基于PCI总线的数据采集卡设计

第３８卷　第１期　河南科技学院学报（自然科学版）　２０１０年３月　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ．２０ｌＯ　ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—７５１６．２０１０．０１．０２０　基于ＰＧＩ总线的数据采集卡设计　闫雷兵，田丰庆　（河南科技学院，河南新乡４５３００３）　摘要：高速数据采集是雷达采集系统的关键部分，利用ＰＣ！总线的高速传输特性．给出了一种没计方法．介绍　以Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＣＰＬＤ芯片ＸＣ９５１４４ＸＬ控制模块和总线接口芯片ＰＬＸ９０５４为核心的多通道数据采集卡的设　计。包括原理设计、芯片选择、ＰＣＢ制作等．通过在探地雷达探测地下矿产资源中对数据采集卡的测试分析，证　明该采集系统能够满足探地雷达中高速数据传输和处理的实时性的要求．　关键词：数据采集；接口；ＰＣＩ总线；探地雷达　中图分类号：ＴＭ２７４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—７５１６（２０１０）０１—００７４—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣＩ　ｂｕｓ　Ｙａｎ　Ｌｅｉｂｉｎｇ，Ｔｉａｎ　Ｆｅｎｇｑｉｎｇ　（Ｈｅｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，．Ｘｉｎｘｉａｎｇ　４５３００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｄａｒ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ＰＣＩ　ｂｕｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｊｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔａｋｅｓ　Ｘｉｌｉｎｘ＇ｓ　ＣＰＬＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃｈｉｐ　ＸＣ９５　１４４ＸＬ　ａｎｄ　ｂｕｓ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｈｉｐ　ＰＬＸ９０５４　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－　ｃｈａｎｎｅｌ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｃｈｉｐ　ｓｅｌｅｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＰＣＢ　ｄｅｓｉｇｎ，ｅｔａ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ－ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｄａｔａ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＰＣＩ　ｂｕｓ，ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔｅｍ　随着计算机的广泛应用和电子学的高速发展，数字系统已被广泛地应用于国民经济、国防建设和　科学试验的各个领域．与模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只　能处理离散的数字信号．外部世界的各种各样信息经过传感器转换以后，除了极小部分为数字信号和　开关信号之外．绝大部分以电压或电流等模拟量的形式存在，所以往往需要将这些模拟信号转化为便　于处理和存储的数字信号。这部分工作就需要数据采集系统来完成．所谓数据采集就是将模拟信号转　化为数字信号．并进一步予以处理、显示、存储和记录的过程．实现数据采集的系统称为数据采集系统，　在实际应用中，常常需要将多个通道的高速信号同时采集并实时传输给计算机处理，而高效的设备驱　动程序是实现数据高速传输的关键，已有科研人员在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下，分别基于Ｄｒｉｖｅｒ　Ｓｔｕｄｉｏ、ＤＤＫ或　ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ环境下研究了相应的设备驱动程序，但其数据传输速率不超过２５　ＭＢｐｓ　Ｅ　］，这对于实时的高　速数据或多路图像数据采集是远远不够的．在探地雷达用于矿产资源勘查时要求传输数据速率不低于　８０　ＭＢｐｓ的数字接收机项目中，根据项目需求，基于ＰＬＸ公司提供的芯片的基础上，对其核心部分进行　改进，实现了在ＰＣＩ总线上的多通道高速数据采集卡的设计，实际数据传输速率可以满足要求．本文的　数据采集系统就是基于ＰＣＩ总线具有高速传送数据能力的基础上设计出来的．　１数据采集卡的设计原理　ＰＣＩ总线协议非常复杂。目前实现ＰＣＩ接口的有效方案分为两种：即使用可编程逻辑器件和使用专　收稿日期：２０ｏ９一ｌ１—２０　作者简介：闫雷兵（１９８０一），男，河南濮阳人，助理实验师，硕士．主要从事通信及数据采集系统研究　７４　闰雷兵等：基于ＰＣＩ总线的数据采集卡设计　第１期　用总线接口的器件ｌ４＇　．可编程逻辑器件实现ＰＣＩ接口比较灵活，可利用的器件比较多，但这种方法难度　较大，设计周期较长．而采用专用接口器件实现完整ＰＣＩ主控模块和目标模块的功能，则可将复杂的ＰＣＩ　总线接口转换为相对简单的用户接口，用户只要设计转换后的总线接口即可．虽然这种方式不够灵活，但　由于其对ＰＣＩ协议的良好支持，以及提供给设计者的良好接口，可大大减少设计开发的难度和周期．　本文数据采集系统主要是以Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＣＰＬＤ芯片ＸＣ９５１４４ＸＬ构成的控制模块和总线接口芯　片ＰＬＸ９０５４来完成的　，数据采集卡各个模块之间的逻辑关系如图１所示．ＦＩＦＯ模块的状态信号（ＦＩＦＯ　满、ＦＩＦＯ半满和ＦＩＦＯ空）和接口模块的一些状态和命令信号接到控制模块上，控制模块将根据这些状　态和命令信号产生对模数转换模块、锁存模块和ＦＩＦＯ模块进行控制的控制信号和对接口模块命令响　应的状态信号．内部时钟模块提供内触发信号，它和外触发信号一起接到ＸＣ９５１４４ＸＬ上，由控制模块　根据用户要求来选择使用那一个触发信号．电路中大多数芯片的功耗更低，抗干扰能力更强，因而电路　温度稳定性能更好．　ＩＣＨ通道　ＱＣＨ通道　状态信息　状态信息　图１数据采集卡的系统　１．１模数转换模块　模数转换模块主要完成把模拟信号转变成数字信号的工作，即把连续信号离散化【７＿．由奈奎斯特采　样定理可知，信号采样频率必须等于或大于该信号最高频率的两倍，才不会引起信号的失真．这里我们　要采样的信号是雷达的Ｉ、Ｑ两通道的视频信号，所以根据采样定理，再结合新型连续波雷达性能指标。　我们在采样电路中选中了高速模／数转换芯片ＡＤ９０４２ＡＤ．　ＡＤ９０４２ＡＤ是一种高速、高性能、低功耗的１２位高速模／数转换芯片．它采用两级转换模式．并以与　ＣＭＯＳ兼容的模式输出二进制补码，＋５　Ｖ供电，内部提供采样／保持电路以及参考电压，它的转换速率　高达４１　ＭＳＰＳ．　１．２锁存模块和信号调理模块　模数转换过后的数据由锁存芯片ＳＮ７４ＬＳ３７４组成的锁存模块进行锁存，锁存时钟由控制模块产　生．两路１２位的采样数据再加上每路４位的数字量信息共有３２位的数据宽度。所以需要８位　的ＳＮ７４ＬＳ３７４四片．为了保护模数转换芯片，我们在采样电路的前端还设计使用了隔离限幅放大芯片　ＡＤ８４３构成的信号调理模块，对输入的雷达信号进行隔离限幅放大．　１．３　ＦＩＦＯ模块　在接口芯片ＰＬＸ９０５４中用于ＤＭＡ的内部ＦＩＦＯ容量只有３２　ＤＷ大小，远不能满足高速连续大容　量雷达数据采集的要求．所以数据采集卡的实现中，采用外加ＦＩＦＯ来缓存采集的数据，使得在较高的　采样频率下，能满足连续大容量雷达数据采集的要求．ＦＩＦＯ的容量与采样频率和计算机性能有关．我　７５　２０１０正　河南科技学院学报（自然科学版）　们采用的ＦＩＦＯ芯片ＩＤＴ７２０６为１６Ｋｘ９位，所以每路要用两片ＩＤＴ７２０６来构成１６Ｋｘ１８位（只用了１６　位），两路共要用４片ＩＤＴ７２０６．　１．４接口模块　ＰＣＩ９０５４是ＰＬＸ公司的一款低成本、低功耗、高性能的总线接口芯片，通过该芯片可以使多种局部　总线快速转换到ＰＣＩ总线上．实际上，ＰＣＩ９０５４在ＰＣＩ端与局部端之间起到了桥梁的作用．数据采集卡　的接口模块是用ＰＬＸ９０５４这样一个专用的接口芯片来实现的ＥＳｉ．在设计中．与计算机ＰＣＩ总线有关的　功能完全由ＰＬＸ９０５４来完成，我们只要实现ＬＯＣＡＬ总线的有关功能即可．　１．５控制电路模块　在数据采集卡的开发中，由于仅要求实现ＰＣＩ　Ｔａｒｇｅｔ和ＤＭＡ两个功能，所以。本文没有选用Ｉｎｔｅｌ　ｉ９６０　ｆａｍｉｌｙ　ＣＰＵ作为ＰＬＸ９０５４Ｌｏｃａｌ总线的控制模块，而采用了Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＣＰＬＤ芯片ＸＣ９５１４４ＸＬ　作为Ｌｏｃａｌ总线的控制模块．这就要求设计好的ＸＣ９５１４４ＸＬ不但能对模数采集模块、锁存模块和ＦＩＦＯ　模块控制。还要能产生必要的与Ｌｏｃａｌ总线相配合的控制信号和状态信号．在该数据采集卡的硬件实现　中，这部分是关键，不但要非常熟悉ＰＬＸ９０５４的ＬＯＣＡＬ总线Ｃ模式工作时序，还要利用ＣＰＬＤ器件延　迟可预测这一特性和ＸＣ９５１４４ＸＬ的延迟模型，对ＶＨＤＬ程序进行大量的仿真，使得ＸＣ９５１４４ＸＬ产生　的控制和状态时序满足数据采集各个模块的要求．　２数据采集卡的ＰＧＢ设计　在设计ＰＣＢ图时，为了使金手指的尺寸、位置以及采集卡的尺寸更能符合设计要求，建议使用ＰＣＢ　设计向导产生电路板的轮廓．同时在数据采集卡的ＰＣＢ制作时，要考虑插卡的高频性能、电源去耦与　干扰的抑制、接地方式的选择等因素．　２．１　ＰＣＢ层数选择　做ＰＣＩ板卡时，选择制作４层的ＰＣＢ板，原因有二：其一，在ＰＣＩ板卡中，经常要使用封装形式为　ＰＬＣＣ和ＰＱＦＰ的需要高密度走线的芯片：其二，可以较好的克服两层ＰＣＢ板中的地噪声干扰问题．　２．２电源去耦　ＰＬＸ９０５４虽然利用ＣＭＯＳ技术，对噪声有很好的抑制作用，但由一些高速信号（如ＰＣＩ时钟信号）　引起的噪声必须要考虑，要选值为０．１　Ｆ的片状电寄作为去耦电容，去耦电容尽量靠近电源和地．　２．３关于走线的要求　从ＰＣＩ插槽边缘到ＰＬＸ９０５４的３２位数据总线的最大走线长度必须限定在１　５００　ｒａｉｌ以内．从ＰＣＩ　插槽边缘到ＰＬＸ９０５４的时钟信号走线长度必须为２　５００　ｍｉｌ（￣１００　ｍｉｌ），且只能与卡上的一个负载连接．　该引线只能在ＰＣＢ一面走线且在转角处用弧形，切忌用直角，可用“蛇”形走线来满足长度要求．　２．４模拟电源和数字电源分开供电　因为快速的数字振荡可能将转换噪声耦合到模拟电源中，所以模拟电源和数字电源应该分开馈电．　在数据采集板的设计中，模拟电路电源由ＤＣ—ＤＣ隔离电源馈电，数字电源直接由ＰＣＩ插槽中的＋５　Ｖ　和＋３．３　Ｖ来供电．　２．５接地的策略　在数字电路中系统存在大量瞬态大幅度脉冲，如果这些脉冲混入模拟地线中，必将对系统的测量　精度和测量稳定性等产生影响，所以在ＰＣＢ布线时必须将模拟地线和数字地线分开．ＰＣＩ插槽提供了多　条地线，所以，我们将从插槽中引出的一组地线作为数据采集卡的模拟地回路，另外一组作为数字地回　路．此外，尽量将地线加宽，大面积布地线，减少地线的等效电阻，以达到减少干扰的目的．　２．６时钟信号的保护　在ＰＣＢ布线时．在数据采集板上ＰＣＩ时钟信号和ＡＤ采样、锁存、ＦＩＦＯ的读和写这些频率较高的　时钟信号，应在ＰＣＢ布线时在两边设置地线加以保护．　７６　闰雷兵等：基于ＰＣＩ总线的数据采集卡设计　第１期　３数据采集卡测试分析　为验证该高速数据采集卡软、硬件设计的正确性，利用该数据采集卡对探地雷达产生的信号进行　采集验证　．探地雷达系统是一种重要的无损探测设备，可用于矿产资源勘查、岩土工程测试、工程质量　无损检测、环境工程等诸多领域，与其他地球物理方法相比，具有高分辨率、无损性高效率、设备轻便、　抗干扰能力强等优点．故探地雷达系统采集信息量大，数据需实时处理，因此，对数据传输速率提出很　高的要求，传输速率需要达到８０　ＭＢｐｓ以上，利用一般的串口采集或并口采集满足不了该系统的要求．　针对这一问题，利用ＰＣＩ总线的高速传输特性设计出该数据采集系统．　探地雷达数据采集系统硬件如图２所示．探地雷达的接收天线接收到的回波信号经提取、放大处　理，进入高速Ａ／Ｄ芯片，将模拟信号转换成数字信号．为避免探地雷达前端与后端的互相干扰，数据差　分输入到数据采集系统，经ＦＰＧＡ进行串／￣Ｆ转换和提供一系列满足时序要求的控制信号及读写信　号，把数据写入高速存储器，最后由ＰＣＩ控制芯片将高速存储器中的数据快速实时地写入计算机内存　中，以便进行数据和图像处理．　图２探地雷达数据采集原理　在探地雷达的数据采集系统中。ＰＣＩ９０５４以其强大的功能和简单的用户接口，为ＰＣＩ总线接口的开　发提供了一种简洁的方法．外扩高速ＳＲＡＭ。提高了数据吞吐量；在ＦＰＧＡ中制作“换体”的逻辑简化了　电路，增加了灵活性．实践表明，利用ＰＣＩ总线的高速特性和ＦＰＧＡ进行实时传输及存储采集数据，可　以有效地解决数据传输和处理的实时性，达到探地雷达所需数据传输速率的要求，并大大降低成本．　参考文献：　［１］季晓君，工海．同步多串口卡驱动程序设计［Ｊ］．军事通信技术，２００３，２４（１）：４４—４７．　［２］张耀中，王安丽，徐姣杰．Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ下视频传输卡的多卡驱动程序开发方法［Ｊ］．系统工程与电子技术，２００４，２６（１）：　９１—９４．　［３］司玉美，申会民，耿爱辉，等．基于ＰＣＩ总线数据通信卡ＷＤＭ驱动程序设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２００６，１４（２）：２５９—　２６１．　［４］李贵山，戚德虎．ＰＣＩ局部总线开发指南［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９９７．　［５］尹勇，李字．ＰＣＩ总线设备开发宝典［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．　［６］于锋，侯永海．基于ＰＣＩ一１７１４的高速数据采集系统方案设计［Ｊ］．微计算机信息，２００５，２１（８）：６０—６２．　［７］赵负图．信号采集与处理集成电路手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２．　［８］潘志强，李演仁．ＰＣＩ９０５２接口电路的功能及应用［Ｊ］．电子元器件应用，２００３，５（１２）：３３－３５．　［９］李海华．探地雷达体制综述［ｊ］．测试技术学报，２００３，１７（１）：２５—２８．　（责任编辑：刘明）　７７