摘 要:PCI總線是當(dāng)今計(jì)算機(jī)的主流I/O總線,具有高傳輸率、支持DMA操作、即插即用等性能。本文介紹了PCI總線的特點(diǎn)和工作原理,提出了PCI總線DAQ卡的設(shè)計(jì)原理,以及Windows環(huán)境下DLL驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法;結(jié)合基于PCI總線的DAQ卡的研制,討論了對(duì)這種硬件在不同的實(shí)際測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:PCI總線 ;DAQ卡;測(cè)控系統(tǒng)
基于DAQ(數(shù)據(jù)采集)板卡和信號(hào)調(diào)理電路為儀器硬件所組成的PC-DAQ測(cè)控系統(tǒng),是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分。本文結(jié)合PCI總線工作原理和特性,首先簡(jiǎn)要講述了基于PCI總線DAQ板卡的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),然后對(duì)帶有GPIB[1]接口DAQ卡的硬件原理設(shè)計(jì)、DLL驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的討論。
1 基于PCI總線DAQ卡的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
基于PC-DAQ[2]組成虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng),通用的構(gòu)建方法是在計(jì)算機(jī)上插入數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡,并由驅(qū)動(dòng)軟件驅(qū)動(dòng)硬件,通過(guò)應(yīng)用程序構(gòu)建虛擬面板和發(fā)送通訊命令。因此,在該系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)基于PCI總線數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡的軟硬件設(shè)計(jì),是核心內(nèi)容。
基于PCI總線的DAQ卡,在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上,分為兩個(gè)部分:硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。由于DAQ卡是基于PCI總線的,因此,在硬件上,包括實(shí)現(xiàn)PCI總線的接口電路和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理的虛擬儀器功能電路兩部分。驅(qū)動(dòng)軟件部分,則是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和硬件板卡之間的通訊,把所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。
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圖1基于PCI總線DAQ卡的軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖[/align]
2 GPIB接口卡的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
帶有GPIB接口的DAQ卡,在硬件功能上,需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)部分:PCI總線接口、PCI設(shè)備的即插即用和GPIB功能接口電路。
2.1 PCI總線接口協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
在該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中,選用了PLX公司的專(zhuān)用接口芯片PCI9052作為實(shí)現(xiàn)PCI總線的橋接芯片。PCI9052對(duì)于PCI總線和局部總線轉(zhuǎn)換提供了無(wú)縫鏈接。因此,在硬件實(shí)現(xiàn)上,只需要對(duì)PCI總線引腳和PCI9052引腳做一一對(duì)應(yīng)連接即可。
2.2 即插即用的實(shí)現(xiàn)
PCI總線提供了即插即用的功能,從而使得操作系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中根據(jù)檢測(cè)到的配置空間寄存器參數(shù),自動(dòng)為硬件分配各種資源,實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的資源自動(dòng)配置。
PCI總線的即插即用,對(duì)于使用專(zhuān)用集成芯片設(shè)計(jì)的板卡,主要是通過(guò)設(shè)置PCI橋接芯片內(nèi)部的配置寄存器內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的方法有兩種:通過(guò)軟件在線編程修改橋接芯片中配置寄存器內(nèi)容和使用燒寫(xiě)器修改串行EEPROM內(nèi)容。
2.3 接口功能電路的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于GPIB功能電路,為了實(shí)現(xiàn)GPIB總線接口協(xié)議,本設(shè)計(jì)中采用了德州儀器生產(chǎn)的專(zhuān)用接口芯片DS75160和DS75162以及74LS375芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。DS7560和DS75162是專(zhuān)門(mén)針對(duì)于實(shí)現(xiàn)GPIB功能電路的集成芯片。
2.4 接口卡電路的實(shí)現(xiàn)
GPIB接口卡的電路包括原理圖和印刷版電路兩部分。
2.4.1 原理圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
硬件板卡電路原理如圖2所示。在下圖中,PCI9052用于實(shí)現(xiàn)PCI總線接口各種時(shí)序電路,EEPROM為93LC46B,用于實(shí)現(xiàn)PCI板卡的即插即用功能,外圍芯片74LS688[13]實(shí)現(xiàn)地址片選,8255用于實(shí)現(xiàn)局部的I/O資源,GPIB功能電路實(shí)現(xiàn)接口協(xié)議。
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圖2 GPIB接口卡原理框圖[/align]
2.4.2 印刷板電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
PCI總線設(shè)計(jì)屬于高速線路設(shè)計(jì),對(duì)信號(hào)的完整性設(shè)計(jì)要求較高,在本系統(tǒng)中,由于應(yīng)用總線接口端要求工作時(shí)鐘為8MHZ,這個(gè)工作時(shí)鐘和PCI端的33MHZ工作時(shí)鐘是相互獨(dú)立的,因此,設(shè)計(jì)兩層的PCB板就可以達(dá)到傳輸速度上的要求。
3 DLL軟件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
對(duì)于基于DAQ板卡構(gòu)建的虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng),其軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)硬件板卡的驅(qū)動(dòng)程序和儀器虛擬化功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。在Windows98操作系統(tǒng)環(huán)境下,硬件板卡的驅(qū)動(dòng)程序有三種形式:VxD驅(qū)動(dòng)、DLL驅(qū)動(dòng)和WDM驅(qū)動(dòng)程序[3]。這三種形式中,由于在Windows98環(huán)境下提供了能夠在應(yīng)用層直接操作硬件I/O空間的API函數(shù),所以,在對(duì)于帶有GPIB接口的DAQ卡驅(qū)動(dòng)軟件,通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)直接操作硬件I/O空間的DLL[4]來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.1 DLL的內(nèi)在工作機(jī)制
動(dòng)態(tài)連接庫(kù)是應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)連接函數(shù)庫(kù)的一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制。函數(shù)庫(kù)存儲(chǔ)在它自己的文件中,并不被編譯到應(yīng)用程序可執(zhí)行文件中去。DLL在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)才連接,而不是在應(yīng)用程序創(chuàng)建時(shí)被連接。DLL包含一個(gè)導(dǎo)出函數(shù)表,對(duì)于需要導(dǎo)出的函數(shù),在定義的時(shí)候作類(lèi)似如下的聲明:
extern “C” __declspec(dllexport) int FunctionName(int n);
除了需要作以上的聲明外,編譯工程中還必須為連接器指定導(dǎo)入庫(kù),而且客戶(hù)程序必須實(shí)際調(diào)用了DLL的導(dǎo)出函數(shù)中的至少一個(gè)函數(shù)。
在創(chuàng)建DLL時(shí),一般都使用VC++6.0來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),在DLL的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,需要定義三個(gè)文件:
?。?)一個(gè)C語(yǔ)言源文件(必須);
?。?)一個(gè)自定義的頭文件(可選,在應(yīng)用程序中調(diào)用);
?。?)一個(gè)模塊定義文件(可選,在_stdcall方式調(diào)用時(shí)可能需要)。
3.2 Windows98下操作硬件的API函數(shù)
在Windows98環(huán)境中,操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序直接操作硬件I/O空間提供了6個(gè)API函數(shù),用于實(shí)現(xiàn)硬件I/O空間字節(jié)、字和雙字的讀寫(xiě)。
3個(gè)端口讀函數(shù)原型和說(shuō)明如下(括號(hào)內(nèi)參數(shù)為16位I/O讀地址):
讀字節(jié):int _inp( unsigned short port );
讀 字:unsigned short _inpw( unsigned short port );
讀雙字:unsigned long _inpd( unsigned short port );
3個(gè)端口寫(xiě)函數(shù)原型和說(shuō)明如下:
寫(xiě)字節(jié):int _outp( unsigned short port, int databyte );
寫(xiě) 字:unsigned short _outpw( unsigned short port,
unsigned short dataword );
寫(xiě)雙字:unsigned long _outpd( unsigned short port,
unsigned long dataword );
在上述三個(gè)API函數(shù)中,第一個(gè)參數(shù)為需要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的16位I/O地址,第二個(gè)參數(shù)為需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。在Windows98操作系統(tǒng)中,通過(guò)操作以上6個(gè)API函數(shù),就可以對(duì)包含I/O資源的設(shè)備硬件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
3.3 DLL中PCI設(shè)備局部資源的獲得
在PCI設(shè)計(jì)中,在調(diào)試完硬件,硬件設(shè)備就可以正常工作了。但是,如果需要通過(guò)軟件來(lái)控制硬件動(dòng)作,則必須獲得系統(tǒng)已經(jīng)為硬件設(shè)備所分配的各種資源信息,即各種映射的那個(gè)I/O和內(nèi)存空間的基地址和大小。
在GPIB接口卡的設(shè)計(jì)中,在硬件上,局部資源為8255所申請(qǐng)的四個(gè)字節(jié)的I/O空間。因此,在軟件上,需要獲得這四個(gè)字節(jié)的I/O空間在系統(tǒng)中PCI地址空間所對(duì)應(yīng)的基地址大小,通過(guò)訪問(wèn)PCI地址空間中的基地址才能通過(guò)地址映射實(shí)現(xiàn)對(duì)8255四個(gè)I/O端口的讀寫(xiě)操作。
在該板卡的設(shè)計(jì)中,PCI配置周期由配置機(jī)制[5]產(chǎn)生,這種機(jī)制使用兩個(gè)雙字I/O雙字I/OCF8H地址。第一個(gè)雙字I/O地址CF8H,是一個(gè)可讀寫(xiě)寄存器,命名為CONFIG-ADDRESS。第二個(gè)雙字地址是CFCH,命名為CONFIG-DATA寄存器。對(duì)配置空間的操作是通過(guò)寫(xiě)一個(gè)值到設(shè)備的CONFIG-ADDRESS寄存器。在此之后如果對(duì)CONFIG-DATA寄存器回讀,橋就會(huì)將CONFIG-ADDRESS寄存器中的值轉(zhuǎn)換為PCI總線上所要求的配置周期,即自動(dòng)產(chǎn)生配置讀和配置寫(xiě)周期[6]。因此,在軟件上通過(guò)對(duì)這兩個(gè)寄存器進(jìn)行循環(huán)讀寫(xiě),可以獲得GPIB接口卡的硬件資源,該部分工作流程如左圖3所示。
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圖3 PCI卡資源獲取流程[/align]
4 PCI總線DAQ卡在基于示波器測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用示波器進(jìn)行信號(hào)測(cè)量時(shí),常有因環(huán)境限制而無(wú)法處理測(cè)量結(jié)果的情況。這時(shí),可通過(guò)GPIB總線接口,將數(shù)字示波器和位于PC機(jī)中的通訊接口卡相連,把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,然后再在應(yīng)用層使用圖形化編程軟件LabView[7]構(gòu)建示波器的虛擬控制面板,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)對(duì)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的示波器進(jìn)行程控操作,在計(jì)算機(jī)上的虛擬示波器面板上顯示實(shí)際的測(cè)量結(jié)果,并對(duì)實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)等處理,完成示波器的虛擬化操作。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖4所示:
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圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[/align]
上述所示波器測(cè)控系統(tǒng)中,硬件部分主要是一塊自主研制的基于PCI總線的GPIB接口板卡, 用于實(shí)現(xiàn)示波器數(shù)據(jù)的采集,軟件部分是用于驅(qū)動(dòng)GPIB板卡的DLL功能驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)采集的軟件控制。
在該實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于TDS220進(jìn)行程控操作最基本的幾個(gè)程控命令如下所述:
初始化硬件:IBFIND(GPIB總線地址,0,3000)
初始化示波器:IBDEV(儀器地址)
發(fā)送命令至示波器:IBWRT(儀器地址,控制命令)
接收數(shù)據(jù)(字符串形式):IBRD(儀器地址,緩沖區(qū)地址,接受數(shù)據(jù)個(gè)數(shù))
接收數(shù)據(jù)(數(shù)組形式):IBRDI(儀器地址,緩沖區(qū)地址,讀出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù))
儀器返回本地:IBGTL(儀器地址)
5 結(jié)語(yǔ)
基于PCI總線是現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的必然要求,本文所介紹的DAQ卡是結(jié)合測(cè)控技術(shù)的實(shí)際發(fā)展的需要,在創(chuàng)新思想的指導(dǎo)下提出并開(kāi)發(fā)完成的,文中還給出了在實(shí)際測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例,取得了較為滿(mǎn)意的效果。
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