基于DSP的PCI高速测控系统结构的研究设计

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引言
随着数字信号处理芯片性价比的不断提高，数字信号处理的应用领域飞速发展，同时Pentium高速CPU的出现，要求有极高的数据通量予以支持，而低速的ISA总线在解决这些问题方面逐渐无能为力，取而代之的是高速的PCI总线。PCI总线可将高速外围设备直接挂在CPU总线上，33MHz／32位时数据传输速率可达132MB／s，66MHz／64位时更是性能加倍，打破了数据传输速率的瓶颈，使得CPU的性能得到充分发挥。如果采用美国TI公司生产的高速高性能数字信号处理器DSP取代原来的单片机作为板载CPU，可以充分利用PCI总线的优点直接将采集的数据传到微机内存，有效地解决了数据的实时传输和存储问题。
测控系统的硬件组成
系统基本硬件结构如图1所示。整个高速测控系统主要由信号调理电路、DSP模块、FIFC)存储器、CPLD控制电路、PC19054接口芯片等组成。系统采用主从结构，PC机作为上位机，用于完成对系统的控制(如AD转换的开始、DSP复位、中断响应、数据接收与处理等)。DSP作为下位机，用于完成数据的采集与处理、PWM波以及其他外围信号的控制等。


DSP测控模块介绍
系统采用的DSP芯片为TI公司的TMS320LF2407。电路设计时，利用的DSP内部的16通道A/D转换实现数据采集，DSP与FIFO的电路接口电压都为3.3V，可实现无缝连接，DSP的数据总线直接与FIFO的数据输入端口相连，DSP与FIFO的时钟频率应设为相同。这样，无需插入等待周期，控制信号经CPLD直接转换为FIFO的读写信号，实现数据的高速存储。

先进先出存储器
在DMA传输方式下，由于PCI9054内部的FIFO只有32级深度，实时传送高速数据时，PCI9054内部的FIFO会很快存满，而DSP内的数据仍会源源不断的传送过来，易造成数据的丢失，因此必须要扩展外部FIFO。
本系统采用I D T公司高速CMOS同步FIFO芯片IDT72V3660，它的容量为4096×36bit；有高达100MHz的读写速度；可以兼容3.3V和5V两种接口电压。该FIFO具有标准的"满"(FF#)、"半满"(HF#)、"空"(EF#)等标志。系统可以根据这些标志信号控制对FIFO的读写操作。在CPLD的逻辑控制下，当WEN#有效时，在WCLK的每一个上升沿，FIFO会把输人数据线上的数据存入内部存储器。当REN#有效且输出允许(OE#有效)时，在RCLK的每一个上升沿，FIFO会把内部存储器中的数据发送到输出数据总线上(低电平用"#"表示)。

控制逻辑芯片CPLD
本系统采用Altera公司的EPM7 128来实现系统的逻辑控制，主要包括DSP控制逻辑、FIFO控制逻辑、PCI9054接口控制逻辑三个部分，其中，对PC219054的逻辑控制是设计的重点。设计中利用MaxPlusⅡ软件进行VHDL语言编程、仿真和调试。

PCI9054及外部接口分析
PCI与板载CPU的桥接有两种设计方案，一种是采用FPGA，通过软件编程实现硬件功能。另一种是利用专用PCI桥接芯片，适合快速开发的场合。
本系统采用PLX公司的PCI总线专用接口控制芯片PC19054。它符合PCIV2.1和PCIV2_2规范；可同时支持3.3V和5V两种信号环境；提供了两个独立的可编程DMA控制器；内部有6种可编程FIFO，以实现零等待突发传输及局部总线和PCI总线之间的异步操作；在PCI总线端支持33MHz／32位，传输速率最高可达132MB／s；在局部端可编程实现8／16／32位的数据宽度，支持复用／非复用的32位地址／数据，时钟最高可达50MHz。
PCI9054局部总线可工作在M、J、C三种模式，M模式是专门为Motorola公司的 MPC850和MPC860提供直接非复用的接口；J模式地址／数据线复用；C模式与J模式差别不大，但地址／数据线非复用，更符合连接习惯。本设计采用C模式。
PCI9054的数据传输模式可分为主模式、从模式、DMA模式。模式的选择主要根据硬件设计者对硬件的设计需要而定。本系统采用DMA模式，在DMA传输模式下，PCI9054既是PCI端的主控方，又是局部端的主控方。
PCI9054集成了两个互相独立的DMA通道，每个通道都支持Block DMA和Scatter／(3ather DMA，其中通道0还支持请求(Demand)DMA传输方式。当有通道进行DMA传输时，DMA控制器将发起对局部总线和PCI总线操作，其传输过程如图2所示。


PC219054提供了三个物理总线接口：PCI总线接口、EEPROM接口、局部总线接口。PCI总线接口依照PCI扩展板上定义的引脚分配情况将彼此对应的信号连接在一起即可。本系统采用的EEPROM为4K、3.3V串行的93LC66B，通过对PCI时钟分频来产生EEPROM时钟，内部存放PCI9054的配置信息，系统加电时PCI9054自动加载EEPROM中的配置信息，并由BIOS通过PCI总线对配置寄存器读写，来完成各种控制功能。接口电路如图3所示。


PCI9054在DMA传输方式下，通过设置其DMA控制器内部的寄存器即可实现两总线之间的数据传送。传输过程由以下几个步骤实现：
1．设置传输方式寄存器：通过寄存器DMA MODE0或DMAMODE1的位9来设置DMA通道的传输方式，置0表示Block传输，置1表示Scatter／Gather传输；
2．设置命令／状态寄存器：启动／停止DMA操作，并读此寄存器返回DMA状态；
3．设置描述寄存器：设置DMA的传输方向；
4．设置传输计数寄存器：以字节为单位设置传输数据量；
5．设置PCI地址寄存器：设置PCI总线侧的地址空问；
6．设置局部地址寄存器：设置局部总线侧的地址空间。
当进行数据采集时，由应用程序或通过DSP的外部引脚(pin21)向DSP发出采集命令，同时复位FIFO，在13SP内部程序和CPLD的控制下，数据经DO-31源源不断地输入到FIFO中，当FIFO半满时发出半满标志信号(HF#)，CPLD接到半满信号后，立即向PCI9054发出中断请求信号(LINT)，驱动程序响应中断，在中断响应程序内，发出读命令、要读取的字节数、传输方向、地址信号等，PCI9054设定"DMA传输开始位"启动数据传输，当ADS#为低(有效)，BLAST为高(无效)，LW／R为低(有效)时，表明PCI9054开始一个有效的读数据周期，CPLD产生一个低电平信号REN#给FIFO，同时作为Ready信号返回给PCI9054， 表明已准备就绪。直到ADS#为高(无效)且BLAST#为低(有效)时，表明PCI9054已经开 始最后一个周期，同时设定D M A"传输结束位"结束DMA操作，此时REN#信号再次变高电平(无效)，完成一次数据突发传输。接口电路如图4所示。


该系统的软件设计主要包括DSP测控程序、PCI设备驱动程序和Windows应用程序三个部分。驱动程序是连接硬件系统和应用程序的桥梁，是整个测控系统开发中的关键一步。在此简单介绍一下PCI设备驱动程序开发过程。
在Windows环境下共有三种类型的驱动程序，分别是VXD、NT、WDM。因为WDM可以应用在windows98／2000／XP下，支持即插即用、电源管理、WMI等功能，是Windows NT驱动体系基础上发展起来的未来主流驱动程序体系，所以为这里选择设计WDM驱动程序。
开发工具选择Compuware公司提供的DriverStudio完~成驱动程序的开发，DriverWorks是DriverStudio中的一个部分，DriverWorks中的类库封装了针对驱动程序的各种通用操作，使用其中的DriverWizard向导功能，能够非常方便地实现WDM驱动程序的开发。
其中PCI配置空间的访问采用KPciConfiguration实现。I／O访问采用DriverStudio中的KIoRange类实现。硬件中断响应的处理可以采用Kinterrupt类实现。DMA读主要是利用三个类来实现数据传输，分别为：KDmaTransfer、KdmaAdapter和K C o m m o n D m a B U ff e r。KDmaTransfer用于DMA传输控制。KdmaAdapter用于建立一个DMA适配器来说明DMA通道的特性。KCommonDmaBuffer用于申请系统提供的公用缓冲区。
执行过程中驱动程序首先设置PCI9054的工作方式和中断寄存器、DMA配置寄存器，然后等待本地中断的到来。当FIFO半满时表明本地中断到来，在设备成员函数Isr_IrqO中屏蔽本地中断，在设备成员函数DpcFor_Irq()中调用KDmaTransfer：Continue()函数进行DMA传输。一次数据传输完毕后，驱动程序通过操作系统将内核中的数据拷贝到用户态内存，交给应用软件处理。

结语
在实验室中利用PCI9054作为接口芯片的高速测控系统，可实现持续数据传输速率达50MB／s，且系统运行稳定，具有广泛的应用前景。