當前位置:首頁 > 嵌入式 > 嵌入式教程
[導讀]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)后向應用程序發(fā)送一個消息,告知本次數(shù)據(jù)采集完成。應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?,每個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)倪壿嫃碗s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。

  

[!--empirenews.page--]
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的局部總線是否準備好數(shù)據(jù)傳輸。當RdyOut為高電平,表示CY7C09449的局部總線已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)傳輸,反之表示CY7C09449的局部總線未準備好數(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,當準備一次突發(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),每傳送一個雙字數(shù)據(jù)計數(shù)器的值就減去1,當且僅當計數(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RdyOut=0表不CY7C09449沒有準備好數(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傳遞給應用程序,則應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)送給應用程序一個消息,這時應用程序就可以通過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。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉