基于PCI总线的数据采集系统设计与实现

程序天使

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写在前面
近些年来计算机局部总线技术发生了很大程度的变化，第三代IO（3GIO）技术——PCI-E无论在访问延迟、带宽，还是在扩展性方面都向前迈进了一大步，PCI-E总线技术在硬件方面发生了翻天覆地的变化，但是在软件方面还能与PCI总线保持兼容。本站在后继将会对PCI类总线投入足够的关注，并且讨论在仪器科学方面的应用。作者曾经设计过基于PCI总线方面的数据采集系统，在此对该系统进行分析总结，算是对PCI总线技术进行分析的一个开头吧~~

PCI总线数据采集系统实物
设计实现的PCI数据采集卡第一版如下图所示：

    这是鄙人的本科毕业设计，这也是我做的第一个独立完成的较大型设计，所以这张照片我一直珍藏着，在此，我要感谢我的导师，是他给我提供了这样的平台。在PC端，我为采集卡开发了测试软件，通过该软件可以操作PCI数据采集卡，并且能够显示数据采集的信息。下图是开发的第一版PCI数据采集信息显示界面，该界面基于VC++/MFC平台开发。在此，贴上这两张图片，留作纪念。

       通过测试波形可以看出，设计的数据采集卡存在很大的噪声，噪声主要来自于前向通道，第一版的前向通道设计的不是很好，特别是低噪运放的电源由电荷泵的转换器提供，带载能力极弱，大大增大了前向通道的噪声，降低了信噪比。后来在设计第二版的采集系统时，很好的设计了前向通道，所以得到了非常满意的结果。
采集系统原理

    测量信号(输入范围为：±5V)在CPLD时序逻辑的控制之下通过模拟选择开关和程控放大器，并在缓冲级的配合之下输入到差分转换电路，将单端信号转换成双端差分信号，差分信号具有很高的抗共模干扰能力，降低了模数转换器的输入噪声。信号送入模数转换器之后，在CPLD的时序控制之下进行采保、量化，转换完毕的数据直接送入FIFO进行数据缓存。当缓存区的数据达到2K满时，CPLD向PCI总线控制器发出中断请求信号，PCI桥路控制器将接收到的中断请求信号转换成PCI总线中断请求信号，通知PC主机以DMA的方式将FIFO中的数据读入到内存，完成一次数据采集、数据传输和存储过程。PCI总线控制器在系统上电的过程中首先读取PCI配置寄存器中的配置信息，实现PCI系统的自动配置和即插即用。

关键技术分析数据采集
数据采集的核心为ADC，在PCI数据采集系统中采用了一款14位垂直电压分辨率，具有2.2Msps采样率，5V供电的模数转换器——MAX1201，该芯片是一种流水线型的ADC，由级联的若干级电路组成。每一级电路包括1个采样/保持放大器、1个低分辨率ADC和DAC以及1个求和电路。流水线性ADC在采样率和分辨率方面都处于中间水平，速度最高的ADC通常采用高速比较的电路结构，精度最高的ADC可以采用Δ-Σ的方式。

为了充分利用ADC的直到奈奎斯特频率的优良AC特性，模数转换器采用了差分信号输入的模式。采用差分信号输入模式可以获得两倍的信号量程、提高抗干扰性能、对输入信号的放大器预处理要求降低等优点。单端信号转换成差分信号采用了低噪声、宽频运放Max4108，转换电路参考如下：

PCI总线控制器
设计PCI设备一个比较简单的方法就是采用现有的PCI总线控制器，如果自己采用FPGA去开发PCI控制器，那么系统的开发周期将会大大加长。我在设计的时候采用了现有的PCI总线控制器。2003年时PCI总线控制器主要有AMCC公司的5933，PLX公司的PCI9052、PCI9054，另外TI公司也提供了一些总线控制器。起初我选择了AMCC的5933，因为5933很多人搞过，中科院光机所还有一篇论文描述AMC5933，所以当初我决定选用AMC5933，并且设计了系统原理图。可惜的是5933我没有买到，该芯片面临停产，郁闷的只好把以前的方案全部推倒。万幸的是在北京出差的师兄（研究生之后就成为师兄啦~）给我带来了PCI9054的消息，PCI9054在北京很多，通过这个消息，我立即修改方案，决定采用PCI9054作为PCI主控制器。从这一段经历可以看出，在PCI设计之初，我对PCI设计方面的资讯了解不是很全面哦~~实际上，这是一方面，另一方面2003年PCI设计不像如今这样满地都是，2003年PCI9054芯片需要176元，如今PCI9054价格在60~70元之间。而且那个时候网上的资料也很少，文档只有datasheet。好了，言归正传，下面介绍PCI9054的设计。


PCI9054为PCI总线主控制器，在PCI总线上，其地位与CPU等同，都是PCI总线的主控制器。PCI9054可以向PCI总线仲裁器发出总线申请请求，获的总线之后，PCI9054可以向总线上的其它PCI设备读写数据，利用该特性，PCI9054可以直接将采集得到的数据DMA到系统内存中，而无需经过CPU的读写操作。


PCI9054是一个PCI总线桥，其将本地简单的ISA总线转换成了PCI总线，所以PCI9054也可以称之为总线桥。本地ISA总线在PCI9054中称之为local bus，该总线类似于内存总线，所以可以很容易与控制器、FPGA进行时序接口。由于通过桥的转换，设计者更多的是关心local bus的行为，屏蔽了PCI总线上的具体行为，因为，PCI9054能够将local bus的行为映射成PCI的时序行为。通过这种机制，PCI设备的设计大大简化了。


PCI总线是第二代IO总线，与第一代IO总线（ISA、VME、EISA）相比，最大的一个优点在于plug & play（即插即用pnp）。为了实现即插即用，PCI协议规范中引入了配置空间的概念，这也是学习、设计、研究PCI总线很重要的一个概念。配置空间的提出从思路上来看应该是顺利成章的事情，其主要目的是解答CPU提出的如下三个问题：
1、
你是谁？
2、
你需要什么资源？
3、
你有什么功能？
通过这些解答这三个问题，CPU就可以为PCI设备分配资源（中断、IO地址），并且可以加载设备驱动程序。在系统上电的时刻，PCI总线控制器会通过特殊接口（例如SPI）扫描配置芯片，如果不存在配置芯片，那么采用默认值填充配置空间，否则，会从配置芯片中读取配置数据，然后设置配置空间的各项寄存器。PCI根hub会检测到PCI设备的插入行为（检测PCI设备的插入是通过PRSNT1、PRSNT2两个引脚实现的，此外，这两个引脚还表示了设备需求的功耗大小），然后开始发起读PCI配置空间的过程，读完配置空间之后开始分配资源，并且加载驱动，这个过程在后继blog会有详细分析~~


PCI的配置空间设计非常重要，设计过程中采用了93s66作为配置芯片，如果配置空间中的数据设置错误，那么系统将无法正确加载驱动程序。

程序天使

PCB布板
PCI总线时钟频率只有33MHz，所以频率不是很高，但是需要注意的一点是PCI时钟采用的是反射升压的原理，也就是说PCI时钟是通过终端反射来提升信号幅度，这里利用了传输线的原理。这就对PCI时钟线的长度提出了要求，必须符合规范中的2.5 英寸长度要求，否则会导致多块PCI板在同一个系统中出现无法正常工作的情况。为了达到这样的长度，时钟线的布线往往采用蛇形走线，细心的朋友可能已经看出我设计的PCB存在问题，PCI接口上没有蛇形线，PCI时钟线肯定在B面（元件面）的，为什么没有看到蛇形线呢？其实，这是第一版PCI数据采集系统设计中的一个问题，只不过问题没有表现出来罢了。

设备驱动程序
在开发第一版PCI设备过程中，非常得益于PLX提供的评估驱动和PLX调试工具，否则我的本科毕设不知道是否能如期完成~~在毕设完成之后的那个暑期，我开始自己编写PCI数据采集卡的设备驱动程序，该驱动的开发基于driverstudio平台，采用C++的方法进行开发，开发过程阅读了三本Windows驱动书籍，其中对我最有效的是武安河的《WDM设备驱动程序开发》。


PCI数据采集卡的驱动主要完成了IO读写、DMA中断事务的处理以及DMA的数据传输。在Driverstudio中将Window DDK进行了封装，所以编写设备驱动时直接采用封装的类库就可以了，例如使用DMA传输的方法，采用KDmaTransfer。关于Windows平台下的设备驱动编写在后继的blog中将会有相应的博文进行讨论。

PCI数据采集卡设计心得
对于数据采集部分的心得我不想多说了，其与应用相关，对于不用的应用具有不同的信号特征，针对不同的信号特征，可以采用五花八门的数据采集方法。例如，并行高速采样、等效采样、高分辨率采样、浮点采样等等。这里再说两句PCI总线的设计心得：
1、
得益于PCI总线控制器，PCI设备卡的设计、实现并不是十分复杂，无论是DMA数据传输还是IO数据读写都可以相对比较容易的完成，设计的重点就在于local bus时序方面的设计（通常采用FPGA实现local bus的时序接口）。传统的PCI总线频率只有33MHz，所以对于PCB设计难度不是很大。总的而言，PCI设备卡的开发应该是一个大众化的技术。
2、
对于硬件设计人员而言，设备驱动是PCI设备开发过程中遇到的一个技术高峰。对于自学、开发设备驱动，我大概用了一年左右的时间，对于系统内核的真正理解、把握是在我工作之后。当我从事软件开发一段时间过后，回过头来看看我曾经开发的PCI设备驱动，原来是如此简单！但是对一个纯硬件人员而言，的确有难度，因为硬件人员对操作系统的机制不熟悉，导致理解设备驱动处于“空中楼阁”的状态，只知其然，但不知所以然。如果要战胜这一技术高峰，需要硬件人员在软件方面的知识积累。
3、
PCI系统开发的核心技术在于总线控制器，总线控制器一般分成两大类，一类为PCI桥；另一类为PCI设备控制器。国内搞PCI总线控制器的有，但是做成产品的好像没有。PCI总线控制器分两部分，一部分为物理层的收发器，传统的PCI总线不需要，如今的PCI-E就需要了，所以更是提高了设计难度；另一部分为PCI logic core，这一部分的设计难度相对小点，实现控制通道和数据通道。对于搞高速互联技术方面研究的人员而言，这一点是需要我们去关注和投入智慧的地方。

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lz对vc++进行数据采集的编程很熟练吧？
我原来是学软件的，现在从事的是数据采集编程，主要就是研华的板卡，不知lz熟悉不？我还在慢慢摸索中