（信号与信息处理专业论文）基于cpci总线的测井数据采集卡的研究与开发.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 本文在深入理解c p c i 总线与数据采集技术的基础上，提出了一种基于 c p c i 总线的测井数据采集智能i o 板卡的设计方法，包括数据采集、数据处理、 板卡自诊断等功能。 本数据采集卡结合具体应用环境具有针对性的设计了滤波电路，对敏感干扰 信号进行了有效的滤除，使用高性能a d 、f p g a 和d s p 做数据采集与处理， 使用高带宽c p c i 总线进行数据的传输，设计成功后得到实际工程使用中的验 证。 本文丰要从数据采集卡的硬件电路设计、时序对接、p c b 设计、调试手段 等方面进行了阐述，对其它非测井设备数据采集卡设计也有一定的参考意义。 关键词：测井数据、数据采集、c p c i 、f p g a 、a d 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r o p o s e dad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faw e l l l o g g i n gd a t a a c q u i s i t i o ni n t e l l i g e n ti ob o a r db a s e do nc p c ib u s ，o nt h eb a s e o fd e e p l y u n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s mo fc p c ib u sa n dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c h i n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n ga n ds e l f - d i a g n o s i s ，e r e t h ee f f e c t i v ef i l t e rc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e di nt h eb o a r df o rt h es p e c i f i c a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tt oe f f e c t i v e l yf i l t e r s e n s i t i v en o i s es i g n a l s a n dm o r e i m p o r t a n t l y ，h i g hp e r f o r m a n c ea d 、f p g aa n dd s pc h i p sa r ea d o p t e df o rd a t a a c q u i s i t i o n , a n dd a t at r a n s m i s s i o ni sa c c o m p l i s h e db yh i g hb a n d w i d t hc p c ib u s a c c o r d i n gt op r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，i ti saf e a s i b l eh a r d w a r ed e s i g nf o r w e l l l o g g i n gd a t aa c q u i s i t i o n t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h er e s e a r c hw o r ko fh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nf o rd a t a a c q u i s i t i o n ，p c bd e s i g na n dd e b u g g i n go ft h ec i r c u i tb o a r d i ta l s oh a si m p o r t a n t r e f e r e n c em e a n i n gt od e s i g nd a t aa c q u i s i t i o nc a r df o ro t h e rn o n - l o g g i n ge q u i p m e n t k e yw o r d s ：w e l l l o g g i n gd a t a ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c p c i ，f p g a ，a d i l l 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：上日业 日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：f ! l 至塑蛩师签名：日期：坐厂1 1 兰州大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 1 绪论 步入二十一世纪以来，计算机技术得到了突飞猛进的发展，应用更加普及化， 计算机总线从i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线发展到p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线，进而发展到p c i e ( 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 t e x p r e s s ) 总线，处理器性能也在按照摩尔定律不断提升，逐步进入 多核处理器的时代【。同时，人们也在想方设法将这些先进的技术应用到工业、 科研和军工领域，其中基于p c i 总线发展起来的c p c i ( c o m p a c tp c i ) 总线在 工业型计算机上得到了广泛的应用，使得工业设备接口与通用计算机具有很好的 兼容性，通用计算机上很多先进的技术可以直接利用起来。 同时，数字集成电路的快速发展也推进工业设备的更新换代，使得工业设备 能够向高速、低功耗、高精度和高可靠性的高性能需求趋势发展，其l i if p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术的发展 在其中起到了重要的作用。 测井设备在技术发展中也面临着同样的革新问题。随着全球油气资源的不断 开采，容易开采的油气资源已经面i 临枯竭，今后的油气资源开采将丰要以复杂地 质为主，开采难度将日益增大，因此，对测井技术及相关设备提出了更高的要求。 长期以来，测井市场形成了由国外公司垄断的局面，国外几大测井设备技术公司 基本引领了国际测井主流技术的发展。本世纪初，中同同内测井设备主要依靠引 进或者使用一些低端设备，关键技术还需依赖国外，没有足够的竞争力【2 】。为了 提升我国油气服务的整体竞争力，国家对发展具有自己知识产权、技术先进、功 能完备的测井设备提供了大力的支持。数据采集与处理技术作为测井设备系统的 主要技术指标之一，它的好坏对整个测井设备系统的性能起着决定性的作用。 本课题正是在这种技术发展背景下提出的，基于实际应用需求，我们结合当 前的先进技术设计了一套基于c p c i 总线的测井数据采集智能i o 板卡的可行 性硬件设计方案，包括数据采集、数据处理、板卡自诊断等功能。板卡结合具体 应用环境设计滤波电路对敏感二f 扰信号进行了有效的滤除，使用高性能a d 、 ! 州人学硕f ：学化论文 f p g a 和d s p 做数据采集处理，高带宽c p c i 总线进行数据传输，原理设计卜 对板卡稳定性、可靠性、兼容性、可升级性等性能做了充分的考虑，p c b 电路板 依据传输线阻抗匹配、高速布线理论和丰富的设计经验设计而成，并通过大量测 试，验证了方案的可行性。 因此，本文所述的基于c p c i 总线的测井数据采集智能i o 板卡的设计具 有实际应用价值，并对其它类似数据采集卡的设计具有参考价值。 1 。2 课题整体方案制定及技术关键点 本课题在认真理解c p c i 规范的基础上，利用c p c i 接口芯片p c i 9 0 5 6 实 现c p c i 接口开发，采用f p g a 作为整个数据采集卡的中心控制器，灵活的为 a d 、d a 、d s p 、p c i 数据信息交互提供了通信桥梁，针对测井设备的特殊模 拟信号采取了对应处理电路，并使用高性能a d 对其进行采集，板卡的工作框 图如图1 1 所示。 图1 1 ：板卡工作框图 本课题总体上来说分为硬件平台和p c i 9 0 5 6 驱动两大部分，在整个课题的 研究过程中，本人承担了以下的研究任务： ( 1 ) 数据采集卡的总体方案设计； ( 2 ) 数据采集卡模拟信号处理电路的软件仿真； ( 3 ) 数据采集卡的硬件设计以及硬件调试； ( 4 ) f p g a 与p c i 、d s p 、a d 、d a 等芯片的通信接口时序设计； 2 兰州人学硕士学位论文 ( 5 ) f p g a 中数据存储、数据处理以及数据通信的设计。 c p c i 总线是种兼容性很强、功能全面、技术先进的计算机总线。只前在 板卡设计中实现c p c i 接口的有效途径主要有以下两种： ( 1 ) 使用可编程逻辑器件实现c p c i 接口。我们可以直接调用可编程逻辑 器件厂商如a l t e r a 、x i l i n x 等公司提供的c p c i 接口设计i p 核，根据自己的 功能需求进行配置裁剪，这种方法的优点是可以将c p c i 板卡上的其它接口逻 辑与c p c i 接口逻辑集成到一片芯片上，降低板卡线路设计的复杂性，提高板 卡设计集成度，但是生产商提供的c p c i 接口功能的i p 核价格不菲，成本较高， 而如果不用厂商提供的i p 核，自行设计c p c i 接口逻辑，虽然性价比性能最优， 但开发难度较大、调试困难，会导致开发周期较长【3 l 。 ( 2 ) 使用专用接口芯片实现c p c i 接口。专用的接口芯片具有一定的通用 性，性能稳定，功能齐全，易于使用，价格也相对低廉，它将复杂的c p c i 总 线接口逻辑转化为相对简单的局部总线逻辑，我们只需在f p g a 中设计好对应 的局部总线工作时序就可以实现我们所需要的c p c i 总线功能【3 】。 因此，为了缩短开发周期、降低成本，结合实际带宽需求，本设计采用了 p l x 公司的p c i 9 0 5 6 6 6 m h z 3 2 b i t 专用接口芯片实现c p c i 总线的接口电路。 在课题设计中，我们使用f p g a 作为整个数据采集卡的 i 心控制器，把板 卡其它数字接口都与它实现互联。这样，整个板卡的数据链路就构成一个星型结 构，任何接口都可以通过f p g a 灵活的进行数据交换，但是需要对每一。类功能 接口都在f p g a 中实现时序逻辑对接。 在整个板卡设计中，最关键的地方是外部模拟信号的处理与采集部分，因为 在整个测井系统中，这些模拟信号反映着钻井设备的状态，数据的是否有效决定 着整个测井系统工作的成败，而这些信号从井下传送到地表的过程中会受到恶劣 环境的影响，引入很大的噪声，所以我们不仅需要使用抗干扰能力较强的差分信 号线传输，还需要做到p c b 电路上的阻抗匹配，以及结合信号频谱特性做好多 级滤波处理，同时要选用合适精度的a d 保证数据采样的有效性。 在整个方案设计中，我们遵循以下几条设计原则，来保证所做数据采集卡能 够在实际系统中成功的运行。 ( 1 ) 稳定性； 皇州人学硕f ：学位论文 ( 2 ) 可靠性； ( 3 ) 兼容性； ( 4 ) 可升级性； ( 5 ) 冗余性： ( 6 ) 灵活性； ( 7 ) 可维护性。 1 3 论文组织结构 本论文从数据采集卡的研发背景，c p c i 总线技术，数据采集卡的硬件电路 设计和p c b 设计等方面对所做工作进行了论述。全文共分七个章节。 在第章的绪论部分，简要介绍了本数据采集卡设计的技术背景与应用背 景，并简要的阐述了本课题的整体方案制定及技术要点。 在第二章，简要的介绍了c p c i 总线技术及其特点。 在第三章，给m 了数据采集卡的功能技术要求及总体架构。 在第四章，对数据采集卡的各功能模块硬件设计进行了详细的描述。 在第五章，结合高速p c b 设计的一些理论基础详细的阐述了数据采集卡的 p c b 设计流程以及其中涉及到的一些相关技术。 在第六章，阐述了数据采集卡的调试流程以及调试过程中出现过的一些问 题，对其它板卡的调试和测试均具有参考意义。 在第七章，对本文进行了总结，提出了论文的不足之处，并对l i n u x 在工 业领域的推广进行了展望。 4 哆州人学硕：i ：学能论文 2 c p c i 总线简介 2 1p c i c p c i 总线定义 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 ) 总线，即部件外围互联总线，是一 种高性能3 2 1 6 4 位地址数据复用、3 3 枷h z 或6 6 m h z 工作频率的高速外围设 备接口局部总线。它的传输速度很高，最高可达5 2 8 m b s ，它具有很好的兼容 性，属于开放式架构，可以插入任何p c i 系统并可靠的工作，具有较好的兼容 性【4 】【5 1 。 c o m p a c tp c i ( c o m p a c tp 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 ) 简称c p c i ，中 文又称紧凑型p c i ，是p i c m g ( p c ii n d u s t r i a lc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sg r o u p ， 中文称国际工业计算机制造者联合会) 组织于1 9 9 4 年基于p c i 电气规范和 e u r o c a r d ( 欧式卡) 标准提出来的一种高性能工业总线【4 】【s 】。 c p c i 总线与p c i 总线电气规范基本一致，总线信号定义见图2 1 。 必籀舔蟹哪选佑哆 a 蛾2 g 骼 c 愿鬲c b i r t p a r 6 4 r e q 6 4 一 a c k 6 4 薪。一谳 ：瓣： 胍一 一。d e v s e ! 。 黼二 ；一 i d s e l k 一 一 p c i 簸露设釜积一 广一煎瓢一 r 蕊二 l 一一 一强巧一 ，葡蜀 ：疆糯= _ g n t。 一 t d i t d o 一 。1 c k 广 c l kt m s 两 二一瓣 l一 图2 1 ：p c i c p c i 总线信号 “能总线 扩艇依蛩 ) 中断淤浓傣垮 ) 萎冀篙鸳 ) 嬲 皇州人学硕i ：学位论文 2 2c p c i 总线的提出 c p c i 总线标准提出之前，在工业控制行业盛行的是8 0 年代提出的v m e ( v e r s a m o d u l ee u r o c a r d ) 总线标准，v m e 标准是面向工业应用开发的一种 开放式架构，它的可靠性极高，互联性能稳定，易于安装和移动，易于板卡散热， 一度时期独占工业控制领域，得到广泛的应用。不过它采用专用的工业设计方法， 成本昂贵，应用范围相对有限。而且，v m e 环境的软件移植必须定制j 增加了 验证和支持的工作量，不利于通用技术的直接使用【6 j 。 2 0 世纪9 0 年代，p c i 总线作为台式机系统的业界标准被千百万台计算机采 用，很快的占据了商业化领域市场，但是它无法提供高度的可靠性，也不能满足 高性能系统对正常运行时问的要求。而且，不能提供良好的散热系统，也不具有 可靠的互联性能，板卡在插拔过程中很容易损坏。因此，它并不适合工业控制领 域的应用需求，不能直接用于工业和军事等对板卡性能要求较高的领埘6 】。 丽临上述两个标准的局限性，以及工业高性能计算机的巨大需求，包括s u n 在内的4 0 0 多家计算机供应商和制造商共同推出了c p c i 总线标准。c p c i 总线 将v m e 的高性能、扩展性和p c i 标准的经济性、有效性和灵活性有机的结合 起来，使得其具有极大的技术先进性。因此，c p c i 的技术的发展极为迅速，进 入2 l 世纪后，在实时系统控制和实时数据采集系统中得到了广泛的应用，涉及 电信、智能交通、航空航天等众多领埘6 】。 2 3c p c i 总线的特点 作为目前业界公认的标准之一，c p c i 总线标准与传统的工业计算机相比有 其自身优良的特性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 与p c i 总线标准兼容：它在电气、逻辑和软件方面与p c i 总线标准完 全兼容，p c i 设备上的相关软件可以直接使用，无论从操作系统层还是驱动层都 感觉不到两者的区别，这有利于通用先进技术在工业设备上的推广1 6 】。 ( 2 ) 采用e u r o c a r d 机械结构标准：c p c i 板卡采用经过2 0 余年实际应用考 验的e u r o c a r d 机械结构。e u r o c a r d 机械结构有两种规格：3 u 和6 u 。3 u 卡尺寸 为1 6 0 r a mx1 0 0 m m ，6 u 卡为1 6 0 m mx2 3 3 3 5 r a m 。e u r o c a r d 机械结构具有良好 6 ! 州人学硕f ：学化论文 的耐用性、散热性、抗震性和易维护性等性能，适合工控、军事、电信等恶劣工 作环境的使用【6 】。 ( 3 ) 高传输速度：从总线速度卜看，3 2 b i t 3 3 m h z 的c p c i 总线最大传输速 度为1 3 2 m b s ，6 4 b i t 3 3 m h z 的为2 6 4 m b s ，6 4 b i t 6 6 m h z 的峰值速度可达 5 2 8 ，s ；而3 2 b i t 的v m e 总线最大理论带宽为4 0 m b s ，在实际使用中只 能达到1 5 m b s 左右的传输速度。也正是这一主要特性，带来了c p c i 总线技 术的飞速发展，使其地位居临v m e 总线之上1 6 1 。 ( 4 ) 高可扩充性：c p c i 总线易于扩展，最多可支持2 5 6 个标准p c i 总线设 备。它可在每个子系统中支持8 个插槽，加上桥接心- i - i - 门| 后，c p c i 可轻易扩展支 持到3 2 个插槽，这将极人的利于复杂系统的设计【6 1 。 ( 5 ) 支持热插拔：c p c i 连接器的电源和信号线支持热插拔规范，这对于容错 系统是非常重要的，这也是标准p c i 所不能实现的功能，而此功能可保证当系 统中的某一块子板卡发生故障取出后，不影响其它板卡的使用，修复插入后，又 可以继续正常工作【6 1 。 7 皇州人学硕i ：学位论文 3 数据采集卡综述 3 1 数据采集卡简介 本板卡严格按照p i c m g2 1 0 规范设计，采用c p c i6 u 机械结构设计，同 时支持信号线前而板后传输板走线，全部采用低功耗宽温工业级表贴：签片，数据 采集部分采用多级滤波、多级放大、多级隔离结构，设计f p g a 和d s p 分别 对信号进行处理。 3 2 功能描述 本板卡实现的主要功能是井下e n c o d e r ( 深度脉冲) 、t e n s i o n ( 张力) 、m m d ( m a g n e t i cm a r kd e t e c t i o n ) 和c c l ( c a s i n gc o l l a rl o c a t o r ) 等信号的实时采 集，采集数据在d s p 中完成预处理，通过c p c i 总线送入工控主机分析使用， 此外，板卡还实现上电自诊断，关键数据在f r a m 中的及时存储，r s 2 3 2 串口 定时发送深度数据和接收控制命令，数字i o ( 如m 信号) 等其它功能。 其中e n c o d e r 、t e n s i o n 、m m d 和c c l 等信号共同反映了当前井下设备所 处的井下位置以及是否有故障现象发生。 3 3 总体结构设计 整个板卡由f p g a 、p c i 桥片、d s p 、a d 和d a 五大部分组成，其中 f p g a 选用a l t e r a 公司高性能低功耗c y c l o n ei i i 系列芯片，p c i 桥片选用 p l x 公司3 2 b i t 6 6 m h zp c i 9 0 5 6 芯片，d s p 选用t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯 片，a d 选用a d i 公司1 6 b i t2 0 0 k s p s 高精度高速采集芯片a d 9 7 4 ，d a 选 用双通道8 位、缓冲电压输出芯片a d 5 3 0 2 。该板卡工作过程是：板卡上电后， p c i 9 0 5 6 向f p g a 发出指令控制d a 产生诊断信号，诊断信号经由板卡各级 模拟通路后环回到f p g a ，然后f p g a 把采集到的诊断信号送入d s p ，d s p 再 通过f p g a 把数据送回c p c i 总线，完成整个板卡硬件的自诊断。自诊断完成 后，d a 处于非工作状态，各信号由井下电缆送入，经过多级滤波放大后进行 9 兰州大学硕士学位论文 a d 采集，f p g a 完成t e n s i o n 、m m d 和c c l 等信号的采集和e n c o d e r 信 号的处理，最终把数据送入d s p 进行预处理，经d s p 处理好的数据由c p c i 总线送回主控制器。 同时，板卡对关键信号点留有信号观测点，通过多路开关电路设计方式最终 以示波器信号方式引出，可以直接连接示波器，在软件的操作下对其进行实时的 观测。 图3 1 为数据采集卡主要功能结构框图，图3 2 为数据采集卡详细功能结构 框图。 图3 1 ：数据采集卡主要功能结构框图 图3 2 ：数据采集卡详细功能结构框图 l o 兰州人学硕i ：学化论文 3 4 数据流向 数据采集卡共设计了五种数据传输模式，每种传输模式的数据流向如下： ( 1 ) 正常模式：a o ( 数据来自外部接口) f p g a 寄存器 d s p d p r a 洚一 p c i 9 0 5 6 p c i 9 0 5 昏一 d p r a m - 一 d s p 当d s p 写完d p r a m 后，产生c p c i 中断。 当p c l 9 0 5 6 写完d p r a m 后，产生d s px i n t 中断。 ( 2 ) 自检模式l ：p c l 9 0 5 6 一 d a a d 一 f p g a 寄存器一 p c i 9 0 5 6 ( 3 ) 自检模式2 ：a d ( 数据来自外部接口) f p g a 寄存器 p c i 9 0 5 6 ( 4 ) 自检蒯毫式3 ：p c i 9 0 5 6 一 d p r a m 一 d s p 一 d p r a m 一 p c i 9 0 5 6 p c i 9 0 5 6 写完d p r a m 给d s px i n t 中断，d s p 写完d p r a m 给c p c i 中断。 ( 5 ) 自检模式4 ：p c i 9 0 5 6 一 f p g a 寄存器一 u s e l 一l e d 、u s r zl e d 指示灯 间隔5 s 循环点亮 以上几种传输模式通过f p g a 寄存器设置并结合p c i 9 0 5 6 驱动程序共同 完成，通过这些模式的工作返回状态，可以对硬件各部分的设备完成诊断功能。 ：皇州人学硕- ：学位论文 4 1 芯片的选型 4 数据采集卡硬件设计 在明确板卡功能需求的情况下，我们通常要进行方案的设计，这就需要我们 做好关键器件选型的工作，芯片选型我们从以下几点做了考虑。 ( 1 ) 功能： ( 2 ) 整个板卡电平、供电电源的兼容性： ( 3 ) 性能参数； ( 4 ) 功耗： ( 5 ) 国内供货情况以及价格； ( 6 ) 是否停产或即将停产： ( 7 ) 可靠性： ( 8 ) 可维护性： ( 9 ) 其它。 4 2 电源设计 在任何一个电子系统中，电源设计的稳定性是保证系统正常工作的首要因 素。电源设计需要注意纹波和输出功率等，电源的不稳定会影响到：芯片工作的稳 定性，功率不够则会导致板卡不能正常工作，因此电源设计要求有充足的滤波电 路，并对电源功率留3 0 左右的容量，防止意外情况的发生。本板卡共有1 2 v ， + 5 v + 3 3 v ，+ 2 5 v ，+ 1 8 v 和+ 1 2 v 几种电源，我们通过对关键芯片的功耗计 算，对各种电源进行了如下措施。 ( 1 ) 模拟电路所用1 2 v 电源直接取自背板供电，采用2 a 保险管做瞬时 电流保护，用磁珠做模数电压的隔离，防止干扰，用钽电容加无极性电容的方式 做好电源去耦处理。 ( 2 ) 模拟电路所用+ 5 v 电源直接来自背板供电，采用2 a 保险管做瞬时电 流保护，用磁珠做模数电压的隔离，防止干扰，用钽电容加无极性电容的方式做 兰州大学硕一l ：学位论文 好电源去耦处理。 ( 3 ) 板卡数字部分所用3 3 v 直接来自背板供电，采用2 a 保险管做瞬时电 流保护，用磁珠做模数电压的隔离，防止干扰，用钽电容加无极性电容的方式做 好电源去耦处理。 ( 4 ) d s p 所用1 8 v 电源由电源转换芯片s p x 2 8 1 5 a t 转换背板5 v 产生， s p x 2 8 1 5 a t 芯片最大输出1 5 a 电流。 ( 5 ) f p g a 所用1 2 v 电源由电源转换芯片l t l 9 6 3 a e s 8 转换背板3 3 v 产生，l 1 1 9 6 3 a e s 8 最大输出1 5 a 电流。 ( 6 ) f p g a 和p c i 9 0 5 6 所用2 5 v 电源转换芯片s p ) ( 2 8 1 5 a 1 - 2 5 转换背板 5 v 产生，s p x 2 8 1 5 a t - 2 5 最人输出1 5 a 电流。 ( 7 ) 前面板预留电源指示灯，监测+ 3 3 v 、+ 5 v 和+ 1 2 v 三种主要电源，实 时有效的反映板卡的供电情况。 在设计上，各器件都需要电源供电，这些管脚上均增加了电容网络，多由 o ，l u f 与0 0 1 u f 电容组成，部分器件按用户手册建议添加更大容量的钽电容1 0 u f 或1 0 0 u f 。此外，c p c i 总线规范要求在c p c i 接插件的电源管脚附近添加去耦 电容：5 v 、3 3 v 、v i o 、1 2 v 电源均需添加1 0 u f 的去耦电容，且每1 0 个电源 管脚需添加一个o 1 u f 的小电容，对于1 2 v 电源，如果未使用，1 0 u f 电容可以 省略不用，但必须添加0 1 u f 电容【4 】o 4 3 时钟设计 数字电路里，时序的同步对系统的稳定性起着关键性的作用。本板卡有 p c i 9 0 5 6 、f p g a 和d s p 三种芯片需要时钟设计，为保证时序的同步设计，全 部采用3 3 m h z 时钟，在实际p c b 设计中，p c i 9 0 5 6 和f p g a 距离较近，所 以共用一片有源晶振，d s p 单独使用一片有源晶振。 鉴于时序对于数字系统的重要性，应特别注意时钟源的电路设计，注意其信 号的完整性，使其能稳定正常的工作，否则，时钟源出现问题则整个系统都无法 正常工作。图4 1 给出p c i 9 0 5 6 和f p g a 的时钟电路，电源设计上采用l c 滤 波电路保证晶振电源的稳定性，时钟输出端串接2 2 欧姆电阻。能够有效的抑制 谐波和反射波的干扰。 1 4 兰州大学硕士学位论文 4 4 复位电路设计 图4 1 ：p c i 9 0 5 6 和f p g a 时钟电路 本板卡复位信号来源共有三种，复位按钮硬复位、工控机端c p c i 总线软复 位和板卡电源监测自动复位。出于f p g a 是整个板卡的控制中心，所以以上三 种复位信号无论哪路信号引起复位，都送入f p g a ，f p g a 做全局复位处理，负 责d s p 、a d 、d a 等所有板卡设备的复位。其中由于d s p 对上电时序要求较 高，不稳定的电源会引起d s p 不能正常工作，所以板卡中使用了一片电源监测 芯片对3 3 v 和1 8 v 电源进行监测，当这两种电源不稳定时系统自动进行复位。 图4 2 为板卡复位电路功能框图。 c p c i 建b s 毛1 图4 2 ：复位电路功能框图 兰州大学硕： ：学位论文 4 5f p g a 控制器的总体设计 本板卡的数字系统共有两个主控制器，分别为数据采集板卡上的d s p 和 c p c i 总线上的c p u 主控机，板卡使用p c i 9 0 5 6 桥片实现c p c i 总线与局部 总线问的转化，d s p 与c p c i 总线通过中断方式实现数据交换。其中f p g a 调用q u a r t u s 软件自带i p 核实现3 2 k 双口r a m ，并把双口r a m 分成 大小相等的两部分，一部分用于c p c i 总线向d s p 传输数据，另一部分用于 d s p 向c p c i 总线传输数据，避免了仲裁的使用和数据的丢失。f p g a 作为数 据采集板卡数据中转站的同时，主要实现a d 数据的采集，e n c o d e r 脉冲信号 的去抖动处理、计数和相位判断。f p g a 实现功能框图如图4 3 所示。 图4 3 ：f p g a 实现功能框图 本设计使用的f p g a 为a l t e r ac y c l o n ei i i 低成本低功耗高性能系列芯片， 在近几年及未来几年具有很好的先进性及市场推广性。结合我们的实际需求具体 型号我们选定为e p 3 c 1 0 f 2 5 6 1 7 ，采用f b g a 封装，共有2 5 6 个引脚，最多1 8 1 个用户i o 引脚，内置4 6xm 9 k 个r a m 块，2 个p l l ，从功能、功耗、稳定 性等方面均满足我们的设计需求【7 】【引。 f p g a 配置芯片采用专用配置芯片e p c s 4 ，设计了a s ( 主动配置方式) 、 j t a g 两种配置方式，j t a g 用于在线仿真调试，a s 用于最终f p g a 程序的 烧录。 1 6 兰州人学硕上学位论文 4 6c p c i 接口电路设计 本板卡设计中使用了p c i 专用接口芯片p c i 9 0 5 6 实现f p g a 与c p c i 总 线之间的通信。电路结构如图4 4 所示： 缎 翻 _ r j 厶 。 图4 。4 ：c p c i 接口电路 p c i 9 0 5 6 是3 2 b i t 6 6 m h zp c ii o 加速器，由于p c i 9 0 5 6 比较成熟、通用、 性价比较高，理想状态下猝发式模式传输可达2 6 4 m b y t e s ，完全满足设计要求。 因此，本系统最终采用这款j 卷片【9 1 1 1 0 1 。 在具体设计中，p c i 9 0 5 6 可以有m a s t e r 和s l a v e 两种工作方式，m 模式、 c 模式和j 模式三种配置模式。其中m a s t e r 方式用于主控设备，s l a v e 方式用 于智能l o 子板卡。其中m 模式是专为m o t o r o l a 公司的一款处理器芯片 设计的。c 模式和j 模式的区别为：j 模式下本地数据地址线为复用方式，而 c 模式数据线与地址线独立使用。本板卡设计p c i 9 0 5 6 工作在c 模式，数据 传送为s l a v e 方式，c p c ib u s 端为3 2 b i t 数据线，3 2 b i t 地址线，l o c a lb u s 端由于为了与d s p 相对应，数据线地址线均只使用1 6 b i t ，因此l o c a lb u s 端 寻址空间为0 x 0 0 0 0 0 x f f f f 9 l 【1 0 1 。 上述描述中，工作方式与配置模式通过硬件电路上的设计即可完成配置，而 l o c a lb u s 端的寻址空间大小及地址则需要通过软件配置p c i 配置空间设置， 我们在设计中把这部分信息烧录在p l x 9 0 5 6 外接的串行e e p r o m 中，板卡上 电后则配置信息自动从e e p r o m 中加载。 串行e e p r o m 与p c i 配置空间地址的对应关系见图4 5 ，其中我们最为关 注的即l o c a lb u s 端的寻址空间大小及地址的配置信息就通过e e p r o m 中偏 移量地址为1 4 l 广l a h 的四个寄存器设置。 兰州大学硕：i ：学位论文 8 e r i a l e p r o 酗 日 o f f s e td 0 n p nr e g i s t e rb i t = a f f e c t e d o hp c id e 诵c e i d p c i i d r 3 1 ：1 6 l 2 hp c iv “y j o fi o p c i i d r is ：q 4 hp c ic l a s sc o d e p c i c c r 2 3 ：8 】 6 h p c ic l a s sc o d e p c ir e v i s i o ni d p c i c c r 7 ：0 lip c i r e v 7 叫 e hp c im a x i m u ml a - 舭y ，p c im i n i m u mg r a n t p c i m l r 7 ：0 】，p c i m g r 7 ：0 】 a h p c i i n t e r r u p t p i n i p c ! i n t e t r u 讲l l 膏 p c i i p r 7 ：0 1 ，p c i i l r 7 ：q c h m s wo fm a d b o x0f 映罅rd o f i n e d ) m i o x 0 3 1 ：1 q e h l s wo fm a j i b o x0f u 蝴d e l i n , e d ) m b o x o 1 5 ：0 】 t o hm s wo fm a i l b o x u s e rd 舐d ) m b o x l 伶1 ：1 q l 拍 l s wo fm a i l b o x u s e rd e l l n e d ) m s o x l 【1 5 ：0 i 1 4 1 1 m s w 。fd i r e c ts l a v el o c a la d d r e s ss p a 0r a n g e l s o r r p l ：1 q 1 6 h l s w o f d r e c t s l a v e l o c a l a d d r e s s s p s c e 0 r a n g el a s o r p , i s ：0 l 1 8 1 1m s w 。f 瞵悖as l a v el o c a la d d r e s ss 岬0l o c a lb 鹄oa d d m s sc r 甜r i a p l s o e a m ：t 6 l hl s wo fd w e c is l a v el o c a la d d r e s s 驰0l o c a l 嘶a d d r e s a i r e m a p l l a $ 0 b a 1 5 ：2 0 lr u e , t 制t 【l c hm s wo f 刊k 由m a r b i t r a t i o n m a r b r 3 1 2 9 ：1 6 l o rd i d a a r 耳9 t ， 2 口：1 6 1 r 嚣e r w dr j o l 1 卧l s wo fm o d a d m a r b l t r a t i o u m a r b r t 5 - 0 】o rd m u l r 1 s 捌 l o c a lh 捕s c e l l a n e 湖c o r m o l2 l m i i s c 2 s ：o lr e j m n , e d r 7 ：q ， 2 0 h s e r l a ie e p r o mw d t o p m t = ；c t e da d d r 斟b 翻m 血理p r o u r f _ a 6 ：0 i r e m r v e d 【7 l l o c a lm 0 c 剖l a n e o t 雎c , o n t r 。ii ， 2 幼 i s c 【7 捌b i g e n d 匝o l l o c o lb u sb 哪l i t t l ee n d k nd e s c r i p t o r 2 4 hm s wo fd i r e ts l a v ee x p a n s j o nr o m 风狮筘 e r o m r r ? t ：1 6 l e r o m r r 1 5 ：1 1 0 l 2 鞠 l s w o fd i r e c ts l a v e 脚甜l s b nr o m 恕n 归 r e r v e d 【t o ：l 】 2 柏 e r o m 9 3 1 ：1 田 m s wo fd i r e c ts l a v ee 耳磕喇o nr o ml o c a lb r a ea d d r 靠sf r e m 冲) a n db r e o oc o n n l 。i 2 h e r o m b 【1 5 ：1 1 ，5 秭， l j s w0 1d k = ts l a v ee x p a n = 汹r o mb 瞳缸的a d d r e s s 沁t 婶 a n db r e o oc o n t r e e r v e d 【1 0 ：6 | 2 i 。i m s w 。fb 国ia d d r e s s8 p a c e6 4 ；x p a n s l o nr o m8 峙r e 3 i o nd e e c d p t o r 1 2 r d t 【s 1 1 q 2 e hl s wo fl o c a la d d r e s ss p a c e0 ：e 0 a n s i o nr o mb u sr 蝴i o nd c n 脚r i b r h l l 5 ：0 l 9 m s wo fl o c a lr a n g ef o rd k 2 t p d ( t r 为信号上升时间，r p d 为信号线传输延时) ，那么二次反射 波会在一次信号波稳定之前到达负载并与一次波叠加，也利于削弱信号反射的影 响【1 9 】1 2 3 】【2 4 】【2 5 2 6 。 在本板卡设计中，结合上述理论基础分刖在p c b 走线和端接上做了如下处 理。 ( 1 ) p c i 9 0 5 6 和f p g a 之间的链路为端对端单点连接，信号线依靠层叠结 构设计中的阻抗计算很容易达到阻抗匹配，我们只要控制线长，则可以有效的抑 制信号反射，在设计中这部分的走线都控制在了3i n c h 之内，在p c b 中信号平 均传输速度为1 8 0 p s i n c h ，所以2 t p d 远小于1 1 s 级的t f ，信号反射的影响可忽 略。 ( 2 ) d s p 的外部接口同时要访问f p g a 和s r a m ，不可避免的在线路上 产生了分支，在此我们设计了星型的电路拓扑结构，并在靠近d s p 端的交叉点 处串联2 2 欧姆电阻，利用电阻自身的阻尼振荡特性消除走线分支处阻抗不连续 产生的信号反射，以求使信号反射造成的影响达到最小，见图5 3 。 图5 3 ：星型拓扑结构 3 3 兰州大学硕士学位论文 ( 3 ) 在设计中信号线长于3i n c h 的信号线我们在信号源端均串联2 2 欧姆电 阻，如果信号线通过连接器引出板外，则串联1 0 0 欧姆电阻。信号线上过孔均采 用2 0 l o m i l 过孔，单线线宽5 m i l ，阻抗6 5 欧姆，阻抗公差控制在1 0 ，差分 线线宽5 m i l ，间距6 m i l ，阻抗1 0 0 欧姆，阻抗公差控制在1 0 。 ( 2 ) 信号串扰 串扰即信号能量耦合至其它信号而产生的噪声干扰，主要来源于信号间的互 感和互容。串扰会导致信号路径的特征阻抗及传播延迟的变动，影响信号的完整 性和时序，严重时会导致信号传输的错误甚至系统完全不能运行【1 9 】( 2 3 】f