（光学工程专业论文）激光陀螺姿态测量系统中高速数据采集与传输研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 论文根据激光陀螺姿态测量系统中高速数据传输的实际需求，对基于p c i 总 线的数据采集与传输的实现方法进行了深入研究，利用p c ii p c o r e 实现了基于 f p g a 的p c i 主、从模式接口，设计并制作了p c i 扩展卡和p c 1 0 4 - p l u s 扩展板， 进行了实验测试。实验表明，该接口符合p c i 协议的要求，实现了姿态测量系统 数据的高速传输。 论文首先分析了实现p c i 接口的主要方法，确定了使用f p g a 和p c ii p c o r e 来实现p c i 接口的设计方案，将其他用户逻辑与p c i 接口逻辑集成于单片f p g a 芯片上，提高了系统的集成度。 其次，在深入理解p c i 总线协议的基础上，分析了p c i 主、从模式接口的性 能特点和设计难点。按照a l t e r a 公司提供的p c im t 3 2m e g a c o r e 在p c i 主、从模式 存储器读写交易中的时序，利用状态机设计了p c i 本地端主、从模式控制逻辑电 路和d m a 控制逻辑电路，并在q u a r t u si i 软件中进行了时序仿真，确保了所设计 逻辑电路的时序与p c im r 3 2m e g a c o r e 的时序要求一致，实现了p c i 接口在主、从 模式下的突发传输以及在从模式单周期存储器读写交易中可达到的1 8 8 6 m b s 和 2 2 m b s 的最高传输率。 最后，基于p c i 和p c 1 0 4 - p l l l s 总线电气规范，选用a l t e r a 公司的c y c l o n e 和c y c l o n e i l i 系列f p g a 分别设计了p c i 扩展卡和p c 1 0 4 - p l u s 扩展板，利用p c i 接口调试软件p c m e e ，在台式计算机和p c 1 0 4 嵌入式计算机上分别对板卡进行了 传输速率和可靠性测试，测得由台式计算机或p c 1 0 4 计算机作为主设备时，所设 计p c i 接口在单周期存储器写交易中的传输速率为1 8 9 m b s 或1 6 5 m b s ，且长时 间传输稳定可靠。 主题词：p c i 接口；d m a ；f p g a ；i p c o r e ；状态机；时序仿真；姿态测量 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c i a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fh i 曲s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ni nl a s e rg y r o a t t i t u d e & h e a d i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h em e t h o do fi m p l e m e n t i n gd a t as a m p l i n ga n d t r a n s m i s s i o nb a s e do np c ib u sh a sb e e ns t u d i e d t h ep c im a s t e r t a r g e ti n t e r f a c eb a s e d o nf p g ah a sb e e ni m p l e m e n t e dw i t hp c ii p c o r e i na d d i t i o n , t h ep c ia d d i nc a r da n d p c 1 0 4 一p l u sa d d - i nb o a r d h a v eb e e nd e s i g n e da n dm a d e s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e n c a r r i e do u t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep c i m a s t e r t a r g e ti n t e r f a c ec o m p l i e sw i t ht h ep c i p r o t o c o l ，e n a b l e i n gt h eh i 曲s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ni na t t i t u d e & h e a d i n gm e a s u r e m e n t s y s t e m f i r s t l y ，t h es c h e m et h a ti m p l e m e n t sp c ii n t e r f a c e 晰mf p g aa n dp c ii p c o r eh a v e b e e nc h o s e na f t e ra n a l y z e dt h em a i nm e t h o d sa b o u tt h a t ，w h i c hi n t e g r a t e st h ep c i i n t e r f a c el o g i cw i t ho t h e ru s e rl o g i co ns i n g l ef p g ac h i p ，i m p r o v i n gt h ei n t e g r a t i o n d e g r e eo f t h es y s t e m s e c o n d l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep c im a s t e r t a r g e ti n t e r f a c ea n dd i f f i c u l t i e si n d e s i g n i n gh a v eb e e na n a l y z e do nt h eb a s eo fc o m p r e h e n d i n gt h ep c il o c a lb u s s p e c i f i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h et i m i n go fp c i _ m t 3 2m e g a c o r ef u n c t i o nf r o m & i t e m c o r p o r a t i o nf o rp c im e m o r yr e a d w r i t et a r g e tt r a n s a c t i o na n dm e m o r yr e a d w r i t em a s t e r t r a n s a c t i o n , t h ep c il o c a lt a r g e tc o n t r o ll o g i c ，t h ep c il o c a lm a s t e rc o n t r o ll o g i ca n dt h e d m ac o n t r o ll o g i ch a v eb e e nd e s i g n e dw i t hs t a t em a c h i n e n l et i m i n gs i m u l a t i o n so f t h el o g i cc i r c u i t sh a v eb e e ne x e c u t e db ys o f t w a r eq u a r t u si ii no r d e rt og u a r a n t e et h a t t h e i rt i m i n gi st h ef a m ea sp e i - m t 3 2m e g a c o r ef u n c t i o n t h eb u r s tt r a n s f e ro fp c i i n t e r f a c ei nm a s t e ra n dt a r g e tm o d ei sc a r r i e do u t ，a n dt h eh i g h e s tt r a n s m i s s i o nr a t e so f p c ii n t e r f a c ei ns i n g l e c y c l em e m o r yr e a d w r i t et a r g e tt r a n s a c t i o na r ea c h i e v e d ，w h i c h a r e18 8 6 m b sa n d2 2 m b s f i n a l l y ，t h ep c ia d d i nc a r da n dp c 10 4 一p l u sa d d - i nb o a r dh a v eb e e nd e s i g n e d 、撕也c y c l o n ei ia n dc y c l o n e i f p g ar e s p e c t i v e l yb a s e do nt h ee l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o n o ft h ep c ia n dp c 10 4 一p l u sb u s ，a n dt h e i rt r a n s m i s s i o nr a t ea n dr e l i a b i l i t yh a v eb e e n t e s t e dw i t hs o f t w a r ep c i t r e eo nd e s k t o pc o m p u t e ra n dp c 1 0 4e m b e d d e dc o m p u t e r r e s p e c t i v e l y 1 1 1 et r a n s m i s s i o nr a t eo fp c ib u si ns i n g l e c y c l em e m o r yw r i t et r a n s a c t i o n i s1 8 9 m b sw h i l ed e s k t o pc o m p u t e ro p e r a t e s 嬲m a s t e ra n d1 6 5 m b sw h i l ep c 1 0 4 c o m p u t e ro p e r a t e sa sm a s t e r i na d d i t i o n ，t h eb o a r d sa r es t e a d ya n dr e l i a b l ei nl o n gt i m e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1p c i 总线命令1 5 表2 2同步f i f o 端口说明2 3 表2 3 本地端从模式控制逻辑状态机状态说明”2 8 表2 4c s r 的定义一3 l 表2 5i s r 的定义一3 2 表2 6d m a 控制器状态机状态说明3 4 表2 7 主模式控制逻辑状态说明3 9 表3 1p r s n 硎引脚的设置定义4 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图目录 激光陀螺捷联姿态测量系统原理示意图2 姿态测量电路结构示意图n4 基于p c 1 0 4 总线的信号处理电路”5 基于p c 1 0 4 - p l u s 的信号处理电路5 p c i 系统结构图”7 p c i 总线信号1 1 配置空间头标区”1 3 p e i _ m t 3 2m e g a c o r e 功能框图1 9 f p g a 逻辑电路功能框图2 0 数据采集模块结构框图2 l 同步f i f o 2 3 单口r a m 2 3 从模式单周期存储器读交易2 5 从模式单周期存储器写交易”2 6 本地端从模式控制逻辑状态机状态转移图2 8 从接口单周期存储器读交易3 0 从接口单周期存储器写交易3 0 d m a 控制器状态机状态转移图3 3 主模式突发存储器读交易3 6 主模式突发存储器写交易“3 7 本地端主模式控制逻辑状态机状态转移图3 8 p c i 主模式存储器突发读交易仿真时序”4 0 p c i 主模式存储器突发写交易仿真时序4 0 p c 1 0 4 p l u s 连接器“4 4 p c i 扩展卡边缘连接器”4 5 p c i 和p c 1 0 4 - p l u s 扩展板电路结构框图4 7 1 2 v 电源4 7 2 。5 v 电源- 4 7 3 v 电源一4 8 3 3 v 电源4 8 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 配置电路连接方式4 8 p c i 扩展卡4 9 p c 1 0 4 p l u s 扩展板”4 9 p c i 扩展卡安装图5 2 p c i t r c e 软件主界面5 3 p c i t r e e 读存储器的操作界面”5 3 p c i 总线在单周期写交易中信号波形5 3 p c i 总线在突发读交易中信号波形5 4 p c i 总线在突发写交易中信号波形5 4 p c 1 0 4 p l u s 扩展板与p c 1 0 4 计算机通信实验5 5 系统对p c i 接口的初始配置结果5 6 重新配置后p c i 接口的配置结果5 6 s i g n a l t a pi i 捕获到的p c i 总线信号波形5 7 p c i 总线上的时钟信号波形5 8 单次单周期存储器写交易中f r a m e # 信号的波形5 8 连续多次单周期存储器写交易中f r a m e # 信号的波形5 8 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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。 学位论文作者签名：垒望登整日期：幻口1 年l 儡月1 日 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀f 匕 1 1 论文研究背景及研究意义 1 1 1 激光陀螺捷联姿态测量系统原理 近年来，随着计算机技术、控制理论、精密工程、微电子技术以及材料科学 和传感技术的突飞猛进，惯性技术也获得了飞速的发展。姿态测量是惯性技术应 用的一个重要领域，利用角敏感传感器( 陀螺仪) 测量载体的角运动信息，通过 解算获取载体的运动姿态，包括航向、俯仰、横滚等姿态信息，用于载体的姿态 测量、控制或跟踪中，广泛应用于空间飞行器、航空电子系统、平台稳定、资源 勘探等领域【l j 。将惯性系统中的惯性仪表刚性地固连在运载体上，依靠计算机建成 数学平台，以取代平台式惯性系统的物理平台，加上相应的硬件和软件，便构成 捷联式惯性系统。与平台式惯性系统相比，捷联式系统具有结构简单、体积小、 重量轻、可靠性高、可提供的信息多和成本低等一系列优点，因此它的应用越来 越广，在惯性系统中，其应用比例已显著超过了平台式 2 1 。 激光陀螺是一种光学陀螺，通过光波频率差测量角速度，是一种新型的惯性 器件。它排除了普通机电陀螺的许多误差源，如g 和孑效应、交叉耦合效应等， 具有精度高、启动时间短、动态范围大、比例因子线性度好、随机游走误差小、 可靠性高、直接数字量输出等诸多特点，可自主实现对载体姿态的精确测量，非 常适合在姿态测量系统中应用。 激光陀螺捷联姿态测量系统用于测量载体处于停止或运动状态下的偏航角、 纵摇角和横摇角三个姿态角随时间的实时变化情况，并进行相应的数据记录和处 理。整个系统主要由姿态测量单元、位置测量和时统模块、电源模块以及配套设 备等组成，其原理框图如图1 1 所示。 各组成部分的功能和结构如下： ( 1 ) 姿态测量单元：是系统的核心设备，完成载体的三个姿态角测量的功能。 由姿态测量模块、g p s 时间和b 码时标数据采集模块、姿态解算和处理计 算机、二次电源等组成。 ( 2 ) 位置测量和时统模块：提供载体的位置坐标和标准时间信息，并给姿态测 量单元提供载体所处位置的地理纬度信息。 ( 3 ) 电源模块：用于将不同的供电电源转换为姿态测量单元所需的输入电源。 ( 4 ) 配套设备：完成系统的辅助功能。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 激光陀螺捷联姿态测量系统原理示意图 系统的工作过程如下：在载体静止状态下，系统开机后进行自检和初始对准， 加速度计、陀螺仪以及g p s 接收机开始工作，姿态测量单元中的姿态解算和处理 计算机对这些设备输出的信息进行处理后，计算出载体的初始姿态角和偏航角。 然后无论载体处于停止或运动状态，三个相互垂直安装的激光陀螺将载体在三个 方向上的角度变化量以频率信号的方式输出，经过激光陀螺输出信号处理电路的 处理后输出与三个角姿态变化量成正比的数字信号：而三个相互垂直安装的加速 度计则将载体在三个方向上的速度变化量以电流信号的方式输出，经过i f 转换后 输出与三个角加速度变化量成正比的数字信号。系统的信号处理电路对这些信号 进行采集和处理后，结合载体的初始姿态角和偏航角，通过姿态解算计算机的求 解与处理可以实时得到载体的三个角姿态信息。 为了克服激光陀螺的闭锁效应，需要人为地给激光陀螺施加一偏置角速率， 使其工作点全部或大部分时间从锁区中偏置出来。应用最广泛的偏频方案是机械 抖动偏频，通过加入交变的正弦机械抖动使陀螺大部分时间工作在锁区之外，从 而减小闭锁误差。但是施加机械抖动之后，陀螺输出的信号中不仅包括t # b 界惯 性输入角速率信息，还包含抖动信号的角速率信息。因此，必须对输出进行解调， 剥除机械抖动信号。抖动解调的方法一般有整周期采样法和数字低通滤波法l j j 。前 者使数据采样周期与陀螺抖动周期同步，整周期内抖动偏频正负抵消，从而消除 偏频影响。其缺点是导航解算周期与抖动周期不同步，造成数据采样周期与导航 解算周期不同步，从而带来较大的解算误差。随着数字信号处理技术的发展和嵌 入式计算机技术的进步，数字低通滤波法成为可能【4 】。激光陀螺信号带宽一般为o 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 0 0 h z ，而激光陀螺抖动信号的频率是相对固定的，且比激光陀螺信号的频率高， 如某单位生产的9 0 型机抖激光陀螺的抖动频率一般为3 5 0 , - - 4 5 0 h z ，5 0 型机抖激光 陀螺的抖动频率更高一些，利用两者之间较大的频率差，对陀螺输出信号进行高 速采样、低通滤波就能够滤除抖动偏频引入的信号，从而实现抖动解调【3 】。对陀螺 输出信号的采样频率要求比陀螺抖动频率高两倍以上，一般取倍。 捷联惯性系统中的惯性仪表直接固联在载体上，承受外界环境的冲击，会产 生很多误差。其中惯性仪表感受到角振动和线振动所引起的动态误差是影响捷联 惯性系统精度的重要因素。圆锥运动是角振动的作用结果，它的产生会给捷联导 航计算带来圆锥误差l 5 j 。为了减小圆锥误差，首先要运用测量频带宽的惯性元件， 其次要提高陀螺信号采样频率或导航计算更新的频率，但更新频率不可能无限制 提高，因为这样会增加计算机解算的负担，所以需要开发圆锥运动补偿算法p j l 6 j 。 文献【7 】给出了锥运动环境下旋转矢量算法中，单子样算法及双子样、三子样、四 子样优化算法的算法漂移，如表1 1 所示。其中，a 为锥运动半锥角，为角速度， h 为姿态更新周期。从表中可以看出，算法漂移与姿态更新周期的大小是幂次关系， 而姿态更新周期是陀螺信号采样周期的整数倍，所以算法漂移与陀螺信号的采样 频率密切相关。 表1 1 算法漂移比较 算法算法漂移 单子样 窖( 2 优化双子样 嘉( 砌) 4 优化三子样 2 0 4 竺12 0 ( 砌) 6 优化四子样 82、7 5 3 ，( 砌) 8 1 1 2 姿态测量系统中的数据传输 姿态测量单元是激光陀螺捷联姿态测量系统的核心设备，它完成载体的三个 姿态角测量的功能，其结构示意图如图1 2 所示。 姿态测量单元中的信号处理电路主要是测量激光陀螺电路和加速度计电路输 出的脉冲信号频率、对经由时统设备输入的秒脉冲进行标准时间测量以及对测温 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 电路的输出进行a d 转换等。姿态解算和处理采用p c 1 0 4 嵌入式计算机，其主要 作用是进行姿态解算、存储数据以及对姿态测量单元进行控制和管理等。 图1 2 姿态测量电路结构示意图 信号处理电路和p c 1 0 4 计算机之间通过p c 1 0 4 总线进行通信，信号处理电 路将测量到的载体姿态测量数据、时间测量数据和温度测量数据通过p c 1 0 4 总线 发送至p c 10 4 计算机供姿态解算和产生姿态测量单元控制信号使用，而p c 1 0 4 计算机则通过p c 1 0 4 总线将控制信息发送至信号处理电路。由此可见，p c 1 0 4 总 线是联系前端测量模块与后端数据处理与存储模块的纽带，在整个姿态测量系统 的数据传输中起着关键性的作用，它的性能直接影响到整个系统的数据传输率， 继而影响到测量系统的数据采样频率和测量精度。 p c 1 0 4 总线是为了使i s a 总线能够在嵌入式系统中应用而设计的紧凑型i s a 总线标准峭j 。i s a 总线是i b m 公司1 9 8 4 年为推出p c a t 机而建立的系统总线标准， 所以也叫a t 总线。i s a 总线支持6 4 k bi o 地址空间，1 6 m b 存储器地址空间，8 位或1 6 位数据存取，8 m h z 最高时钟频率和1 6 m b s 的峰值传输率【9 】。在实际应用 中，i s a 总线的实际传输率为1 5 m b s , - 4 m b s 1 0 - - 1 2 j 。从2 8 6 到p e n t i u m 的各代微机， 大都采用了i s a 标准总线。不过随着技术的进步和计算机性能的提高，目前i s a 总线已逐渐被淘汰，多数新型计算机主板上已经不再提供i s a 总线。 从上一小节的分析可知，陀螺信号的采样频率与抖动解调和圆锥误差有着密 切的关系。由于p c 1 0 4 总线的传输率低，随着姿态测量系统性能的提高，基于 p c 1 0 4 总线的数据传输会对姿态测量系统的激光陀螺信号和加速度计信号采样频 率产生限制，进而对系统的测量精度产生限制。信号采样频率越高，在单位时间 内产生的数据量就越大，对总线传输率的要求也就越高。总线传输率还会影响计 算机进行姿态解算的时间，传输率低，留给计算机进行姿态解算的时间就短。所 以，p c 1 0 4 总线不能完全满足姿态测量系统升级的需求。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 目前计算机上主流的总线是v o o 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 ) 总线和 p c i - e x p r e s s 总线，p c i 总线在性能上较i s a 总线有了大幅的提高。p c i 总线的一 个突出特点是传输率高，当位宽为3 2 位，频率为3 3 m h z 时，它的峰值传输率可 达1 3 2 m b s ，是i s a 总线的8 2 5 倍。此外，p c i 总线还具有支持突发传输和d m a ， 与处理器存储器子系统并行操作，独立于处理器，自动配置，低功耗等优点。所 以p c i 总线特别适合于高速数据采集领域的数据传送，它可以解决原有的i s a 总 线数据传输率低带来的瓶颈问题。 将p c i 总线应用于激光陀螺姿态测量系统，可以满足系统的数据传输要求， 其优势体现在三个方面：第一，有利于提高系统的最大信号采样频率，为进一步 提高系统的测量精度打下基础：第二，传输测量数据所需的时间将大为缩短，可 以为计算机进行姿态解算预留更多的时间，从而可以采用更复杂的方法进行姿态 解算，减小姿态解算误差；第三，不同抖动频率的激光陀螺，需要采用不同的采 样率进行抖动信号解调，p c i 总线可适用于更高抖动频率激光陀螺的信号处理要 求，有利于拓展姿态测量系统的应用领域。所以，研究基于p c i 接口的数据采集 与传输的实现方法，对提升激光陀螺姿态测量系统的性能具有较高的应用价值。 实现基于p c i 接口的数据采集与传输只需对信号处理电路做少量改动即可， 姿态测量单元中的其它电路不用作任何改动。基于p c 1 0 4 总线的信号处理电路结 构图如图1 3 所示；基于p c 1 0 4 - p l u s 总线的信号处理电路结构图如图1 4 所示， p c 1 0 4 p l u s 总线是为了将p c i 总线应用于嵌入式领域而设计的紧凑型的p c i 总线。 嚣温电瘩 接口电路 吲 缈鼍 一箍卜 b 孵荔 吲 毳 ，； 堋 ： 萋! 髟。 - l 黟k 一 m w 删、 圈 p c 1 0 4 1 f i t l i - 7 l 箍荔铲 税，l 髓 囫斟簇耙一 l i 奄黑嘲 盛线接 一l 翻 舒横辘 隔。 7 斟一 蝴* 翰 - 融网 一t k 7 l 磁 俨 垅。渤 曩 ： ，么 ；。班霸 ?争c托哦 p c 1 0 4 - 1 ：, l u s 哪， _ 总线k 总线，t昔峄 接霸7 一蠢 彩 ； 麓臻 ，； ，：趣驴 鼋 图1 3 基于p c 1 0 4 总线的信号处理电路 图1 4 基于p c 1 0 4 p l u s 的信号处理电路 信号处理电路每采样次测量信号，会产生约5 0 字节的数据量。由于p c 1 0 4 第5 页 腓 脚 怖 撇m撇讹撇钠 一 2 3 室 童 室 鲁 脚 抛 掷 撇讹撇讹撇讹 一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 总线的传输率比较低，所以每当信号处理电路采样一次测量信号之后，都要启动 p c 1 0 4 总线将测量数据传输至p c 1 0 4 计算机。而如果采用p c 1 0 4 一p l u s 总线进行 数据传输，则可以每采样4 次测量信号之后再将数据上传至p c 1 0 4 计算机。 1 2p c i 总线体系结构及国内外研究现状 本小节将介绍基于p c i 总线的计算机体系结构以及实现p c i 接口的几个常用 方法，并通过对这些方法进行分析比较，结合实际应用环境，选择合适的设计方 案。 1 2 1 p c i 总线体系结构 p c i 局部总线是i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出的，后来，i n t e l 又联合m m 、d e c 、 a p p l e 、c o n p a q 、m o t o r o l a 等1 0 0 多家p c 工业界主要公司，于1 9 9 2 年6 月成立了 p c i 集团口c is i g ，p c is p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) ，并组成专门小组，统筹、强化和 推广p c i 标准，使其成为开放的、非专利的局部总线标准，称之为1 0 版标准。之 后在此基础上相继推出了2 o 版、2 1 版、2 2 版等，目前最高版本是2 0 0 4 年推出 的3 0 版。 p c i 局部总线是一种高性能的3 2 6 4 位地址数据复用局部总线，支持突发数据 传输( b u r s t ) 为缺省工作模式，可同时支持多组外围设备，不受制于处理器，为中央 处理器存储器与高速外围设备提供一座沟通的桥梁，提高数据吞吐量。p c i 总线 以其优良性能和适应性成为了p c 领域以及嵌入式系统领域的主流总线，广泛应用 于外围控制器件、外围插件板和处理器存储器之间的互连。 p c i 局部总线独立于处理器的特点，使p c i 设备能有效地适应处理器的发展， 并能应用于多处理器结构中【1 3 1 。p c i 局部总线的另一个特点是高数据传输率，当总 线宽度为3 2 位，时钟频率为3 3 m i - i z 时，峰值传输率为1 3 2 m b s ；当总线宽度扩 展到6 4 位，时钟频率为6 6 m h z 时，峰值传输率可达5 2 8 m b s 。而i s a 总线( 1 6 位) 的峰值传输率只有1 6 m b s ，e i s a 总线的峰值传输率也只有3 3 m b s 。可见， p c i 总线相对于原有的i s a 和e i s a 总线，在性能上有了大幅的提高。目前，广泛 采用的是3 2 位、3 3 m h z 的p c i 总线。 典型的p c i 系统结构如图1 5 【1 3 1 5 】所示。北桥芯片连接主处理器总线到基础 p c i 局部总线，也称为主桥芯片，其最主要的功能是把处理器总线周期转换并组织 成p c i 总线周期，同时实现处理器地址空间到p c i 地址空间的映射。南桥芯片连 接基础p c i 局部总线到i s a 总线，它常包含中断控制器、i d e 控制器、u s b 主控 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 制器和d m a 控制器。北桥芯片和南桥芯片构成芯片组。北桥芯片是个关键的 p c i 设备，它提供了一条高速通路，使处理器可以直接访问映射到存储器地址空间 或者i o 地址空间的p c i 设备，也可以让p c i 主设备直接访问主存储器1 1 3 j 。北桥 还提供数据缓冲功能，使得c p u 与p c i 设备可以并行工作而不必相互等待1 1 6 j 。北 桥还可以把c p u 总线与p c i 总线隔离起来，使p c i 总线独立于c p u 。p c i 总线的 所有驱动都由北桥芯片控制。 p c i 局部总线的优良性能使其特别适合于高速数据采集领域的数据传输，在数 字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较 高的应用中，采用p c i 总线来进行数据传输，可以解决原有总线数据传输率低带 来的瓶颈问题。 1 2 - 2p c i 接口实现方法 图1 5p c ! 系统结构图 p c i 接口是连接p c i 设备和p c i 总线的桥梁，任何挂接到p c i 总线上的设备 都必须实现p c i 接口。所以，对p c i 接口实现方法的研究是将p c i 总线应用于高 速数据传输的基础。这方面的研究国外起步比国内早，在9 0 年代，p c i 总线标准 被提出来之后，国外就已经开始了研究。而国内则是在2 0 0 0 年之后才开始对p c i 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 接口的实现方法进行广泛研究，开发基于p c i 接口的数据传输系统。 在实际应用中采用从模式p c i 接口比采用主模式p c i 接口的多，这可能与实 现主模式p c i 接口难度较大有关。但是主模式p c i 接口的传输率比从模式p c i 接 口的传输率要高4 5 倍，因为只有在主模式下p c i 接口才能使用突发传输，而在 从模式下p c i 接口只能使用单周期传输【1 7 1 。突发传输可以比单周期传输节省很多 无谓的地址操作，从而更有效地利用总线带宽来传输数据。在不同的应用环境中， p c i 总线的实际传输率差别比较大，约为1 0 m b s - 1 0 0 m b s 1 妣1 1 。 目前，实现p c i 接口的方法主要有3 个1 刀瞄瑚】： ( 1 ) 将p c i 接口集成到a s i c 芯片中。许多专用集成电路芯片本身就包含了p c i 接口，如网卡、声卡、显卡等。但是带有p c i 接口的a s i c 芯片都是专用 芯片，应用的针对性很强。这种方案只适用于厂商进行芯片的生产，不适 于个人采用。 ( 2 ) 采用专用的p c i 接口芯片，如p l x 公司的p c i9 0 5 2 、p c i9 0 5 4 芯片和a m c c 公司的$ 5 9 2 0 、$ 5 9 3 3 芯片。使用这类专用芯片来实现p c i 接口，优点是 开发周期短，不用设计复杂的接口逻辑，也不需要完全理解p c i 规范的细 节。设计者只需要使用地址线、数据线以及少数几个读写控制信号，就能 实现p c i 总线与p c i 设备之间的连接。缺点是缺少灵活性，而且用户可能 只使用到专用芯片的一部分功能，造成资源浪费，增加成本，在电路中加 入专用芯片会占用电路板资源，不利于系统的集成，对于资源紧张的系统 来说这不是最好的选择。 ( 3 ) 采用f p g a 实现p c i 接口。采用c p l d 或f p g a 等可编程逻辑器件实现 p c i 接口的最大优点在于其灵活性。首先，对于个典型p c i 接口设计来 说，并非要实现p c i 规范中的所有功能，有时只需实现其中的一个功能子 集即可，在设计过程中可根据实际需求进行优化；其次，可以将其他用户 逻辑与p c i 接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计；再者，当 系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新p c b 板。 目前，几乎所有的可编程逻辑器件厂商都提供经过严格测试的p c i 接口功 能模块，即p c ii p c o r e ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) ，如a l t e r a 公司的p c i m a g e c o r e 和x i l i n x 公司的l o g i c o r e 。使用这些p c ii p c o r e 进行设计，能 降低设计的难度。尽管如此，这种方案还是要求设计者对p c i 总线协议有 深入的了解，设计难度较大，调试比较困难。 以上三种方案各有优缺点，具体适用情况也不尽相同，对于一般的应用研究， 采用后两种方案比较合适。而选用第三种方案的设计，大部分都采用了p c ii p c o r c ， 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这样能降低设计的难度。p c i 总线的时序比较复杂，控制信号和数据信号之间的配 合要求很严格。为了解决这个问题，在采用f p g a 实现p c i 接口的设计中，绝大 部分都采用了状态机进行逻辑设计。 在激光陀螺姿态测量系统的信号处理电路中已经包括了f p g a 芯片，所以采 用第三种方案实现p c i 接口对原有的硬件电路并不需要做大的改动，而只需在 f p g a 中增加p c i 接口逻辑即可。如果采用第二种方案，则需要在硬件电路中增加 p c i 接口芯片，由f p g a 对接口芯片进行控制，这样不利于系统集成度的提高，也 缺少灵活性。 综合衡量各种方案的优缺点，结合实际应用环境，论文选用第三种设计方案， 并且在设计中采用a l t e r a 公司的p c im a g e c o r e 。 1 3 本文主要研究内容 论文针对激光陀螺姿态测量系统中高速数据传输的实际需要，对基于p c i 接 口的数据采集与传输的实现方法进行研究，主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 通过学习和查阅与p c i 总线协议相关的书籍和文献资料，深入了解p c i 总 线的工作机理，并对实现p c i 接口的各种方法进行分析和比较，选择合适 的设计方案。 ( 2 ) 研究使用f p g a 和a l t e r a 公司的p c im e g a c o r e 实现p c i 接口的方法，用 v e d l o g 硬件描述语言设计p c i 从模式接口、d m a 控制器、p c i 主模式接 口和脉冲信号数据采集模块的逻辑电路，并根据p c i 总线时序设计仿真文 件，在q u a r t u si i 软件中对逻辑电路进行时序仿真。 ( 3 ) 选择合适的f p g a 芯片，根据p c i 和p c 1 0 4 p l u s 总线的电气规范，分别 设计3 2 位p c i 扩展卡和p c 1 0 4 p l u s 扩展板的原理图，并制作p c b 板。 h ) 进行p c i 扩展卡与台式计算机的通信实验，在w i n d o w s 系统下使用p c i 接口调试软件对p c i 扩展卡进行调试，测试p c i 接口的实际传输率和长时 间运行的稳定性。 ( 5 ) 进行p c 1 0 4 p l u s 扩展板与p c 1 0 4 计算机的通信实验，在w i n d o w s 系统下 使用p c i 接口调试软件对p c 1 0 4 - p l u s 扩展板进行调试，测试p c 1 0 4 一p l u s 接口的实际传输率和长时间运行的稳定性。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章p c i 接口的实现 本章在简要介绍p c i 协议的基础上，重点分析p c i _ m t 3 2m e g a c o r e 在主从模 式存储器读写交易中的时序，给出数据采集模块、f i f o 、r a m 、p c i 从接口、d m a 控制器、p c i 主接口逻辑电路的实现方法，并给出在q u a r t u si i 软件中对p c i 从接 口和p c i 主接口逻辑电路的时序仿真结果。 2 1p c i 协议简介 2 1 1 p c 1 0 4 一p l u s 总线 很长时间以来，i s a 总线都是嵌入式应用的流行选择。在1 9 9 2 年p c 1 0 4 标准 发布的时候，i s a 总线就已经是一种产业标准。然而，随着技术的不断发展，对更 高性能总线的需求开始出现了。尤其是当图形设备和其它高速i o 设备面世以后， 这种需求就变得更加迫切。为了应对这个挑战，p c 1 0 4 协会( p c 1 0 4c o n s o r t i u m ) 将p c i 总线结合到p c 1 0 4 上，并根据p c 1 0 4 的特点对p c i 总线接口的形式作了 相应的改变，从而诞生了p c 1 0 4 p l u s 2 9 。所以，p c 1 0 4 p l u s 总线是为了将p c i 总 线应用于嵌入式领域而设计的紧凑型的p c i 总线。 p c 1 0 4 p l u s 总线的信号和工作时序与2 2 版本的p c i 总线完全兼容。除了6 4 位扩展、j t a g 、p r s n t 和c l k r u n 信号不被p c 1 0 4 p l u s 总线支持之外，其余 p c i 信号都被p c 1 0 4 - p l u s 总线所支持。实现基本的p c i 接口需要的4 9 根信号线， 也被p c 1 0 4 p l u s 总线所完全支持。 2 1 2 总线信号 p c i 总线信号分为可选信号和必选信号两大类。p c i 从设备至少需要