一種基于PCI總線和DSP技術(shù)的虛擬儀器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的虛擬儀器由一塊基于PCI總線的直接利用A/D和D/A芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集板卡和相應(yīng)的軟件組成，但隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要由計(jì)算機(jī)處理、存儲(chǔ)和傳輸，由于通用計(jì)算機(jī)本身的特點(diǎn)，它們通常不適于進(jìn)行實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)字信號(hào)處理，因此這種虛擬儀器不能滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力以及數(shù)據(jù)管理能力所提出的越來(lái)越高的要求。
與此同時(shí)，隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）性價(jià)比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域飛速擴(kuò)展，從而使基于PCI總線和DSP技術(shù)的新型虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。

系統(tǒng)的基本框架
筆者設(shè)計(jì)的基于PCI總線和DSP技術(shù)的虛擬儀器的基本框架如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)是基于模塊化的設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要有以下幾步：1）設(shè)計(jì)一塊基于PCI總線的母板，該板上有自己定義的總線接插件，以及整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制單元和數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)芯片；2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊；3）開(kāi)發(fā)PCI母板的Windows驅(qū)動(dòng)程序，使PC能正常識(shí)別該板卡并分配所需系統(tǒng)資源；4）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下位機(jī)DSP數(shù)據(jù)采集模塊的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)的FFT算法處理；5）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上位機(jī)PC的控制軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形顯示、端口配置、內(nèi)存讀寫以及對(duì)儀器的控制功能。

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)的基本框架

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
由圖1可見(jiàn)，本虛擬儀器系統(tǒng)首先要有一塊基于PCI總線的母板，該板上有自定義的總線接插件，可以插接其他基于該總線的數(shù)據(jù)采集DSP子板，此外，該板上還有整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制單元以及數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)芯片；其他各個(gè)功能模塊都基于該擴(kuò)展板來(lái)實(shí)現(xiàn)；各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸可以通過(guò)雙端口RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們選用Cypress公司8K×16b高速雙口RAM芯片CY7C025V，因?yàn)樗臅r(shí)序與DSP時(shí)序相配，特別適用于DSP與PC之間大量數(shù)據(jù)的高速雙向傳送。

1 PCI接口的實(shí)現(xiàn)
在PCI總線適配卡的設(shè)計(jì)中，采用專用的PCI接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI接口，設(shè)計(jì)者不需要將精力投入到復(fù)雜的PCI接口功能設(shè)計(jì)和驗(yàn)證測(cè)試上。專用的接口芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)接口功能，將復(fù)雜的PCI接口轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的接口。在本設(shè)計(jì)中選用PLX公司通用接口芯片PCI9052，它包含讀和寫FIFO，以便將32bit、33MHz的PCI總線與總線寬度有可能比它窄或總線速度有可能比它慢的局部總線進(jìn)行匹配。PCI9052有最大5個(gè)局部地址空間和4個(gè)片選支持，圖2為PCI9052的信號(hào)接口模塊圖。

圖2 PCI9052信號(hào)接口

PCI分配資源的數(shù)據(jù)來(lái)源是通過(guò)外擴(kuò)的EEPROM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)PCI9052接口芯片的要求，選用Microchip公司支持三線串行接口的EEPROM。在電源上電期間，PCI的RST#信號(hào)復(fù)位PCI9052內(nèi)部寄存器。而PCI9052也輸出局部復(fù)位信號(hào)（LRESET#）并檢查是否存在外部EEPROM，如果存在并且第一個(gè)16位字不是FFFFH，則PCI9052加載EEPROM中的數(shù)據(jù)到PCI9052的內(nèi)部寄存器中；否則默認(rèn)值被使用。PCI9052配置寄存器僅能由EEPROM或PCI主機(jī)處理器寫。在EEPROM初始化期間，PCI9052用RETRY信號(hào)來(lái)響應(yīng)PCI目標(biāo)訪問(wèn)。圖3給出了本設(shè)計(jì)中EEPROM(93CS46)和PCI9052的連接電路圖。

圖3 EEPROM和PCI9052的連接電路圖 [!--empirenews.page--]

EEPROM中配置的主要信息包括：設(shè)備識(shí)別號(hào)、供應(yīng)商代號(hào)、四個(gè)局部總線空間的大小以及空間的基地址等?？梢允孪韧ㄟ^(guò)編程器將配置信息寫入配置EEPROM中，也可在系統(tǒng)啟動(dòng)后用PLXMon對(duì)EEPROM進(jìn)行操作。

2 系統(tǒng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)
由于CPLD器件掉電后可保存芯片內(nèi)部程序，無(wú)須煩瑣的重復(fù)燒寫，因此本設(shè)計(jì)采用Altera公司的CPLD器件，作為PCI接口芯片及存儲(chǔ)芯片的邏輯控制?？紤]到需要使用局部地址/數(shù)據(jù)各16根線，控制信號(hào)線22根，還要為數(shù)據(jù)采集電路預(yù)留些I/O引腳，最后決定采用144腳TQFP封裝的EPM3128。

在本系統(tǒng)中，EPM3128的主要功能是實(shí)現(xiàn)PCI Local端的地址譯碼、DSP Local端對(duì)各個(gè)DRAM控制的地址譯碼、對(duì)板上功能選擇開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行譯碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的配置以及對(duì)各芯片的控制信號(hào)進(jìn)行邏輯譯碼。所有的譯碼工作都通過(guò)VHDL編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合和編譯工作是在Altera公司的QuartusII集成編譯環(huán)境中完成的。源程序代碼請(qǐng)參閱《今日電子》網(wǎng)站本文章的完整版。

3 數(shù)據(jù)采集電路的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到本系統(tǒng)的性能。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的可配置和可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)成可配置的模式插接在總線接口母板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊由高速16位adc（LTC1608）和高性能DSP芯片(TMS320C6713)構(gòu)成,LTC1608的并行數(shù)字接口可方便地與包括TMS320C6713在內(nèi)的多種DSP通信，并可連接3V或5V邏輯。

由于對(duì)采集精度的高要求，在信號(hào)進(jìn)入ADC之前，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行一系列的處理以保證信號(hào)的可靠性：模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電壓跟隨運(yùn)算放大器增加輸入阻抗，再經(jīng)過(guò)電壓比例放大和一階RC低通濾波，最后輸入到ADC。

圖4 輸入信號(hào)處理電路原理圖

圖5 LTC1608 A/D芯片引腳連接電路圖

具體的信號(hào)處理電路如圖4和圖5所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
正如圖1所示，硬件設(shè)計(jì)完成后，要使整個(gè)系統(tǒng)工作還需要軟件的支持，這些軟件包括PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理算法程序和系統(tǒng)控制軟件。

1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不是單獨(dú)存在的，而是相關(guān)操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，所以需要對(duì)操作系統(tǒng)有一定的了解。Windows 2000操作系統(tǒng)是32位的多任務(wù)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)底層的操作和用戶與硬件打交道的權(quán)力被屏蔽，必須通過(guò)操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和其他內(nèi)核訪問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件對(duì)硬件的訪問(wèn)。在設(shè)計(jì)和使用PCI設(shè)備時(shí)，經(jīng)常要在軟件中對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行訪問(wèn)，因此只有編制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才能實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI總線設(shè)備的完全訪問(wèn)。

應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備I/O進(jìn)行Win32調(diào)用，這個(gè)調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務(wù)接收。I/O管理器從這個(gè)請(qǐng)求構(gòu)造一個(gè)合適的I/O請(qǐng)求包(IRP)。在最簡(jiǎn)單的情況下，I/O管理器只是把IRP傳遞給一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序與硬件打交道，并完成IRP的處理。I/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win32和用戶應(yīng)用程序。而一個(gè)IRP由一個(gè)分層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序棧處理是很常見(jiàn)的。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序把該請(qǐng)求劃分成更簡(jiǎn)單的請(qǐng)求。最高層的驅(qū)動(dòng)程序(如文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序)知道文件如何在磁盤上表示，但不知道如何得到數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)；中間層次的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)一步處理請(qǐng)求；最低層的驅(qū)動(dòng)程序與硬件實(shí)際打交道。

本設(shè)計(jì)選擇的硬件驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具是Compuware公司提供的一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序集成開(kāi)發(fā)包(DriverStudio)。利用其中的DriverWorks工具可以生成一個(gè)PCI總線驅(qū)動(dòng)框架，然后在WDM中實(shí)現(xiàn)輸入輸出處理，可以用KIoRange類來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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在驅(qū)動(dòng)程序框架生成的過(guò)程中，我們可以通過(guò)向?qū)暶黩?qū)動(dòng)程序中將要使用的資源；通過(guò)調(diào)用KIoRange類的Initialize()函數(shù)，可以對(duì)資源進(jìn)行初始化(映射PCI局部空間)；應(yīng)用層通過(guò)DeviceIoControl函數(shù)向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)命令來(lái)調(diào)用KIoRange的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)I/O空間的處理。開(kāi)發(fā)PCI母板的windows驅(qū)動(dòng)程序，就是使PC能正常識(shí)別該板卡并分配所需的系統(tǒng)資源。

2 FFT算法的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)需要針對(duì)DSP數(shù)據(jù)采集模塊，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT（快速傅立葉變換）算法處理的程序。
作為一般的情況，設(shè)：x(n)和 X(k)都是復(fù)數(shù)，因?yàn)閺膶?shí)際計(jì)算過(guò)程看，實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)沒(méi)有區(qū)別，唯一不同的是：實(shí)數(shù)的虛部為零，表達(dá)式簡(jiǎn)單些。而運(yùn)算過(guò)程所有的計(jì)算都是對(duì)實(shí)數(shù)進(jìn)行的，如果信號(hào)或頻譜是復(fù)數(shù)，就把最后計(jì)算的結(jié)果再組合成為復(fù)數(shù)分量。FFT運(yùn)算的基本單元是“蝶形單元”，其蝶形運(yùn)算的基本形式如下式所示：

所有蝶形單元的運(yùn)算可統(tǒng)一表示為
               (1)
式(1)中，A和B是蝶形單元的輸入，C和D是輸出。同時(shí)將表示為
        (2)
式(1)可以表示為虛部和實(shí)部形式，帶下標(biāo)R的字符表示實(shí)部，帶下標(biāo)I的為虛部，即
     (3)
根據(jù)算法原理和上面的說(shuō)明，用C語(yǔ)言編制出一個(gè)按時(shí)間抽取的FFT算法程序，結(jié)構(gòu)上分為幾個(gè)部分：首先是碼位的倒置，然后根據(jù)計(jì)算的點(diǎn)數(shù)確定蝶形運(yùn)算的級(jí)數(shù)，接著是逐級(jí)進(jìn)行蝶形運(yùn)算，完成FFT運(yùn)算。

3 應(yīng)用控制軟件的設(shè)計(jì)

圖6 控制軟件功能模塊框圖

整個(gè)應(yīng)用控制軟件的功能模塊框圖如圖6所示。
基于以上的控制功能模塊圖，選擇使用VC++來(lái)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)應(yīng)用軟件的人機(jī)界面以及對(duì)系統(tǒng)的控制功能。VC++的開(kāi)發(fā)環(huán)境集編輯、編譯、連接、調(diào)試、向?qū)У榷囗?xiàng)功能于一體，并且提供了目前成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MFC（Microsoft Application Foundation Classes）類庫(kù)。

我們開(kāi)發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)PC端控制軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形顯示、端口配置、內(nèi)存讀寫以及對(duì)儀器的控制功能，其主界面如圖7所示。

圖7 程序主界面

結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DSP技術(shù)與PCI總線的數(shù)據(jù)采集處理卡，開(kāi)發(fā)了虛擬式實(shí)時(shí)多通道FFT頻譜分析儀的應(yīng)用程序以及主機(jī)監(jiān)控界面。通過(guò)在數(shù)據(jù)采集卡上集成DSP，使得該卡不但能實(shí)時(shí)不掉點(diǎn)地采集外界信號(hào)，而且能在卡上實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、FFT頻譜分析。
整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)綜合調(diào)試和嚴(yán)格測(cè)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)需求，業(yè)已投入實(shí)際使用。