基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：在虛擬儀器的設(shè)計中，選擇適合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是很重要的。文章在對各種現(xiàn)成數(shù)據(jù)采集卡，接口總線的理解對比的基礎(chǔ)上，以ADS8412為核心設(shè)計了集多路選通、模擬信號調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換為一體的模擬信號采集系統(tǒng)，借助CPLD時序控制功能以PCI 9054為核心芯片設(shè)計實(shí)現(xiàn)廠基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的控制系統(tǒng)，用Builder C++編寫了采集卡的動態(tài)鏈接庫，利用LabVIEW提供的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)，完成了通過動態(tài)鏈接庫調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的過程。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；PCI總線；數(shù)據(jù)采集；動態(tài)鏈接庫

0 引言
    LabvIEW是美國NI公司的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。
    數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器的重要組成部件，其性能指標(biāo)直接影響虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標(biāo)。
    PCI總線是一個地址／數(shù)據(jù)、命令／字節(jié)選擇信號復(fù)用的總線，它采用主從信號雙向握手的方式來控制數(shù)據(jù)的傳輸。PCI總線具有即插即用、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，能提供32／64位，33／66MHz的DMA(直接內(nèi)存訪問)數(shù)據(jù)傳輸方式，使得它工作時不受計算機(jī)內(nèi)存大小的影響，傳輸速率最高可達(dá)133Mb／s，這些特性使得它的應(yīng)用范圍很廣，能夠適用于多種體系結(jié)構(gòu)，多種工作平臺，也很容易升級，為未來的發(fā)展留有足夠的空間。上述這些優(yōu)良特性正是本設(shè)計選擇PCI接口總線的原因。

1 數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)的總體設(shè)計主要包括：采集模塊設(shè)計、信號調(diào)理模塊設(shè)計、PCI總線接口設(shè)計、FIFO數(shù)據(jù)緩存設(shè)計的實(shí)現(xiàn)等部分。系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

1．1 信號調(diào)理模塊設(shè)計
    信號調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)信號放大、模擬通道選擇和差分轉(zhuǎn)換，這部分電路對整個系統(tǒng)至關(guān)重要，在設(shè)計的過程中應(yīng)該著重注意降低信號失真，減少系統(tǒng)噪聲。
1．2 采集模塊設(shè)計
    模數(shù)轉(zhuǎn)換是采集板卡的核心，系統(tǒng)要求采樣速度至少在250kHz以上，采樣精度16位，動態(tài)范圍也要求足夠?qū)?。綜合各因素，選擇了ADS 8412芯片。
    ADS8412使用外部參考電壓工作，與PCI總線接口的原理如圖2所示。

    本文中設(shè)置了8路采集通道，控制時序控制8／1模擬開關(guān)依次選通其中一路信號，差分轉(zhuǎn)換電路將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號送入ADS8412中，ADS8412內(nèi)部自帶轉(zhuǎn)換時鐘，無需外接。多通道數(shù)據(jù)采集按照分時采樣，即8通道進(jìn)行輪流采樣，只用一路A／D。
1．3 PCI總線接口設(shè)計
    PCI 9054通過PCI總線與計算機(jī)相連，PCI協(xié)議和時序由PCI 9054接口芯片完成，這里只需要對PCI9054接口進(jìn)行設(shè)計即可，無需去了解復(fù)雜的總線協(xié)議，簡化了設(shè)計的過程，這正是用專用芯片實(shí)現(xiàn)總線接口的優(yōu)點(diǎn)。
    PCI接口電路應(yīng)當(dāng)完成以下幾種功能：地址譯碼及命令譯碼；地址產(chǎn)生；控制信號的產(chǎn)生。
    實(shí)現(xiàn)PCI總線控制器大體有兩種方式：使用可編程器件和專用接口芯片。采用EPLD和FPGA等編程邏輯器件的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性。專用芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的接口。用戶可以集中精力于應(yīng)用設(shè)計，而不是調(diào)試PCI總線的接口，明顯縮短了開發(fā)時間。本設(shè)計應(yīng)用PLX公司的PCI 9054實(shí)現(xiàn)總線控制器。
    PCI接口原理圖如圖3所示。啟動采樣后，PCI 9054作為主控設(shè)備，利用其DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)雙口SRAM采滿1kB數(shù)據(jù)之后，通過控制時序產(chǎn)生局部總線中斷，PCI 9054獲得局部總線的控制權(quán)后，根據(jù)DMA的起始位將1kB的數(shù)據(jù)讀到DMA傳輸?shù)膶Ｓ肍IFO中，PCI 9054申請占用PCI總線，獲得PCI總線的控制權(quán)后，將數(shù)據(jù)寫入PCI總線存儲空間，從而實(shí)現(xiàn)一次采樣和傳輸。

    圖3中，中斷申請是控制時序電路判斷FIFO滿標(biāo)志端提出的。響應(yīng)中斷期間PCI總線以DMA方式向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，以便應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。93S66為配置存儲器，用于PCI設(shè)備卡的識別。圖4是PCI接口控制器工作流程圖。

2 數(shù)據(jù)采集過程的實(shí)現(xiàn)
2．1 動態(tài)鏈接庫的設(shè)計
    LabVIEW軟件本身提供了對端口的操作函數(shù)，可以對外設(shè)的端口進(jìn)行讀寫，而其他對外設(shè)的實(shí)時控制則需要通過DLL技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
    在本系統(tǒng)中，自行應(yīng)用硬件芯片設(shè)計了數(shù)據(jù)采集卡，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的各個硬件與計算機(jī)之間的通信，必須設(shè)計相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫。DLL庫的設(shè)計在這里主要包括：設(shè)備初始化；確定設(shè)備名；創(chuàng)建設(shè)備句柄；獲取通道信息；等待客戶軟件信息。
2．2 數(shù)據(jù)采集過程
    先對數(shù)據(jù)采集卡有關(guān)的采樣參數(shù)設(shè)置；采樣開始，多路開關(guān)對采樣通道進(jìn)行一次掃描，每個通道采樣一個點(diǎn)；接著開始A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。重復(fù)上述過程直到采集到了所需的采樣次數(shù)，全部數(shù)據(jù)順序存儲到緩存區(qū)中，需要時從數(shù)據(jù)采集卡的緩存中讀取數(shù)據(jù)到計算機(jī)的內(nèi)存中進(jìn)行處理。采集流程如圖5所示。

2．3 LabviEW中的動態(tài)鏈接庫調(diào)用
    在LabVIEW的編程狀態(tài)下，打開Function Palette工具箱中“調(diào)用動態(tài)鏈接庫功能”，將數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序轉(zhuǎn)化為一個圖標(biāo)／連接器，然后在框圖程序中就可以調(diào)用該模塊，通過在其輸入端設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，在程序運(yùn)行時，驅(qū)動模塊啟動數(shù)據(jù)采集卡的工作，并將采集數(shù)據(jù)返回。圖6為動態(tài)鏈接庫調(diào)用的一個例子。

    圖6中CLF節(jié)點(diǎn)I／O數(shù)據(jù)類型決定于外輸入，采集通道數(shù)輸入控件“channel”、采集次數(shù)輸入控件“times”均為32位無符號長整形，對0～5V電壓經(jīng)采集后的輸出為雙精度浮點(diǎn)型離散的數(shù)值，先送入緩存器中存儲待用。

4 結(jié)論
    本文采用硬件芯片設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在本地總線的晶振頻率為20MHz時，能穩(wěn)定地達(dá)到160Mb／s的采集速率；晶振頻率為40MHz時，能穩(wěn)定的達(dá)到200Mb／s的采集速率。
    將虛擬儀器技術(shù)與各種物理信號的采集、分析及結(jié)果顯示結(jié)合起來為新型儀器的開發(fā)提供了一個很好的方向。將先進(jìn)的儀器開發(fā)軟件LabVIEW與普通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很好地結(jié)合起來又將使虛擬儀器技術(shù)在各個領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。