过程为；上位机发出对c f 卡某i o 端口的读写指令( 如t u r b o c 的i n p o r t b ( i n t p o r t i d ) 、o u t p o r t b ( i n tp o n d ) ) ，操作系统根据i o 地址判断出操作对象为c f 卡，然后将读 指令传达绘c fh b a ，c fh b a 再对c f 卡发出相应信号时序完成对c f 卡的读写操作， 并将操作结果返回。 2 5c f - a t a 与p c m c i a - a t a 的区别 一般认为c f 与p c m c i a 是兼容的，c f 仅仅将p c m c i a 的6 8 管脚简化为5 0 管脚， 除此之外，出于更低功耗的考虑，这二者之间的区别如表2 - 1 0 ： 表2 - 1 0 c f 和p c m c i a 的区别 1 曲l e 2 i od i f f e r e n c e sb e t w e e nc fa n dp c m c i a 1 6 c fp c m c t a m 兼容性不兼容兼容 最小上拉电阻阻值 5 0 k q1 0 k n 存储卡为3 5 0 m ， w a i t 脉宽固定为1 2 0 s c f + 卡为3 u s 功能6 9 h 、9 6 h ，9 7 h ，9 a h 已定义无 命令c o h 、8 7 h 、f 5 h 已定义用户定义 命令0 3 h 、3 8 h ，c d h 已定义预留 空斛时间 5 m s5 s 从休眠状态恢复 任意命令需要重新复位 2 c f 接口介绍 由表2 1 0 可知：将c f 卡通过转接卡插到p c m c i a 插槽是可以正常工作的，而将 p c m c i a 卡通过转接卡插到c f 插槽时，由于大多数p c m c i a 卡并未用到其独有的管脚， 因而也是可以正常工作的。 7 西安理工大学硕士学位论文 3 系统方案设计 3 1 设计指标及分析 本课题设计的数据采集系统指标如下： 直流测量： 显示分辨率：l m v ，0 0 1 v ，0 1 v 量程分档及切换方式：共8 档，自动切换 d 8 = 5 6 0 v ：d 7 = 1 7 8 v ：d 6 = 5 6 v ：d 5 = 1 7 8 v ； d 4 = 5 6 v ；d 3 = 1 7 8 v ；d 2 = 8 9 0 m v ；d 1 = 4 4 5 m v ) 测量误差：1 o 4 - 1 个分辨率 交流测量( 电压真有效值) ： 频率范围：5 - 5 k h z 显示分辨率：l m v ，0 o l v ，0 1 v 量程分档及切换方式：共8 档，自动切换 d 8 - d i o o v ；d 7 = 1 2 7 v ：d 6 = 4 0 v ：d 5 = 1 2 7 v ) d 4 = 4 o v ；d 3 - - 1 2 7 v ；d 2 = 6 3 2 m v ；d l = 3 1 6 m v ； 测量误差：2 o 4 - 1 个分辨率 以上指标对数据采集系统提出了两大要求：量程广并且自动切换、精度高。对于后 者，可以通过选择高精度的元件，并对系统进行硬件、软件校正来达到较高的精度；对于 自动切换的八档量程，有两种可行的方案：采用继电器选择不同的分压比例，或统一分压 后再进行不同倍数的放大。 3 2 硬件方案设计 本文提出的数据采集系统硬件部分分为上位机和c f 接口数据采集卡两部分，上位机 可以是提供c fh o s t 功能的任意设备，如p d a 、笔记本电脑等，c f 接口数据采集卡设计 方案如图3 - 1 所示。卡端由电源管理、信号调理、模数转换、数据缓冲( f i f o ) 、逻辑控 制( 可编程逻辑器件) 五部分组成。c 代表控制信号，p 为各模块所需的电源，a 为放大 前的模拟信号，a 为放大后的模拟信号，d 为模数转换的数字输出。电源管理部分由c f 接口获得3 3 v 或5 v 电源，并将其转换到其它所有元件所需电压；逻辑控制部分内部电 路按功能可分为c f 接口控制( 实现与上位机通信的c f 接口) 、量程控制和数据采集控制 ( 对数据采集部分进行控制) 三部分。 信号调理部分用于将信号幅度调理到合适的范围，受逻辑控制部分的控制。复位后， 量程控制部分选择系统的最大档位，待测信号经调理、转换并发送到上位机后，上位机对 信号幅值进行判断，再对量程控制部分发送控制字。选择合适的量程，量程可以随时调整。 1 8 3 系统方案设计 模数转换部分用于将调理后的模拟电压信号转换为数字量，也受逻辑控制部分的控 制。数据采集控制部分在复位后选择最大采样速率，在上位机判断出信号频率范围后，再 发送命令进行调整。 调理后的信号经模数转换后，需要先经过缓存，再通过c f 接口发送到上位机，以防 止上位机不能及时读走转换后的数据，而出现丢数的情况，此过程亦受逻辑控制部分的控 制。 此外，在不需要进行数据采集时，上位机还可以对逻辑控制部分发送命令，关断信 号调理、模数转换、晶振等的电源，以降低待机功耗，延长系统的工作时间。 图3 - ic f 接口数据采集卡设计方案 f i g u r e 3 1c f b a s e dd a qc a r ds c h e m e ； 用于逻辑控制的可编程逻辑器件为硬件部分的核心，目前可编辑逻辑器件主要分为 f p g a 和c p l d ，前者基于s r a m 工艺，内部有丰富的寄存器资源，可实现非常复杂的逻 辑甚至大容量的f i f o ，但其配置信息在掉电后会丢失，产品化时可采用p r o m 在每次上 电的时候对f p g a 进行配置；c p l d 基于p r o m 工艺，逻辑资源较f p g a 少得多，但易 于实现组合逻辑，且其配置信息在掉电后不会丢失。 本课题采用f p g a 和c p l d 分别实现数据采集系统，从成本、功耗两方面进行对比， 最终确定合适的方案。 3 3 软件方案设计 软件部分完成的功能为数