PCI高速數(shù)據(jù)采集方案介紹
0 引言
數(shù)據(jù)采集向高精度和高速度兩個方向發(fā)展。高精度數(shù)據(jù)采集依賴于A/D器件的精度，高速度數(shù)據(jù)采集不僅依賴于A/D器件的速度還依賴于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。高速數(shù)據(jù)采集按是否可連續(xù)采集而可以分為兩類。第一類是在一段時間內(nèi)的高速數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)的時間長度取決于存放數(shù)據(jù)的RAM存儲器的空間大小;另外一種是可以連續(xù)地高速數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)被存放在大容量的存儲器上，一般為硬盤，這種采集的速度相對較小。本文提出屬于第一類的PCI接口高速數(shù)據(jù)采集方案，可以實現(xiàn)高達80Mb/s的數(shù)據(jù)采集速度。
1 硬件結(jié)構(gòu)
高速數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。
采集系統(tǒng)使用AD9248 DAC芯片，可以同時對兩路模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，每路輸入可以選擇差分輸入或單端輸入。它最大的采樣率可達65MS/s，采樣精度為14bit。數(shù)據(jù)傳輸使用了CY7C09449集成芯片，它實現(xiàn)局部總線和PCI總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。一片F(xiàn)PGA將CY7C09449和AD-9248連接起來。FPGA的作用有兩個，其一是控制A/D芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其二是和PCI接口芯片交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
硬件設(shè)計上，CY7C09449和PCI總線是無縫連接，CY7C09449的局部總線和FPGA相連，AD9248的數(shù)據(jù)線及控制線和FPGA相連。軟件設(shè)計包括FPGA器件的邏輯設(shè)計、高速數(shù)據(jù)采集卡在WindowsXP下的驅(qū)動程序設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計。本文主要介紹高速數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計。
2 數(shù)據(jù)采集過程
CY7C09449是美國Cypress公司生產(chǎn)的一款PCI接口控制芯片，支持PCI2.O協(xié)議，可以作為PCI總線的主設(shè)備也可以作為PCI總線的從設(shè)備。CY7C09449的局部總線可以和多種常用的微處理器直接相連。它內(nèi)部包含的128kbit的雙端口SRAM共享存儲區(qū)可以從PCI總線訪問也可以從局部總線訪問，這是它最主要的資源。它內(nèi)部包含的一些配置寄存器可以從PCI總線訪問也可以從局部總線訪問。在PCI總線上，CY7C09449可以處于從設(shè)備的地位，接收主機對它的配置寄存器或共享存儲區(qū)的訪問。在PCI總線上，CY7C09449也可以處于主設(shè)備地位，主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳出或存入共享存儲區(qū)。它能夠產(chǎn)生任何32位PCI總線地址，可以發(fā)起PCI總線的突發(fā)傳輸。在局部總線上，CY7C09449處于從屬的地位，微處理器控制著對它訪問的主動權(quán)。CY7C09449的局部總線本質(zhì)上是同步傳輸接口，可以支持突發(fā)傳輸。TMS320VC33處理器通過配置CY7C09449內(nèi)部寄存器使其與SCY7C09449的局部總線相連接，并兼容TMS320VC33的異步訪問方式。
數(shù)據(jù)采集的過程由主機發(fā)起。主機的應(yīng)用程序向驅(qū)動程序請求數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動程序通過寫入CY7C09449的主機控制狀態(tài)寄存器0bit使引腳RSOUTD的狀態(tài)由低電平到高電平轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA根據(jù)此信號來啟動一次數(shù)據(jù)采集。FPGA從A/D讀取數(shù)據(jù)，然后寫入CY7C09449的SRAM中。SRAM的大小為4k的雙字，F(xiàn)PGA把它分為2個2k雙字的塊，循環(huán)交替使用。FPGA每寫完一個塊就通過CY7C09449的引腳IRQ IN向主機請求一次中斷。主機的驅(qū)動程序在中斷服務(wù)程序中通過寫入CY7C09449的DMA局部基地址寄存器、DMA主機物理基地址寄存器、DMA長度寄存器來配置數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂?、目的地址、?shù)據(jù)長度，然后再寫入CY7C09449的DMA控制寄存器來啟動DMA傳輸。這樣直到本次所有的數(shù)據(jù)采集完畢，F(xiàn)PGA停止數(shù)據(jù)的讀取處于等待狀態(tài)。主機的中斷服務(wù)程序在收到最后一塊數(shù)據(jù)后向應(yīng)用程序發(fā)送一個消息，告知本次數(shù)據(jù)采集完成。應(yīng)用程序這時就可以處理采集到的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)存在硬盤中。
3 FPGA的邏輯設(shè)計
FPGA器件要實現(xiàn)的功能是從A/D器件讀取數(shù)據(jù)，然后通過局部總線將數(shù)據(jù)傳送給CY7C09449內(nèi)部的雙端口SRAM。對FPGA的邏輯編程是在Quatus6.0下進行的。頂層邏輯設(shè)計使用原理圖設(shè)計方法，把FPGA的邏輯分為3個模塊，每個模塊內(nèi)部邏輯使用文本設(shè)計方法，使用VHDL語言編程。FPGA內(nèi)的邏輯模塊如圖2所示。
A/D控制模塊產(chǎn)生A/D器件的控制信號，從A/D讀取數(shù)據(jù)，然后寫入FIFO。AD控制模塊的功能相對比較簡單，也比較容易實現(xiàn)。
因為在數(shù)據(jù)采集的過程中A/D采樣速度數(shù)據(jù)是固定的，但是數(shù)據(jù)傳輸有時速度很快而有時因為等待出現(xiàn)短時的阻塞。所以必須要有FIFO來緩沖采集的數(shù)據(jù)。FIFO模塊是用Quatus6.0的向?qū)傻?，只需要設(shè)定有關(guān)參數(shù)即可。FIFO的寫入和讀取使用同步接口邏輯，F(xiàn)IFO的存儲寬度是32 位，其深度是512。
局部總線控制模塊從FIFO中讀取數(shù)據(jù)然后寫入CY7C09449的SRAM中。CY7C09449的局部總線支持同步數(shù)據(jù)傳輸，雖然它也兼容異步數(shù)據(jù)傳輸，但FPGA的局部總線控制模塊選用了同步數(shù)據(jù)傳輸邏輯，因為這樣可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。CY7C09449的局部總線支持最高的時鐘速度是50MHz，一次同步的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸在給出讀或?qū)懙钠鹗嫉刂分螅總€時鐘周期可以傳送一次數(shù)據(jù)。CY7C09449局部總線的數(shù)據(jù)總線寬度是32位，這使得局部總線的最高傳輸速度達200Mb/s。
在CY7C09449的局部總線上，F(xiàn)PGA處于類似于微處理器的地位，控制著局部總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲃訖?quán)。FPGA的邏輯設(shè)計中，局部總線控制模塊的邏輯設(shè)計是獲得高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。同步數(shù)據(jù)傳輸要比異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嫃?fù)雜得多。在局部總線控制模塊的邏輯設(shè)計中使用了狀態(tài)機，其設(shè)計的關(guān)鍵在于狀態(tài)機的狀態(tài)的定義和在各種條件下狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。為了簡單起見這里不對多塊數(shù)據(jù)傳輸控制、中斷信號產(chǎn)生邏輯作討論而只介紹傳送一個數(shù)據(jù)塊的邏輯。
狀態(tài)機共定義了7個狀態(tài)，各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖3。
在論述狀態(tài)機的工作過程之前，先就影響狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一些信號作說明。
Reset信號就是CY7C09449的引腳RSOUTD輸出的信號，它由低到高的轉(zhuǎn)變將啟動FPGA進行一次數(shù)據(jù)采集。
FifoEmpty信號是由FIFO模塊提供的，用來指示FIFO是否為空，它為1時表示FIFO是空的，沒有數(shù)據(jù)要傳輸，否則表示FIFO內(nèi)有數(shù)據(jù)等待傳輸。
RdyOut信號是CY7C09449的引腳RDY OUT提供的信號，它用來指示CY7C09449的局部總線是否準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)RdyOut為高電平，表示CY7C09449的局部總線已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸，反之表示CY7C09449的局部總線未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸。
Last信號是用來指示將要寫的數(shù)據(jù)是否為本次突發(fā)傳輸要寫的最后一個數(shù)據(jù)。這個信號由局部總線控制模塊內(nèi)部產(chǎn)生。局部總線控制模塊內(nèi)部有一個計數(shù)器，當(dāng)準(zhǔn)備一次突發(fā)傳輸?shù)臅r候，就將要傳送的數(shù)據(jù)長度放入這個計數(shù)器內(nèi)，每傳送一個雙字?jǐn)?shù)據(jù)計數(shù)器的值就減去1，當(dāng)且僅當(dāng)計數(shù)器的值等于l的時候 Last就為高電平。
現(xiàn)在就狀態(tài)機的工作過程作簡要說明：
當(dāng)Reset由0轉(zhuǎn)變到l時就啟動一次數(shù)據(jù)傳輸。狀態(tài)機首先進入T1寫地址狀態(tài)。
狀態(tài)機在T1寫地址狀態(tài)將本次數(shù)據(jù)傳輸存放在CY7C09449內(nèi)SRAM的起始地址及有關(guān)控制信號送到局部總線上。T1狀態(tài)之后無條件進入T2等待讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)。
在T2等待讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果FifoEmpty=1，將繼續(xù)等待，如果FifoEmpty=0，將進入T3讀FIFO狀態(tài)。
在T3讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)，狀態(tài)機發(fā)出有效的讀FIFO控制信號，如果從FIFO讀取的數(shù)據(jù)是最后一個將要寫入CY7C09559的數(shù)據(jù)，那么就進入狀態(tài)T5，否則進入狀態(tài)T4。
T4等待寫并可能讀狀態(tài)是很關(guān)鍵也很復(fù)雜的狀態(tài)，在這個狀態(tài)下影響狀態(tài)機行為的信號比較多。在圖3中，確定T4狀態(tài)的下一個狀態(tài)的條件被標(biāo)上序號，序號小的條件是被優(yōu)先考慮的條件。滿足條件(1)，RdyOut=0，表示CY7C09449沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸，所以要仍在狀態(tài)T4繼續(xù)等待。不滿足條件(1)，滿足條件(2)，F(xiàn)ifoEmptV=1是表示CY7C09449已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸，同時FIFO是空的，所以下一個狀態(tài)要進入T2等待讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)。不滿足條件(1)、(2)，滿足條件(3)表示CY7C09449已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸，同時FIFO非空，同時將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是本次傳輸?shù)淖詈笠粋€數(shù)據(jù)，所以要下一個狀態(tài)要進入狀態(tài)T5等待寫最后一個數(shù)據(jù)。滿足條件 (4)，也就是不滿足條件(1)、(2)、(3)，表示本次往CY7-C09449寫了一個數(shù)據(jù)、又從FIFO讀了一個數(shù)據(jù)且不是最后一個要寫的數(shù)據(jù)，所以下一個狀態(tài)仍舊是T4。
在T5等待寫最后一個數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)RdyOut=0表不CY7C09449沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸，所以要繼續(xù)等待。否則表示最后一個數(shù)據(jù)已經(jīng)可以寫入CY7C09449，所以下一個狀態(tài)要進入T6空閑態(tài)。
在T6空閑狀態(tài)如果Reset=1就仍舊在空閑狀態(tài)，否則進入T0復(fù)位狀態(tài)。
狀態(tài)機在每種狀態(tài)下要發(fā)出各種控制信號。有控制FIFO的Fif0Read信號，控制CY7C09449局部總線的Select、Strobe、Write和Blast信號。從這些信號的名稱就可以知道它們的作用，這里不再贅述。
局部總線控制邏輯通過使用同步數(shù)據(jù)傳輸控制方式，支持突發(fā)傳輸，加快了數(shù)據(jù)傳輸速度。
4 驅(qū)動程序設(shè)計
PC使用的操作系統(tǒng)是WindowsXP，軟件設(shè)計開發(fā)環(huán)境使用的工具包括WindowsXP DDK、Driver Studio2.7和VC++6.0，以下著重討論驅(qū)動程序設(shè)計。
為了加快數(shù)據(jù)傳輸速度，驅(qū)動程序使用DMA的方式把CY7C09449共享存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取到主機的存儲器內(nèi)。
使用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，要申請用于存放數(shù)據(jù)的物理地址連續(xù)的內(nèi)存空間，然后要獲取內(nèi)存空間的物理地址和用戶空間地址。
首先在頭文件中創(chuàng)建如下對象：
KDmaAdapter m_Dma;
KCommonDmaBuffer m_Buffer;
然后在MyDriveDevice∷OnStartDevice(Klrp I)函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體m_MiydeviceDescript，設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體各個域的設(shè)置如下：
[!--empirenews.page--]
將UserSIpaceAddress傳遞給應(yīng)用程序，則應(yīng)用程序就可以訪問存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間了。
FPGA在每傳送給CY7C09449一塊2k雙字的數(shù)據(jù)后就通過CY7C09449的引腳IRQ_IN向主機發(fā)送中斷請求。在主機的中斷服務(wù)程序中用m_Me-morjPhyPhysicalAddress設(shè)置CY7C09449的DMA3E機物理基地址寄存器，然后設(shè)置DMA局部基地址寄存器、DMA長度寄存器來配置數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂返刂泛蛿?shù)據(jù)長度，然后再寫CY7C09449的DMA控制寄存器來啟動DMA傳輸。在所有數(shù)據(jù)塊傳輸完畢，主機中斷服務(wù)程序發(fā)送給應(yīng)用程序一個消息，這時應(yīng)用程序就可以通過UserSpaceAddress訪問接收到的數(shù)據(jù)了。
5 結(jié)論
在高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計中FPGA對局部總線的控制邏輯由于采用了同步數(shù)據(jù)傳輸控制方式使得局部總線的最高傳輸速度可達200Mb/s。在 WindowsXP下的驅(qū)動程序設(shè)計使用了DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，提高了數(shù)據(jù)存儲速度。高速數(shù)據(jù)采集卡可以達到80Mb/s的數(shù)據(jù)采集速度，設(shè)備運行穩(wěn)定，達到了設(shè)計要求。
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