光纤温度传感与测量技术中PCI总线的高速数据采集卡的设计与实现

【摘要】随着各行各业逐渐实现信息化，其中PCI总线技术已经在很多行业中有非常广泛的运用。针对分布式光纤温度检测系统的数据采集，系统设计要求具有精度高、速度快、采集信号微弱的特点，根据成本要求，采用PLX PCI9054、Altera Cyclone FPGA、LINEAR LTC2241等硬件完成了系统的搭建工作，介绍了系统的工作原理和开发思路，描述了系统软件的开发和功能，本文针对这些问题进行了详细的分析。

【关键词】PCI总线；高速数据；采集；设计

一、前言

光纤温度传感与测量技术是测控领域新的发展方向之一。由于光纤具有重量轻、体积小、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围宽、高灵敏度等特点，对传统的测温传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，适配特总行业需求完成前者很难完成甚至不能完成的任务。分布式光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等重要特点，因此，光纤温度传感技术受到各国科技人员的高度重视并进行了深入研究。它可用于冶金、化工、电力、建材等领域，解决电磁干扰大、环境恶劣场合的温度测量与控制问题。

近年来，随着航空、航天、测控等技术的迅速发展，分布式光纤温度检测系统逐渐普及，渗透多领域，这就对数据采集系统的性能要求更加苛刻，要求能够采样较微弱的光电变化信号，采样的精度和速度要求更高，因此研制开发了一套高性能数据采集系统。该系统较以往开发的数据采集系统，在设计方案、操作界面等方面均有了较大改进，如该系统采用pci总线，传输速率得以大大提高，系统软件运行于windows操作系统下，较以往该领域的DOS系统，在操作上更方便，界面更友好。采用先进的微弱信号采样算法提取有效信息，本文介绍了该数据采集系统的设计与研制方案。

二、系统的总体设计方案

系统具体工作要求：配置两通道可以供用户采集转换使用，可以同时采样分布式光纤的斯托克斯光及反斯托克斯光信号；另外为了达到相关指标的要求，A/D分辨率应达到12位、采样速率210Msps以上，通道带宽150M。从要求可以看出本系统具有多路数、精度高、速度快的突出特点。针对这些特点，选用PLX 的PCI桥接芯片PCI9054；前段采样选用凌特的ADC芯片LTC2241-12，次芯片为12bit精度，210Msps满足了模拟信号的高精度、高速率要求。作为该板卡工作的控制中心采用Altera公司的Cyclone系列EP3C40作为主控芯片FPGA，选择使用FPGA，因为FPGA具有精度高、速度快、稳定性好的特点。整个系统中EP3C40控制LTC2241采集输入通道的模拟信号，PCI9054负责与系统通信，通过其局域总线传递系统控制信息，并将采集数据传输给pci总线。

三、系统的硬件设计

系统硬件的设计主要是围绕模拟信号的输入调理，模拟信号的采集FPGA的LTC2241控制时序编程，利用硬件描述语言开发PCI9054局域总线的通信驱动，PCI9054驱动参数的适配。

图 1

1、模拟信号的输入调理

如前所述，本系统设计需要2个通道模拟输入，如下图2所示，模拟输入的前级采用了THS3091，此运算放大器为一个高电压，电流反馈型运算放大器。设计时考虑匹配APD输出阻抗，同时驱动下级。第二级放大器采用LTC6406，该芯片为轨至轨型差分放大器，拥有3GHz的带宽足以满足高增益下带宽需求。

图 2

2、采样电路的实现

采样电路部分主要完成模拟数据的AD转换，LTC2241芯片完成12位精度的AD转换，由光的时域反射理论（见公式 1）可知1米采样间隔其需要理论采样间隙t大概150MHz，LTC2241采样率为210Msps，其满足3米测量精度要求。LTC2241原理图如下图3，提供独立参考电压输入端REFH（L），数据接口可配为CMOS接口或LVDS接口，本系统采用CMOS接口方式其执行时序如下图4，Fpga在内部时钟的控制下执行图4控制时序不间断读取LTC2241转换值，这样就两个通道的高速采样。

公式 1

图 3

图 4

3、FPGA程序设计

FPGA程序设计的任务包括：

（1）执行图 4 时序控制LTC2241实现模拟信号采样。

（2）与PCI桥接芯片局域总线通信。

3、PCI接口设计

PCI接口采用PLX 的PCI9054桥接芯片，其作为一种接口芯片，在PCI总线和LOCAL总线之间传递信息。该设计系统就是利用PCI9054的这一特性，通过接口控制电路 ，为设备和PC机间搭建一座硬件桥，完成数据的顺利传输。

PCI9054本地总线可以工作在M，C，J三种模式，M模式为Motorola的Mcu接口工作模式，此模式专为其MPC850和MPC860提供接口。C模式是一种类似于单片机的工作方式 ，在这种工作模式下，PCI9054芯片通过片间逻辑控制，将PCI的地址线和数据线分开，较为广泛的应用于系统设计中。J模式是一种没有LOCAL Master的工作模式，它的好处是地址数据线没有分开，严格仿效PCI总线的时序。但增加了很多的控制信号。本系统选用PCI9054的C模式工作方式。

数据传输模式，PCI9054支持主模式，从模式，DMA传输模式，可以用于试配卡和嵌入式系统，其中主模式（pci initiator）操作主模式操作就是允许本地的cpu访问pci总线的内存和I/O接口。模式选择必须在pci命令寄存器中使能给出。如pci主设备存储器和i/o范围寄存器，pci基址寄存器，主设备配置和命令寄存器等。主模式操作包括pci主设备存储器和i/o译码，pci主设备存储器和i/o配置访问，pci双地址周期访问，pci主设备存储器写并无效等操作。从设备（pci target）从模式就是允许pci总线上的主控设备访问局部总线上的PCI9054的配置寄存器和内存，支持突发和单周期动模式传输。PCI9054通过16字长的pci从设备度FIFO和32字长的pci从设备写FIFO，来支持从pci总线到局部总线上的突发和单周期存储器映射访问和i/o映射访问。Pci基址寄存器用来设定pci存储器和i/o地址空间。从模式操作包括延时读操作，提前读操作等。这种模式有非复用的地址和数据总线，电路设计，时序和控制相对简单。（direct memory access）操作PCI9054拥有一个强大的双通道分散/收集dma控制器，支持pci主机和适配器内存的高效突发传输。两个独立的dma通道能从局部总线到pci总线和从pci总线到局部总线传输数据。每个通道包括一个dma控制器和一个专用双向FIFO。两个通道都支持块传输，分散/收集传输，应用或者不用EOT传输等。模式选择在PCI9054 成为一个pci总线主设备之前由主设备使能位（pcicr[2]）使能。另外，两个dma通道都能编程实现8，16，32bit局部总线带宽，使能/使无效内部等待周期，使能/使无效局部总线突发传输；执行pci存储器写并无效操作；设置pci中断（inta）或看是否本地中断等。

图 5

FPGA的软件开发使用Verilog HDL语言在Quartus II 9.0环境下进行开发，其模块包括：LTC2241串行总线驱动、pci9054本地总线驱动、同步信号输入输出。

四、测试系统的软件设计

应用软件使用Microsoft Visual Studio 2010 C#开发，运行于Windows环境下，人机界面友好，包括系统测试软件和和系统校准软件。系统校准软件是对系统的精度进行计量的软件。该软件包采用中文下拉菜单方式提示操作、显示、打印，自动记录和存储所有测试数据，以便于事后调出查询，观察分析，重新显示输出；测试数据套用相关标准限制曲线图形，标准规定的极限曲线与试验数据填充曲线的对比图形可同时显示打印，以便于判断测试结果是否满足设计要求。

图 6

五、结束语

综上所述，本文针对PCI总线的高速数据采集卡中设计方案以及设计过程中硬件和软件的设计方案进行了针对性的分析，针对相应的软件设计进行了系统设计，结果显示相应的设计能够满足实际的使用需求，保证了在高速数据采集的情况下，能够很好的完成分布式光纤温度数据收集任务。

参考文献

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