基于PCI总线的数据采集模块设计

摘要:本设计针对当今工业现场数据采集需求提出了一种基于PCI总线的4通道高性能并行数据采集与处理系统方案。给出了软硬件功能划分和实现方法。本系统中采用了PCI9054作为PCI接口芯片;每个通道的采样频率为5kHz,采样精度16位;经实验测试表明,整个系统工作稳定可靠。

关键词:PCI总线;PCI9054;数据采集

中图分类号:TP27 文献标识码:B文章编号:1009-9166(2010)017(C)-0126-01

引言:在工业现场控制中,设备运转过程中的各项参数如:温度、压力等都要实时监测,以便及时发现、排除异常,从而安全生产。监测的过程是通过数据采集系统采集各种传感器数据来进行的。本设计针对当今工业现场数据采集需求提出了一种基于PCI总线的4通道高性能数据采集与处理系统方案。

PCI总线标准经过几年的发展,已经替代ISA、MAC等总线成为PC机主流总线标准。相对于ISA总线的8MHz工作频率,其33Hz(最高可支持66Hz)的总线工作频率在总线宽度为32位时,传输速率为132MB/s(或264MB/s,对应64位总线宽度)。在一定意义上可以认为,PCI总线标准解决了高性能的CPU处理能力和低效的系统结构之间的瓶颈问题。

一、硬件设计

系统主要包括信号调理、高速A/D、FPGA、存储器和PCI接口芯片5个部分,其结构如图1所示。

1、信号调理。信号输入为4通道单端30V。每一路信号都有单独的信号调理电路,包括分压电路、信号放大、滤波。经调理后的信号送入16位ADC进行采样、转换。2、高速A/D。高速A/D芯片采用德州仪器公司(TI)的16位SAR(逐次逼近型)模数转换器(ADC)ADS7809,该芯片具有100kHz的的采样速率,串行输出采样值,真正实现了16位无丢失码的高精度高速数据转换。本方案采用ADS8401的单端输入方式。3、可编程器件。本方案中采用ALTERA公司的EP1C12Q240。可编程器件主要完成AD的控制、数据缓存以及与PCI桥接芯片PCI9054的交互。内部逻辑用VHDL开发主要包括时序发生器、存储器接口逻辑、PCI9054接口逻辑等几个部分。实现4通道高速并行采样。存储器控制单元为每个通道设计了一个位宽为16bit,深度为4K的FIFO。当采到数据后,由内部逻辑控制,将数据送入FIFO中。FIFO被设计成自身循环覆盖形式,作为采样数据的一级缓存,工作过程中上层应用软件对FIFO中数据个数进行查询,并及时将数据读出,以保证系统高速高效的工作。4、PCI接口。目前实现PCI接口的方法分为两种:使用可编程逻辑器件和使用专用总线接口器件。采用可编程器件实现PCI接口比较灵活,但由于PCI总线协议的复杂性,这种方法难度较大,设计周期较长。本设计中采用专用接口芯片PCI9054。PCI9054是PLX公司生产的PCI总线通用接口芯片,采用先进的PLX数据管道结构技术,符合PCIV2.1和V2.2规范;在PCI总线端支持32位/33MHz;本地端可以编程实现8,16,32位的数据宽度;传输速率最高可达132MB/s;本地总线端时钟最高可达50MHz,支持复用/非复用的32位地址数据。专用接口器件不仅对PCI协议有良好的支持,也将复杂的PCI总线数据传输逻辑简化为简单的本地控制逻辑,使得所有的接口设计工作转化为本地对FPGA的编程,大大减少了设计者的工作量。PCI9054在加电启动时,从外部EEPROM读取配置信息来进行初始化。

二、软件设计

本系统的软件分模块驱动和上层应用程序。驱动开发中选择了Numega公司的Driverstudio驱动程序开发工具包和VC6.0。Driverstudio是建立在DDK之上的驱动程序开发工具。在Driverstudio驱动程序向导里可以方便的建立起PCI9054的驱动程序框架,而且Driverstudio还提供了大量PCI9054驱动程序类函数接口,降低了开发难度、缩短了程序编写时间。

上层软件也是用VC6.0编写,主要是数据的读取,分析,告警处理以及存盘。软件流程图如下:

三、结论

本系统实现了采样频率5kHz,采样精度16位的4通道并行数据采集。经实验测试表明,整个系统工作稳定可靠,配合上层专用软件能很好的完成对工业现场的状态信息的采集、分析、处理。

作者单位:段纯爽 四川师范大学成都学院

任娟慧 成都航空职业技术学院电子工程系

文建钦 成都恩菲特科技有限公司

参考文献:

[1]祝常红.数据采集与处理技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]李贵山.PCI局部总线开发者指南[M],西安:电子科技大学出版社.

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