基于PCI总线的数据采集卡设计

第第页基于pci总线的数据采集卡设计随着计算机软硬件技术和控制、测量技术的不断进展，许多工程技术人员都将pc机作为控制、测量开发的首选平台。而pci(peripheralcomponentinterconnect，即外围部件互连)作为一种高性能、通用的局部总线，是目前计算机插卡式外设总线的事实标准。pci总线具有32／64位总线宽度。地址线和数据线复用，支持猝发传输，传输速率高达132mb／s；系统占用率低，具有较好的兼容性；有完备的即插即用(pnp)管理体制，可同时支持多组外围设备。虽然pci总线也经受了从pci、pci-x到pciexpress的进展，但pci总线因为存在时光长，开发工具、开发资料众多，在对数据吞吐量要求不是很高的工业控制、测量领域仍有着坚韧的生命力。笔者在学习了相关设计资料的基础上，设计了基于pci总线的数据采集卡，可以完成8路数字量i／o及4路差分14位a／d采集功能。本文将按照笔者的实际阅历，介绍pci接口扩展卡的软硬件设计流程。

1pci总线工作方式简介

pci总线标准由intel于1991年提出，后由pci-sig(pcispecialinterestgroup)接替了pci规范的进展。pci总线是一种时分复用的双向应答总线，传输发起方称为主设备，接收方称为从设备。其主要信号定义如下：

rfame：由主设备驱动，为低，指示一次传输的开头。

devsel：由从设备驱动，为低，指示响应传输哀求。

ado～ad31：地址、数据复用信号。pci总线的数据传输以帧为单位，每次传输由一个地址周期和多个数据周期组成。首先给出本次传输的首地址，后面紧跟一个或多个4字节宽的数据，延续传输多个数据时，其地址自动递增。

c／be0～c／be3：这4根线在地址传送周期，传输的是总线指令，c／be0～c／be3的不同组合指示在ad0～ad31上将要举行何种类型的操作，其代表的总线指令见表1；在数据传送周期，传输的是字节始能信号，用来表示在囫囵数据期间，ad31～ad0上的哪些字节为有效数据。

irdy、trdy：分离表示主设备预备好和从设备预备好。在传输过程中，惟独irdy和trdy同时有效，传输才干继续；否则插入等待周期，用于在不同速度的设备之间协调工作。

表1地址传送周期时。c／be0～c／be3所代表的总线指令prsnt1、prsnt2：pci板对电源的哀求信息，详细含义见表2。

将pci接口卡插入计算机插座，加电后，bios会按照pci接口卡上的配置信息，为其分配相应的i／o端口、存储器空间、中断及dma等计算机资源。

2pci接口卡的硬件设计

笔者设计的pci数据采集卡用法的pci接口芯片是ch365，ch365可将32位高速pci总线转换为简便易用的类似于isa总线的8位主动并行接口，支持240字节的i／o端口映射、32k字节的存储器映射、扩展rom以及中断。本数据采集卡仅用法了i／o端口映射及中断功能。本pci数据采集卡用法maxim公司的4通道14位、差分、同时采样：max1338，实现a／d转换功能，并将max1338的／eolc引脚与ch365的int_req引脚相连，以便在adc转换完成后，向pc机发出中断申请。用法两片74hc273作为输出，一片用作8路i／o输出，另一片用作对max1338控制指令的输出。用法两片74hc373作为输入，一片用作8路i／o输入，另一片采集max1338的状态指示信号。用法tlp521-4对8路i／o输入、输出举行光电隔离。用法74ls138作为地址译码。

在制作印制板时，ch365的vcc与gnd间应就近放置容量为0．1μf高频、低esr的多层瓷片，衔接pci总线的电源线引脚可以自由挑选，但数量不宜少于4对。ch365属于高频数字，应当考虑信号阻抗匹配，在设计板时需要参考pci总线规范。建议ch365的pci信号线的长度都小于35mm，尽量走弧线或者45度线，避开直角或者锐角走线，并且尽量将信号走线布在元件面；ch365的pci时钟线clk的长度尽量保持在50mm～65mm之间，并且不宜逼近其它信号线；在pcb背面保留大面积的接地覆铜，以削减周边信号线的干扰。虽然pci总线规范推举用法四层板，但考虑成本等因素，可用法双面板，双面覆铜接地。笔者做的pci数据采集卡即为双面板，经试验验证在工业现场环境下，该卡能够稳定工作。

3pci接口卡驱动程序及软件设计

在windows系统中，为避开因不当的硬件操作而导致系统崩溃，应用程序不再具有挺直的硬件拜访权，假如要操作硬件，必需借助设备驱动程序。驱动程序主要功能是完成对硬件板卡的内存映像地址、i／o地址的存取，并正确处理来自板卡的硬件中断。

microsoft为设备驱动程序的编写提供了“windowsde-vicedriverskit”(简称ddk)工具，它包含了驱动开发所需的各种类型的定义和内核函数库。用ddk编制的驱动程序有很高的运行效率，但是开发难度大，测试流程繁琐。为减轻驱动开发者的负担，无数第三方厂商提供了简化驱动开发的软件。如numega公司的driverstudio软件，jungo公司的windriver／kerneldriver软件等。尤其是windriver／kerneldriver不要求开发者十分认识操作系统平台，把握核心开发、调试学问，即可在几分钟之内开发出相应的驱动程序。但windriver的运行效率较低，因此，在对运行效率较高的场合，可用法kerneldriver举行开发，以提高运行效率。

因为本采集卡的数据吞吐量不高，因此采纳windri-ver6．21举行驱动程序的开发，其开发过程如下：

(1)运行windriver程序，挑选"createanewdriverpro-ject”；

(2)在弹出的“selectyourdevice”窗口中，从列表中挑选自己的硬件设备。因为ch365的默认厂商标识(vendor－id)为4348h，设备标识(deviceid)为5049h，因此选中“pci：vendorid4348deviceid5049”的pci设备(1)。

(3)单击“generate．inffile”按钮，产生采集卡的驱动安装信息文件。注重：需选中“automaticallyinstalltheinffile”复选框，以便可以在(4)步中测试采集卡(2)。

(4)在“defineandtestresourcesforyourdevice”窗口中，设置采集卡的i／o地址及变量名，对于即插即用(plug－and－play)设备，windriver会自动发觉其所用到的硬件资源(如：i／o范围，存储器范围及中断号等)(3)。在此可对采集卡的i／o地址举行读写测试，以便验证硬件设计是否正确。

(5)在“selectcodegenerationoptions”窗口中，选中合适的开发语言及开发平台。在此挑选“msdeveloperstudic6，5”(即microsoftvisualc++6／5)，以便windriver生成合适的驱动程序框架及相应的api函数(4)。

(6)保存windriver产生的驱动开发工程后，windriver会自动打开相应的开发环境(此处为：microsoftvisualc++6)，以便开发人员举行后续开发。

通过以上步骤，windriver生成一个基于visualc++语言的程序框架，开发人员可以在此框架的基础上举行修改，加入自己的程序，实现对硬件的操作。现以笔者编制的程序(工程文件名为adc)为例举行介绍。

在程序初始化阶段，先调用pci_get_wd_handle()，推断驱动程序windrvr6．sys是否已被加载，假如驱动程序已被加载，则调用adc_locateandopenboard()函数，打开数据采集卡。在退出应用程序前，需先调用adc_close()函数，关闭数据采集卡。

对max1338和8路i／o的寄存器操作可通过adc_readbyte()、adc_writebyte()两个函数完成。对ch365内部配置寄存器的读写可通过adc_read-pcireg()、adc_writepcireg()两个函数完成。完成应用程序的开发后，数据采集卡在其他的pc机上工作时，需提供windrvr6．