（模式识别与智能系统专业论文）新型多功能机车模拟器操纵台接口设计.pdf

西南交通大学硕士论文第1 页 摘要 随着计算机仿真技术的发展，机车模拟器已经成为轨道交通领域职业培训 的重要手段。机车模拟器操纵台的接口系统是机车模拟器的重要组成部分，它 通过接口计算机将司机的操纵动作信号数据传递给主控计算机，实现主控计算 机与机车操纵台之间数据及控制信息的“上传下达”及“下采上送。本论文以 机车模拟器操纵台接口系统为研究对象，提出并实现了一种基于p c i 总线标准 的接口卡硬件设计及软件实现方案。该接口卡可以实现机车模拟器操纵台与接 口计算机之间数据的传输，具有典型意义和参考价值。 论文的前半部分主要对p c i 总线技术展开论述。首先对p c i 总线的发展、 特点、总线操作及配置进行深入、详细的分析。紧接着对机车模拟器操纵台接 口系统的进行分析，选择使用p c i 总线专用接口芯片p c i 9 0 5 2 来实现p c i 接口。 最后对p c i 9 0 5 2 芯片的性能、特点进行简要介绍。 论文的后半部分重点讲述了p c i 接口卡的硬件设计及软件实现。在硬件设 计方面，特别讨论了p c i 接口模块、逻辑控制模块、信号调理模块、模数转换 模块、数模转换模块等的设计方案和硬件电路的实现方法。在软件方面，基于 q u a r t u si i 环境下用硬件描述语言实现控制逻辑模块，并用w i n 2 0 0 0d d k 和 v i a u a lc + + 等软件开发了p c i 设备的底层驱动。 在对接口卡进行试验和测试后，证实整套方案完整有效，还可根据目标对 象的不同而作出相应的调整，具有良好的通用性和可扩展性，可大大降低系统 的开发风险，缩短了系统开发的时间。 关键词：机车模拟器；数据采集；p c i 总线；驱动开发；d d k 西南交通大学硕士论文第1 i 页 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ( c s t ) ，l o c o m o t i v e s i m u l a t o r ( l s ) h a sb e c o m et h ei m p o r t a n ti n s t r u m e n to fc a r e e rd e v e l o p m e n ti nt h e f i e l do fr a i l t r a n s p o r t a t i o n i n t e r f a c es y s t e m ( i s ) o fl sc o n s o l e h a sb e e na l l i m p o r t a n tc o m p o n e n tp a r to fl s ，a n di td e l i v e r ss i g n a ld a t ao f d r i v e r sm a n i p u l a t i v e m o v e m e n t st ot h em a i nc o n t r o lc o m p u t e rt h r o u g hi n t e r f a c ec o m p u t e r ( i c ) ，r e a l i z i n g t h ed a t aa n do p e r a t i n gi n f o r m a t i o ng ou pa n dd o w nb e t w e e nd i f f e r e n t l e v e l sa n d t r a n s p o r tb e t w e e nm a i nc o n t r o lc o m p u t e ra n dl o c o m o t i v ec o n t r o lp a n e l w i t ht h es u b j e c t i n v e s t i g a t e d i n t h i s p a p e rb e i n g t h ei n t e r f a c e s y s t e mo f l o c o m o t i v es i m u l a t o rc o n s o l e ，ap r o g r a mi sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e dc o n c e m i n g t h ei n t e r f a c ec a r dh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a mw h i c ha r eb a s e do nt h e p c ib u ss t a n d a r d t h i si n t e r f a c ec a r dc a l lr e a l i z et h et r a n s m i s s i o no fd i g i t a l i n f o r m a t i o nb e t w e e nl o c o m o t i v es i m u l a t o rc o n s o l ea n di n t e r f a c ec o m p u t e r , p r o v i d i n gr e p r e s e n t a t i v es i g n i f i c a n d ea n dr e f e r e n c ev a l u e t h ef i r s th a l fp a r to ft h i st h e s i sw i l lm a i n l ye x p o u n dt h ep c ib u st e c h n o l o g y f i r s t , i tw i l l i nd e t a i ld e m o n s t r a t ep r o f o u n dd i s c u s s i o no fi t s d e v e l o p m e n t , c h a r a c t e r i s t i c s ，b u so p e r a t i o na n da l l o c a t i o ns e p a r a t e l y t h e na n a l y s i so fi n t e r f a c e s y s t e mo fl o c o m o t i v es i m u l a t o rc o n s o l ew i l lb ep r e s e m e d , u s i n gp c ib u ss p e c i a l i n t e r f a c ec h i pp c i 9 0 5 2t or e a l i z ep c ii n t e r f a c e t h el a s tp a r tw i l lb et h eg e n e r a l i n t r o d u c t i o na b o u tt h ef u n c t i o n s ，a n dd i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e so fp c i 9 0 5 2c h i p t h el a t t e rp a r to ft h et h e s i sm a i n l yg i v e sa na c c o u n to ft h ep c ii n t e r f a c ec a r d s h a r d w a md e s i g na n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fh a r d w a r e d e s i g n , s p e c i f i c a l l yd i s c u s s e da r et h ed e s i g np r o p o s a l so fp c ii n t e r f a c em o d u l e ， l o g i cc o n t r o lm o d u l e ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e sa n dd ac o n v e r t e rm o d u l e ，a n d t h ei m p l e m e n tm e t h o do fh a r d w a r ec i r c u i t f r o mt h e p e r s p e c t i v e o fs o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n , t h i st h e s i sw i l lf o c u so nh o wt or e a l i z et h ec o n t r o lo fl o g i cm o d u l e w i t hh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g eb a s e do nt h ee n v i r o n m e n to fq u a r t u si i ，a n d h o wt o d e v e l o pt h eu n d e r l y i n gd r i v e r so fp c id e v i c e sw i mt h eh e l po fs o m e s o f f w a r e ss u c ha sw j n 2 0 0 0d d ka n dv i s u a lc + + a f t e rt h et e s t so fi n t e r f a c ec a r d , w h a t sc o n f i r m e di st h ew h o l ep r o g r a m sb e i n g c o m p l e t ea n de f f e c t i v e ，b e i n ga b l et ob ea d j u s t e db a s e do nt h ed i f f e r e n c eo fi t s s u b j e c t sa n do b t a i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a v o r a b l ev e r s a t i l i t ya n de x p a n d a b i l i t y 西南交通大学硕士论文第1 i i 页 t h i sp r o g r a mh a si m m e n s e l yd e c r e a s e dt h e s y s t e m sd e v e l o p m e n t a l r i s ka n d d u r a t i o no fd e v e l o p m e n t k e yw o r d ：l o c o m o t i v es i m u l a t o r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c tb u s ；d r i v e r d e v e l o p m e n t ；d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ； 西南交通大学曲南交通大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密钐使用本授权书。 ( 请在以上方框内打吖”) 学位论文作者签名鞘 醐：川p 6 以 雾姜剖磁轹彳锨 日期一跏呵。莎沙乏7 西南交通大学学位论文创新性声明 v ， 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 针对机车模拟器操纵台接口提出并实现了一种基于p c i 总线的数据传 采集卡的方案，该方案对数据采集具有典型意义。 学位论文作者签名 日期 |， 06 d 矽 西南交通大学硕士论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 新型多功能机车模拟器是计算机仿真与培训技术在轨道交通领域的一个 重要应用，主要用于培训各类轨道列车司机。在机车模拟器上对司机进行较逼 真的正常和紧急情况下的模拟驾驶技巧训练、考核以及部分故障的应急处理训 练，不仅可以确保人员与设备的安全，而且可以提高培训质量、节约培训经费 i t o 机车模拟器由驾驶舱( 或司机室) 、视景仿真系统、声音仿真系统、运动 仿真系统( 可选) 、操纵台接口系统、主控系统、教员监控系统、学员观摩系统、 故障处理系统、监视系统以及其他辅助设备等组成堙1 。 本文以机车模拟的操纵台接口系统为研究对象，展开p c i 数据采集卡的设 计工作。在机车模拟器的接口系统中采用了p c i 工控机作为操纵台的接口计算 机，该接口计算机是以p c i 总线规范为标准，适合于工业生产及过程控制的一 种计算机，主要实现计算机与机车操纵台之间数据及控制信息的“上传下送 。 机车模拟器操作台接口系统控制量由模拟量和数字量组成。比如制动缸压力、 列车管压力、电力机车手柄级位、电表、速度表、运行监控记录器所需的速度、 指示灯、信号灯、琴键开关等髓1 。而基于p c i 总线的数据采集卡正是该接口装 置的核心部分，它将机车模拟器操纵台的模拟信号转换为数字信号，并与直接 来自传感器的其它数字信号、开关信号等送入计算机，进一步予以处理、显示、 传输与记录。 机车模拟器操纵台的接口信号具有种类各异、数量繁多等特点，普通的数 据采集卡难以满足需要。具体的针对机车模拟器操纵台接口系统开发一款适用 于机车模拟器的p c i 数据采集卡既能节约成本、剪裁得体，又能对后期的维护 和更新提供良好保障。本文正式在这样的背景下，结合成都运达科技创新有限 公司的机车模拟器展开项目开发和论文的撰写。 西南交通大学硕士论文第2 页 1 2 国内外研究现状及发展概况 伴随着微电子技术的飞速发展，数据采集技术也获得了长足的发展。国内 外许多公司和组织都在积极开展数据采集方面的研究和应用工作。国内外研发 数据采集卡的公司主要有n a t i o n a li n s t r u m e n t ，s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g ， a c q u i s i t i o nl o g i c ，a d l i n k 等3 | 。 现代微机的扩展槽通常有两种接口标准：一种是过去常用但现在已淘汰的 i s a 总线，另一种是支持即插即用的p c i 总线。p c i 总线以其优良性能和可适 应性成为p e n t i u m 以上微机的主流总线。现在开发微机接口设备，通常采用p c i 总线。目前市场上基于标准总线的高速数据采集卡产品非常多。数据采集卡上 所使用的总线标准，从传输速度上看，由早期的i s a 总线到p c i 总线再到p x i 总线甚至于最近流行的p c i - e 总线，其传输速率已有很大的提高。结合虚拟仪 器技术，目前市场上的卡式插槽模块，拥有更小的体积、更高的性能和集成度， 特别适用于集成化的测控系统中，尤其是在自动测控集成方面有着相当大的优 势，因而卡式结构的数据采集模块得到了非常广泛的应用。 p c i 总线推出以后，其以突出的性能备受计算机和通信业界的青睐，它取 代以往的总线，成为高档机及高性能工作站外部部件的基石。p c i 总线作为一 种局部总线，一边与处理器和存储器总线接口，另一边为外设扩展提供了高速 通道。时钟频率为3 3 m h z 、3 2 位的p c i 总线，可以实现1 3 2 m b s 的数据传输速 率，6 4 位的p c i 总线性能则加倍。它可以有效的解决数据的实时传输和存储， 为信号的实时处理提供了方便。 随着科技的发展和技术的进步，市场上出现了要求更高带宽的设备时，如 g b p s 以太网、光纤通道、u l t r a 3s c s i 和多端口网络接口控制器( n i c s ) ，传统 的p c i 总线无论从总线时钟频率还是总线使用率都显得低了，于是1 9 9 9 年出现 了p c i - x 总线。p c i - x 总线在p c i 总线的基础上，进一步提高了时钟频率，改 进数据传输协议使之更加合理。但是这些总线都是并行总线，有多条地址线、 数据线和控制线，挂连多个设备，总线带宽由多个设备共享。显然，在并行总 线上挂接多个高速设备时，必须进一步提高时钟频率，而时钟频率的提高并不 是无限制的。 在此情况下，出现了第三代总线p c ie x p r e s s 。该总线在总线结构上采取了 根本性变革，主要体现在两个方面：一是由并行总线变为串行总线；二是采用 点到点的互连。p c ie x p r e s s1 0 支持每条通路在每个方向上的数据传输率达到 西南交通大学硕士论文第3 页 2 5 g b p s ，每字节1 0 位编码，这样两个方向上的数据传输率达到0 5 g b p s ，整 个链路的总带宽最高可达1 6 g b p s ，远远高于目前任何一种总线，可满足当前及 将来一段时间的高速设备的带宽需求。 1 3 课题的来源及主要研究内容 机车模拟驾驶装置是国家“七五”科技攻关成果。自1 9 8 9 年1 2 月通过国 家技术鉴定以来，经过十多年的不断完善，已形成多功能系列化产品。全功能 列车模拟器适用于各种国内外机车和地铁车辆等轨道交通的机车车辆模拟仿 真。随着仿真模拟技术在轨道交通司机培训系统中的应用，机车模拟器已经遍 及全路数个机车工厂、十余所司机学校、1 0 0 余个机务段。成都运达创新科技 有限公是目前国内唯一具备全功能轨道列车模拟器设计制造能力的单位。 早期设计研发的机车模拟器的操纵装置接口计算机主要采用s t d 工控机。 随着时代的进步和科技的发展，s t d 工控机正逐渐消失在工业控制领域，取而 代之的是更为先进的p c i 工控机。市场上购买通用p c i 接口数据采集卡，存在 成本高、功能单一及后期维护难等诸多问题，不能完全满足实际的需要。开发 适合机车模拟器应用的p c i 接口卡就亟需展开，本课题正是在这种背景下，针 对成都运达科技有限公司的多功能机车模拟器的操纵台接口系统展开研究，并 进行p c i 接口卡的设计。 本课题研究的主要内容有以下几个方面： 首先，对模拟器的操纵装置接口进行详细的分析，从中了解了操纵台接口 系统的主要功能及相关的系统控制量，为下一步设计做好准备。 其次，对基于p c i 接口的数据采集卡的硬、软件设计深入的进行分析并予 以实现，具体工作包括如何数据采集卡的硬件设计、如何用可编程逻辑控制器 件和硬件描述语言操作总线命令及时序，如何编写w i n d o w s2 0 0 0 下的驱动程 序和相关的应用程序等。 最后，焊接好电路板，确认系统识别p c i 卡，并在线烧写p c i 配置数据， 根据应用程序进行调试。 通过上述工作，初步设计出一款功能齐备，且具有典型意义的p c i 数据采 集卡。该卡具有数字量输入输出、模数转换、数模转换功能，基本满足机车 模拟器操纵台接口系统的需要。 基于以上内容，在课题中涉及到了p c i 总线协议的分析、硬件电路的设计、 硬件描述语言、w i n d o w s 驱动程序以及上层应用程序等关键技术。 西南交通大学硕士论文第4 页 1 4 论文结构 论文在内容上循序渐进，主要内容如下所示： 第一章为本论文的概述部分。简单明了的介绍论文的背景、基本内容、课 题的来源及意义。 第二章为p c i 局部总线技术。由于要设计一款p c i 接口的数据采集卡，因 而对p c i 总线技术进行详细的分析就显得尤为重要。本章针对p c i 总线展开论 述，首先对计算机总线技术做了简要介绍，然后针对p c i 总线进行详细的分析 和研究，为硬、软件设计做好铺垫。 第三章为数据采集卡的技术方案。本章首先对实现p c i 总线接口的技术方 案进行介绍和比较，然后结合机车模拟器操纵台接口系统的需求选择合适的技 术方案并对该方案选用的电子芯片作简要介绍。 第四章为硬件电路设计。本章对机车模拟器操纵台接口系统进行详细的分 析，结合分析结果和第三章确定的技术方案设计了p c i 数据采集卡的硬件电路。 考虑到开发的扩展性、延续性以及成本问题，将p c i 数据采集卡分为p c i 核心 板和功能板两个部分并对各个模块进行了详细的介绍。 第五章为p c i 数据采集卡的软件设计。本章简要介绍了可编程逻辑器件的 设计，并对该设计中的器件用v h d l 语言编程实现其逻辑功能。然后简要介绍 了一些开发w d m 驱动的软件环境，w d m 的结构和层次，并利用w i n d o w s 发布的d d k 编写p c i 板卡驱动程序，编写相应的驱动程序并进行调试。 最后为结论部分，对课题进行全面的总结和展望。 西南交通大学硕士论文第5 页 第二章p c i 局部总线技术 由于机车模拟器操纵台接口系统采用p c i 工控机作为接口计算机。因此， 要设计一款基于p c i 总线的数据采集卡就必须对p c i 局部总线技术有比较深入 的了解。本章从计算机总线技术的有关概念展开论述，对p c i 局部总线进行详 细的分析和研究，为硬件开发和软件设计打下基础。 2 1 常用计算机总线技术概述 总线是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，通常包括地址总线、数据 总线和控制总线。但计算机的总线，是有特定含义的，如“局部总线”、“系统 总线 、“通信总线”等，它们都具有明确的定义和内容。因此，一提到总线， 就一定要指出是什么总线才有意义。 2 1 1 计算机总线技术 总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信 息时，应当遵守的一些协议和规范。总线标准包括硬件和软件两个方面，如总 线工作时钟频率、总线信号线定义、总线系统结构、总线仲裁机构与配置机构、 电气规范、机械规范和实施总线协议的驱动和管理程序。通常说的总线，实际 上指的是总线标准。不同的标准，形成不同类型和同一类型不同版本的总线。 计算机总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。微型计算机系统 中广泛采用总线结构，其优点是系统成本低、组态灵活、维修方便。采用总线 标准设计、生产的硬件兼容性强，并通过系统总线可以方便的组合在一起，以 构成满足不同需要的微机系统晒，。 计算机总线的主要职能是负责计算机各模块问的信息传输。因此，对总线性 能的衡量，也是围绕这一职能而定义、测试和比较的。总线的传输率是其性能 的衡量，也是围绕着这一职能而定义、测试和比较的。总线的传输率是其性能 的主要技术指标。另外，总线的可操作性、兼容性和性能价格比，也是很重要 的技术特征。 西南交通大学硕士论文第6 页 2 1 2 常用微机总线及性能特点 从微型计算机的诞生到现在，微机总线技术也在不断发展，而且随着应用 技术发展的需要，不断有新的总线技术研制出来，同时在竞争的市场中，不同 总线还会拥有自己特定的应用领域。目前除了大家熟悉的，较为流行的i s a 、 s t d 、p c i 、u s b 等总线外，又出现了e v 6 总线、p c i - x 局部总线等。常用的 总线简要概括如下： 1 i s a 总线( a t 总线) i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线是i b m 公司八十年代为i b m p c a t 机设计的，又称a t 总线，用于a t 机主板和各接口电路板的连接。i s a 总线是 1 6 位数据线、2 4 位地址线，工作频率为8 m h z ，数据传输率为8 m b s ，允许多 个c p u 共享系统资源，从而大大改善了c p u 处理性能。 2 s t d 总线 t d 总线是由美国p r o l o g 公司提出，经p r o l o g 公司与m o s t e k 公司共同发 展起来的一种工业微型计算机的总线标准。这是一种适合工业现场控制与监测 用微机的总线标准，特别适合用来组建小型自动控制系统。具有良好的抗干扰、 防振动、抑噪声的性能，接口简单适用性强，简单易学，容易普及且支持多微 处理机系统，是一种最适用于工业微型计算机系统的总线标准。 3 p c i 局部总线 p c i 总线是一种高性能的3 2 位6 4 位地址数据复用的高速外围设备接口局 部总线。其总线标准最早由i n t e l 公司的电脑结构实验室在1 9 9 1 年底提出。p c i 总线通过桥接技术保持与传统总线如i s a 、e l s a 、v e s a 等标准的兼容性，使 高性能的p c i 总线与已大量使用的传统总线技术并存。它是目前各种总线标准 中定义最完善、性能价格比最高的一种总线标准。 4 u s b 总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 即通用串行总线) 是一种简单实用的计算机外部 设备接口标准，目前大多数主板均有提供。 5 p c i x 局部总线 为解决i n t e l 架构服务器中p c i 总线的瓶颈问题，c o m p a q 、i b m 和h p 公司 决定加快加宽p c i 芯片组的时钟速率和数据传输速率，使其分别达到13 3 m h z 和l g b s 。利用对等p c i 技术和i n t e l 公司的快速芯片作为智能i o 电路的协处 理器来构建系统，这种新的总线称为p c i x 。 西南交通大学硕士论文第7 页 2 1 3 采用总线的优点 ) 总线是联系计算机及测控设备的纽带，由于每条总线中每一条线，每一个 信号都有严格的定义，因此总线标准就是系统的结构法规。一旦选中某种总线， 任何厂家和用户都要严格遵守这个法规，这就使系统设计、生产、使用和维护 具有很多优越性。概括起来采用总线有以下几个优点h 3 。 1 简化了系统硬、软件设计 采用了面对总线标准的结构设计，使系统结构简化。可根据系统的总体性 能，将其分为若干个功能子系统或功能模块，利用总线将这些功能模块联系起 来，按照一定的规约协调动作，使系统的结构紧凑、明快，从而使硬件的调试 简单，调试周期短，节省工时。 2 简化了系统设计及系统结构 面向总线的结构使整个系统结构清晰，简单明了，节省了连接线。在面向 总线的机构中，各插座同编号的各个针都用总线信号，因而可用短线把它们连 接起来，这就可用印制板实现整个插座连接，从而简化了系统的设计和制造工 序。 3 系统的扩充和更新性能好 由于总线的标准具有国际性，规范是公开的，各国厂商都可根据市场的需 要，设计生产符合某总线标准的功能模块和配套软件。如果需要扩充功能，只 要根据总线标准，设计制造新的模块即可。 4 便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价 由于采用总线的系统产品模块化，各模块间可通过总线规约进行联系；又 由于各模块有一定的独立性，这个就可组织专业化生产，使产品的性能和质量 得到进一步提高。 5 可维护性好 采用总线标准模块化设计的产品，一般都有较好的诊断软件，很容易诊断 到模块级的故障，因此，一旦发现故障可立即更换模块，系统很快就可恢复。 西南交通大学硕士论文第8 页 2 2p c i 总线概述 2 2 1p c i 总线的发展 p c i 总线的英文全称为：p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，又称外设部件 互联。p c i 总线虽然是由i n t e l 公司提出的，但是其发展却由m m 开始。由于 i b mp c 机系统的开放性，使得i b m 产品风靡全球。m m 公司为了保护自身的 利益，于1 9 8 7 年将计算机总线由i s a 总线升级到m c a 总线，没有公开m c a 总线的技术标准，从而使其成为专有产品瞄1 。 鉴于以上原因，c o m p a q 、a s t 、e p s o n 、h p 等9 家公司于1 9 8 8 年联合推 出了一种兼容性更强的总线，既e i s a 总线，并公开了技术标准。1 9 9 1 年，i n t e l 公司首先提出了p c i 总线的概念，并与i b m 、c o m p a q 、a s t 、e p s o n 、h p 等 1 0 0 多家公司联合起来，于1 9 9 3 年推出了p c 局部总线标准叫c i 总线嘲。 p c i 总线之所以发展，其动力之一是g u i ( g r a p h u s e ri n t e r f a c e ) 的发展。 良好的用户接口界面的实现是以高性能的图形界面操作系统为基础的，而图形 界面操作系统往往需要大容量存储器。因而，对总线的性能提出了更高的要求。 另外p c i 总线可以降低系统成本也是促进其发展的一个重要因素。 2 2 2p c i 总线的特点 p c i 总线是高性能的局部总线，可同时支持多组外围设备。p c i 局部总线不 受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供一座桥梁，可作为总线之间 的交通指挥员，提高数据吞吐量畸1 。p c i 总线相对与其他总线表现的特点如下： 1 数据总线3 2 位，可扩展到6 4 位。 2 可进行突发( b u r s t ) 式传送。 3 总线操作与处理器存储器子系统操作并行。 4 总线时钟频率为3 3 m h z 或6 6 m h z ，最高传输速率可达5 2 8 m b s 。 5 中央集中式总线仲裁。 6 采用地址数据线复用技术以减低成本。 7 全自动配置与资源分配，p c i 卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的 信息，可实现即插即用( p n p ) 。 8 p c i 总线规范独立于微处理器，与c p u 更新换代无关，通用性好。 西南交通大学硕士论文第9 页 9 p c i 设备可以完全作为主控设备控制总线。 l o 5 v 、3 3 v 环境可平滑过渡。 1 1 高密度接插卡减少p c b 面积。 1 2 地址及数据奇偶校验系统更可靠。 2 2 3p c i 总线的应用 对于一个总线标准，只有提供高性能、低成本、应用广泛、生命周期长等 优点，才能成为工业标准。p c i 局部总线不仅可应用到低档至高档的台式系统 上，而且可应用在便携机乃至服务器范围中。 p c i 总线元件和插件接口与处理机是相互独立的，这样有助于将其应用到 新型处理机上去，并适合于多种处理机体系结构的要求。p c i 的自动配置功能 也使其应用更方便，对于一个系统只要有嵌入的自动配置软件，就可以在加电 时自动配置p c i 总线上的设备，为用户提供很大的方便。 2 3p c i 总线信号常用定义 在p c i 应用系统中，如果一个设备取得了总线控制权，就称之为“主设备”， 而被主设备选中以进行通信的设备称为“从设备 或“目标设备 。为了能实现 寻址、数据处理、接口控制及总线总裁等功能，p c i 接口要求目标设备至少具 有4 7 条信号线，而主设备则至少需要4 9 条。利用这些信号线便可处理数据、 地址和访问控制，实现接口控制、仲裁及系统功能。对主设备与目标设备综合 考虑，并按功能将信号分组，如图2 - 1 所示。这些信号分为以下几组：系统信 号、地址与数据信号、接口控制信号、仲裁信号、错误报告信号、中断请求信 号等5 1 。 西南交通大学硕士论文第1 0 页 必备袄纾w 逢倍蟹 竺参 当笔 ns t r u c l u r ec c 峙 p o i n 抽( n o ts u r e f o o t e d ) nn 2 s 岫自8 - m 1i ds 幢嚣r 湘mv 甜1 d o r l d ny 锄p c ie x p a n _ o nr o mb a s e d 曲yn 3 4 h胁日r 鲥nn 3 8 1 1 r * # 喇nh 3 角 m a x f n u ml a - n c ym k l j n l u mg r a n t ( n o t s m m o r 西f s 碉茸o n 目l i n t o n u p t p hi r 曲r r u p ll i n ey p 研y 【1 5 - 9 】 2 5 2 配置空间的访问 图2 - 5p c i 配置寄存器表 1 配置空间访问时目标设备的选择。 对于某一p c ! 设备，只有当输入它的i d s f , l 信号有效，并且在地址期内 a d 1 ：0 为o o 时，才能被作为配置访问的目标设备。 2 配置空间访问的类型。 访问类型采用了两种类型的配置访问，即o 型配置访问和1 型配置访问。o 型访问是指对当前正在运行的p c ! 总线上的目标设备对配置寄存器所进行访 问。1 型配置访问是指通过p c ! p c 桥对下一级p c i 总线上的目标设备一配置 寄存器所进行的访问。 3 配置访问的方法。 首先，将要访问的总线号、设备号、功能号和双字号写到配置地址端口寄 存器，接着执行一次对配置数据端口寄存器的i o 读写。 2 6 小结 要设计一款基于p c ! 总线标准的数据采集卡，就必须对p c ! 总线规范进行 西南交通大学硕士论文第1 7 页 比较深入的研究。本章简要的介绍了计算机总线技术以及一些常用总线的发展、 特点。重点研究了p c i 局部总线的标准和规范，对p c i 局部总线的信号、总线 操作和配置空间技术进行详细的说明。作者认真进行以上工作之后，对p c i 局 部总线技术有较为深入的理解，为如何选择恰当的技术方案以及如何实现p c i 数据采集卡做好了充分的理论准备。 西南交通大学硕士论文第1 8 页 第三章p c i 接口设计方案及p l x 9 0 5 2 简介 随着微型计算机的普及和广泛应用，接口技术已成为十分重要、十分关键 的技术。因为计算机的强大功能往往是由接口外围设备的能力和处理外界信息 的能力表现出来的。在深入研究p c i 总线之后，就可以根据实际需求进行p c i 接口外围设备- p c i 数据采集卡的设计，如何选择接口方案是本章论述的重 点。本章在对各种方案进行研究之后，依据具体条件选择了合理技术方案并对 该方案设计的重要芯片做出简要介绍。 3 1 接口与接口技术 3 1 1 接口概述 所谓接口( i n t e r f a c e ) 就是微处理器或微机与外界的连接部件，它是c p u 与 外界进行信息交换的中转站。计算机只有通过接口接收各种各样的自然界模拟 信号，才能应用到控制与测试领域，实现机电仪一体化。将计算机配上接口组 成计算机网，实现信息资源共享，使社会信息化口训。 现代控制系统大多数是集计算机数据采集、计算机监督控制和计算机管理 于一体的复杂系统。在硬件设计上采用“分级构造的方法 ，即把整个控制系统 分成直接控制层、间接监督层和管理控制层。每一控制层本身就是一个控制子 系统。在控制子系统内，通常采用模块化设计，使子系统可以由多个模块组成。 由于计算机的应用越来越广泛，要求与计算机接口的外围设备越来越多， 越来越复杂，微机接口本身已不是一些逻辑电路的简单组合，而是采用硬件与 软件相结合的方法，使微处理器与外部世界进行最佳耦合与匹配，以在c p u 与 外部世界之间实现高效、可靠的信息交换的一门技术。因而接口技术是硬件与 软件的综合技术u 羽。 3 1 2 接口功能 各类外部设备与存储器，都是通过各自的接口电路连接到微机系统总线上 西南交通大学硕士论文第1 9 页 去的n 。因此用户可以根据自己的要求，选用不同类型的外设，设置相应的接 口电路，把它们连到系统总线上，构成不同用途、不同规模的应用系统。接口 一般应具有如下功能： 1 数据缓冲功能 为了解决c p u 高速与外设低速的矛盾，避免因速度不一致而丢失数据，接 口中一般都设置数据寄存器或锁存器，称之为数据口。为了实现c p u 与外设之 间的联络，接口电路还要提供寄存器“空 、“忙”、“闲 、“准备好 等状态信 号，以便向c p u 报告接口或外设的工作情况，称之为状态口。 2 接收和执行c p u 命令的功能 c p u 对i o 设备的执行命令一般均以代码的形式送到接口的命令寄存器， 称之为命令口，再由接口电路对命令代码进行识别和分析，产生若干个控制信 号，再传到i o 设备，使其产生相应的具体操作。 3 信号转换功能 由于外设所需的控制信号和它所能提供的状态信号往往与微机总线信号不 匹配，信号变换就不可避免。因此，信号转换包括c p u 的信号与外设信号的逻 辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换，它是接口设计中的一个重要内容。 4 设备选择功能 微机系统中一般带有多种外设，同一种外设也肯能配有多台，一台外设也 可能包含多个i o 端口，这就要借助于接口中的地址译码电路对外设进行i o 端口寻址。只有被选中的设备才能与c p u 进行数据交换或通信。 5 + 中断管理功能 当外设需要及时得到c p u 的服务，特别是在出现故障时，在接口中设置中 断控制器，为c p u 处理有关终端事务，这样既能做到微机系统对外界的实时响 应，又使c p u 与外设并行工作，提高c p u 的效率。 上述功能并非每种接口都要具备，对于不同配置和不同功能的微机系统， 其接口功能不同，接口电路的复杂程度也不大一样，但前四种功能一般接口都 应该具备。 3 2 p c i 总线接口电路的实现方案 随着计算机处理能力的日益提高和应用领域的不断扩展，对外围设备的速 度和性能要求也越来越高，p c i 总线具有高性能和低成本两个方面的主要特点， 因此，p c i 总线在高性能和外围设备方面得到了广泛应用。目前实现p c i 接口 西南交通大学硕士论文第2 0 页 的有效方案有使用可编程逻辑器件和使用专用芯片两种。 采用可编程逻辑器件实现p c i 接口的最大好处是比较灵活。对于一个典型 的p c i 设备来说，并非实现p c i 规范中的所有功能，而只是这些规范的一个子 集，用可编程逻辑器件可以提供解决上述问题一个良好方案。 采用专用接口芯片虽然没有采用可编程逻辑器件那么灵活，但其优越性非 常明显：能够有效地降低接口设计的难度，缩短开发时间和成本，并获得较好 的数据传输性能。同时，专用接口芯片具有较低的成本和通用性，能够优化数 据传输，提供配置空间，具有用于突发传输功能的片内f i f o 等，是一种省时 省力的好方案。 通过以上两种实现p c i 接口的技术方案的分析和优缺点比较，考虑到开发 周期和成本控制，作者选择采用专用的接口芯片来实现p c i 接口。采用这种方 案不必考虑复杂的接口逻辑，甚至可以不必完全理解p c i 规范的细节，只需要 使用地址线、数据线以及少数几个读写控制信号，就能实现p c i 总线与p c i 用 户设备之间的连接，这样就可以集中尽力进行应用设计，有效降低接口设计的 难度，节省开发时间。 选定技术方案之后，就可以针对性的对机车模拟器操纵台接口系统具体问 题具体分析了。在机车模拟器操纵台接口系统中p c i 数据采集卡不必作为主设 备取得p c i 总线的控制权，只对数据起“上传下送 作用。因此，在众多的接 口芯片中选用一款性价比合理、性能优秀的接口芯片。 目前市场上有很多专用p c i 接口芯片，如a m c c 公司的$ 5 9 2 0 ( 从设备接 口) 和$ 5 9 3 3 ( 主设备接口) 系列；p l x 公司的p c i 9 0 5 0 、p c i 9 0 3 0 、p c i 9 0 5 2 、 p c i 9 0 5 4 系列；c y p r e s s 公司的c y 7 c 0 9 4 4 9 p v a c 以及t i 公司的专门用于d s p 与p c i 总线之间的桥接芯片p c i 2 0 4 0 等。由于该p c i 接口卡在机车模拟器操纵 台接口系统只是作为“从设备 对数据起“上传下送”的作用，选择具有“从 设备 功能的接口芯片即可满足需要。在p l x 系列产品中，p c i 9 0 5 2 是一款常 用的p c i 总线目标接口芯片，基于综合因素考虑，本系统采用专用的p c i 总线 接口芯片p c i 9 0 5 2 来设计p c i 总线接口电路。 西南交通大学硕士论文第2 1 页 3 - 3 p c i 9 0 5 2 芯片简介 3 3 1p c i 9 0 5 2 概述 p c i 9 0 5 2 是p l x 技术公司为扩展适配板卡推出的能提供一种混合的高性能 p c i 总线目标( 从) 模式的接口芯片。提供了一个高性能的p c i 总线目标( 从) 接口。9 0 5 2 被设计成连接大量针对p c i 总线设计的局部总线，并且也被允许相 对慢速的设备被设计成满足在p c i 总线上的1 3 2 m b s e c 的突发传送n 5 l 。 p c i 9 0 5 2 能被编程去直接连接复用或非复用的8 位、1 6 位或3 2 位局部总线。 8 位和1 6 位模式也能容易地转换成i s a 转p c i 的设计。p c i 9 0 5 2 包含读和写 f i f o ，用来将3 2 位宽3 3 m h z 的p c i 总线与有可能总线宽度要窄或慢的局部总 线的速度进行匹配。最大5 个局部地址空间和4 个片选被支持。 3 3 2p c i 9 0 5 2 的功能介绍 p