基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和控制、測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工程技術(shù)人員都將PC機(jī)作為控制、測(cè)量開發(fā)的首選平臺(tái)。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外圍部件互連)總線作為一種高性能、通用的局部總線，是目前計(jì)算機(jī)插卡式外設(shè)總線的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線具有32／64位總線寬度。地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用，支持猝發(fā)傳輸，傳輸速率高達(dá)132MB／s；系統(tǒng)占用率低，具有較好的兼容性；有完備的即插即用(PnP)管理體制，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。雖然PCI總線也經(jīng)歷了從PCI、PCI-X到PCI Express的發(fā)展，但PCI總線由于存在時(shí)間長(zhǎng)，開發(fā)工具、開發(fā)資料眾多，在對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量要求不是很高的工業(yè)控制、測(cè)量領(lǐng)域仍有著頑強(qiáng)的生命力。筆者在學(xué)習(xí)了相關(guān)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可以完成8路數(shù)字量I／O及4路差分14位A／D采集功能。本文將根據(jù)筆者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，介紹PCI接口擴(kuò)展卡的軟硬件設(shè)計(jì)流程。

1 PCI總線工作方式簡(jiǎn)介
    PCI總線標(biāo)準(zhǔn)由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI規(guī)范的發(fā)展。PCI總線是一種時(shí)分復(fù)用的雙向應(yīng)答總線，傳輸發(fā)起方稱為主設(shè)備，接收方稱為從設(shè)備。其主要信號(hào)定義如下：
    RFAME：由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為低，指示一次傳輸?shù)拈_始。
    DEVSEL：由從設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為低，指示響應(yīng)傳輸請(qǐng)求。
    ADO～AD31：地址、數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)。PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個(gè)地址周期和多個(gè)數(shù)據(jù)周期組成。首先給出本次傳輸?shù)氖椎刂?，后面緊跟一個(gè)或多個(gè)4字節(jié)寬的數(shù)據(jù)，連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，其地址自動(dòng)遞增。
    C／BE0～C／BE3：這4根線在地址傳送周期，傳輸?shù)氖强偩€命令，C／BE0～C／BE3的不同組合指示在AD0～AD31上將要進(jìn)行何種類型的操作，其代表的總線命令見表1；在數(shù)據(jù)傳送周期，傳輸?shù)氖亲止?jié)始能信號(hào)，用來(lái)表示在整個(gè)數(shù)據(jù)期間，AD31～AD0上的哪些字節(jié)為有效數(shù)據(jù)。
    IRDY、TRDY：分別表示主設(shè)備準(zhǔn)備好和從設(shè)備準(zhǔn)備好。在傳輸過(guò)程中，只有IRDY和TRDY同時(shí)有效，傳輸才能繼續(xù)；否則插入等待周期，用于在不同速度的設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作。
    表1地址傳送周期時(shí)。C／BE0～C／BE3所代表的總線命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板對(duì)電源的請(qǐng)求信息，具體含義見表2。

    將PCI接口卡插入計(jì)算機(jī)插座，加電后，BIOS會(huì)根據(jù)PCI接口卡上的配置信息，為其分配相應(yīng)的I／O端口、存儲(chǔ)器空間、中斷及DMA等計(jì)算機(jī)資源。

2 PCI接口卡的硬件設(shè)計(jì)
    筆者設(shè)計(jì)的PCI數(shù)據(jù)采集卡使用的PCI接口芯片是CH365，CH365可將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)便易用的類似于ISA總線的8位主動(dòng)并行接口，支持240字節(jié)的I／O端口映射、32 K字節(jié)的存儲(chǔ)器映射、擴(kuò)展ROM以及中斷。本數(shù)據(jù)采集卡僅使用了I／O端口映射及中斷功能。本PCI數(shù)據(jù)采集卡使用MAXIM公司的4通道14位、差分、同時(shí)采樣ADC：MAX1338，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換功能，并將MAX1338的／EOLC引腳與CH365的INT_REQ引腳相連，以便在ADC轉(zhuǎn)換完成后，向PC機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。使用兩片74HC273作為輸出，一片用作8路I／O輸出，另一片用作對(duì)MAX1338控制命令的輸出。使用兩片74HC373作為輸入，一片用作8路I／O輸入，另一片采集MAX1338的狀態(tài)指示信號(hào)。使用TLP521-4對(duì)8路I／O輸入、輸出進(jìn)行光電隔離。使用74LS138作為地址譯碼。
    在制作印制板時(shí)，CH365的VCC與GND間應(yīng)就近放置容量為0．1 μF高頻、低ESR的多層瓷片電容，連接PCI總線的電源線引腳可以自由選擇，但數(shù)量不宜少于4對(duì)。CH365屬于高頻數(shù)字電路，應(yīng)該考慮信號(hào)阻抗匹配，在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)需要參考PCI總線規(guī)范。建議CH365的PCI信號(hào)線的長(zhǎng)度都小于35 mm，盡量走弧線或者45度線，避免直角或者銳角走線，并且盡量將信號(hào)走線布在元件面；CH365的PCI時(shí)鐘線CLK的長(zhǎng)度盡量保持在50 mm～65 mm之間，并且不宜靠近其它信號(hào)線；在PCB背面保留大面積的接地覆銅，以減少周邊信號(hào)線的干擾。雖然PCI總線規(guī)范推薦使用四層板，但考慮成本等因素，可使用雙面板，雙面覆銅接地。筆者做的PCI數(shù)據(jù)采集卡即為雙面板，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，該卡能夠穩(wěn)定工作。

3 PCI接口卡驅(qū)動(dòng)程序及軟件設(shè)計(jì)
    在Windows系統(tǒng)中，為避免因不當(dāng)?shù)挠布僮鞫鴮?dǎo)致系統(tǒng)崩潰，應(yīng)用程序不再具有直接的硬件訪問(wèn)權(quán)，如果要操作硬件，必須借助設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要功能是完成對(duì)硬件板卡的內(nèi)存映像地址、I／O地址的存取，并正確處理來(lái)自板卡的硬件中斷。
    Microsoft為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫提供了“Windows De-vice Drivers Kit”(簡(jiǎn)稱DDK)工具，它包含了驅(qū)動(dòng)開發(fā)所需的各種類型的定義和內(nèi)核函數(shù)庫(kù)。用DDK編制的驅(qū)動(dòng)程序有很高的運(yùn)行效率，但是開發(fā)難度大，測(cè)試流程繁瑣。為減輕驅(qū)動(dòng)開發(fā)者的負(fù)擔(dān)，很多第三方廠商提供了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)開發(fā)的軟件。如Numega公司的DriverStudio軟件，J ungo公司的WinDriver／KernelDriver軟件等。尤其是WinDriver／KernelDriver不要求開發(fā)者非常熟悉操作系統(tǒng)平臺(tái)，掌握核心開發(fā)、調(diào)試知識(shí)，即可在幾分鐘之內(nèi)開發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。但WinDriver的運(yùn)行效率較低，因此，在對(duì)運(yùn)行效率較高的場(chǎng)合，可使用KernelDriver進(jìn)行開發(fā)，以提高運(yùn)行效率。
    由于本采集卡的數(shù)據(jù)吞吐量不高，因此采用WinDri-ver6．21進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，其開發(fā)過(guò)程如下：
    (1)運(yùn)行Windriver程序，選擇"Create a new driver pro-ject”；
    (2)在彈出的“Select Your　Device”窗口中，從列表中選擇自己的硬件設(shè)備。由于CH365的默認(rèn)廠商標(biāo)識(shí)(Vendor－ID)為4348H，設(shè)備標(biāo)識(shí)(DeviceID)為5049H，因此選中“PCI：VendorID 4348　DeviceID5049”的PCI設(shè)備(如圖1)。

    (3)單擊“Generate．INF file”按鈕，產(chǎn)生采集卡的驅(qū)動(dòng)安裝信息文件。注意：需選中“Automatically Install the　INFfile”復(fù)選框，以便可以在(4)步中測(cè)試采集卡(如圖2)。

    (4)在“Define and Test Resources for Your Device”窗口中，設(shè)置采集卡的I／O地址及變量名，對(duì)于即插即用(Plug－and－play)設(shè)備，Windriver會(huì)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)其所用到的硬件資源(如：I／O范圍，存儲(chǔ)器范圍及中斷號(hào)等)(如圖3)。在此可對(duì)采集卡的I／O地址進(jìn)行讀寫測(cè)試，以便驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)是否正確。

    (5)在“Select　Code Generation Options”窗口中，選中合適的開發(fā)語(yǔ)言及開發(fā)平臺(tái)。在此選擇“Ms Developer　Studic6，5”(即Microsoft VisualC++6／5)，以便Windriver生成合適的驅(qū)動(dòng)程序框架及相應(yīng)的API函數(shù)(如圖4)。

    (6)保存Windriver產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)開發(fā)工程后，Windriver會(huì)自動(dòng)打開相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境(此處為：Microsoft VisualC++6)，以便開發(fā)人員進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。
    通過(guò)以上步驟，Windriver生成一個(gè)基于Visual C++語(yǔ)言的程序框架，開發(fā)人員可以在此框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，加入自己的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作?，F(xiàn)以筆者編制的程序(工程文件名為ADC)為例進(jìn)行介紹。
    在程序初始化階段，先調(diào)用PCI_Get_WD_handle()，判斷驅(qū)動(dòng)程序windrvr6．sys是否已被加載，如果驅(qū)動(dòng)程序已被加載，則調(diào)用ADC_LocateAndOpenBoard()函數(shù)，打開數(shù)據(jù)采集卡。在退出應(yīng)用程序前，需先調(diào)用ADC_Close()函數(shù)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡。
    對(duì)MAX1338和8路I／O的寄存器操作可通過(guò)ADC_ReadByte()、ADC_WriteByte()兩個(gè)函數(shù)完成。對(duì)CH365內(nèi)部配置寄存器的讀寫可通過(guò)ADC_Read-PCIReg()、ADC_WritePCIReg()兩個(gè)函數(shù)完成。完成應(yīng)用程序的開發(fā)后，數(shù)據(jù)采集卡在其他的PC機(jī)上工作時(shí)，需提供windrvr6．sys、windrvr6．inf、wd_utils．dll、數(shù)據(jù)采集卡的，inf文件以及自己開發(fā)的應(yīng)用程序或DLL。以便于PC機(jī)安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)板卡進(jìn)行配置、操作。本文根據(jù)筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要介紹了PCI擴(kuò)展卡的開發(fā)流程，給出了一套快速可行的解決方案。該方案簡(jiǎn)單易行、調(diào)試方便，可使工程技術(shù)人員迅速掌握PCI總線的開發(fā)技術(shù)，從而設(shè)計(jì)出符合工程需求的PCI擴(kuò)展卡。