pci接口数据采集的fpga实现.pdf

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编号:20181110221221312150    类型:共享资源    大小:146.72KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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商业稍技 PCI接\?数摇采集舱FPC『A实现 -李银英李巨友河北传媒学院 [摘要]在微机对数据的处理当中,数据采集是很重要的一部分,以前的数据采集都是通过DSP或单片机来实现。本 文提出了基于PCI总线,用FPGA来作为整个数据采集部分的核心的数据采集卡的设计。该设计充分利用了Pc}总线的高速 传输和FPGA灵活强大的编程控制能力。从而保证了数据传输的速度,简化了电路。实验表明,该设计为数据采集卡的设 计提供了一种在硬件上更加简单的方法。 [关键词】PCI数据采集FPGA 一、引言 随着信息技术的发展.基于微处理器的数字信号处理在测控、 通讯.雷达等各个领域得到广泛的应用。数据的采集成为重要的 一个环节。对于各种各样的数据采集系统.利用PCI总线实现的 数据采集卡有许多其他总线(如ISA)所没有的优点.如高速、热 插拔、自动配置等。数据采集的控制部分由近年来发展迅速的可 编程逻辑器件FPGA来设计.其时钟频率高,内部延时小,全部 控制逻辑由硬件完成,速度快、效率高。 二、硬件设计 论文设计的数据采集卡是基于PCI总线,采用ALTERA公司的 EPlC6Q240实现PCI协议和对整个采集过程的控制。其硬件设计如 图1所示 控制 N模拟多路 月信号 卜 赣 一 开关 N I模拟信号: 信 号 』上 窖 ④ 计1 调 算 鼍 机 路 门 卜 ADC \ ∥ AD5220 ajK 图1硬侔设计框图 本设计利用可编程逻辑器件FPGA的强大编程功能来实现PCI 接1:3协议和数据采集控制器,同时利用EPlC6Q240中的双13 RAM 实现数据的暂存,可以有效简化电路设计。该电路板上电路还包 括一些信号条理电路,其主要功能是对输入的模拟信号进行放 大、滤波、隔离、衰减、多路复用等一系列处理.使调理以后的 信号满足AD的采样数据采集控制器要求。 1.FPGA器件 系统所选用的EPl C6Q240这种Cyclone系列的FPGA器件具有 以下优点: (1)采用240个引脚的FPQF封装形式.能提供185个IO用户 引脚和5 980个逻辑单元。具有20个4 608位的RAM存储区,最 高可支持200MHZ的数据传输。每个存储区均包括单口或双1:3 RAM,ROM、FIFO等各类存储器件.并支持8位.16位、32位、 36位等数据存储类型。 (2)片上的锁相环电路可以提供输入时钟的1分~32分频或 倍频。 f3)可使用Altera的N Jos软核和丰富的IP库.快速实现完整的 可编程(SOPC)。 {4)多功能的IO结构支持差分和单端输入.并与3.3V、32位, 66MHz的PCI局部总线兼容。 2 A/D转换电路 ADS5220是TI产品线中的一款新型7高精度7宽动态范围7流水 线型ADC·它具有1 2位有效分辨率.工作电压范围及逻辑电平为 3.3V,与PCI接口相兼容7该器件内部含有参考电压,可最大限度 的减少外围器件。由于采用了流水线结构,采集速度有很大提高. 采集速度最高可达40MSPS。 三、FPGA实现的功能 本设计中FPGA实现五方面的功能: 一是FPGA逻辑运算模块。用来接收其他各部分的数据,并按 照程序中设定的方案对所收到的数据进行相应的分析和处理。包 括:对从MCU接收来的数据指令进行分析,并按其指令要求进行 相应操作;接收A/D采样来的数据.对数据进行各种处理.如求 其有效值等:接收来自数字量的各种信息数据.按设定的模式对 其进行判断处理,并负责按接收的CPU指令输出相应的数字量。 二是PCI内核模块,是系统设计的核心部分.它建立与上位 机通信.以及与其他控制模块的数据交换。 三是用于数据暂存的双13 RAM,当写入控制信号到达时.根 据当前写入地址控制字向相应单元写入数据输入总线上的内容, 并在读出控制信号到达时,根据读出地址控制字从相应单元读出 内容,送到数据输出总线。 四是双口RAM控制模块.当启动写入地址控制信号到达时. 把当前的写入地址加1.加满之后清零并重新开始.同时.当启 动读出地址控制信号到达时,对当前读出地址加1.加满之后清 零并重新开始。 五是A/D控制单元。主要负责控制外部A/D芯片和多路开 关的选通时序.以及实现对A/D采样过程的合理控制。因为.在 FPGA芯片内部,不像在MCU内部那样有丰富的外设控制资源供 用户使用,要用FPGA来控制A/D采样过程的动作,必须用软件 来模拟实现各种A/D控制资源。利用这些自设定的A/D控制管 理资源,配以合理的软件控制时序.才能保证采样过程的顺利 进行。 六是数字量监测控制单元。负责所有要监视和控制的数字量 万方数据 商业科技 的状态数据的采集和控制命令的输出。这一部分也需要用软件来 模拟实现各种对数字量的管理控制.只有配备较完备的外设控制 管理单元.整个数字量的管理控制才能正确地进行。 四.基于FPGA的PCI内核设计 在PCI内核的设计中.核心设计有时序控制和配置空间两部 分。时序控制保证了板卡能按正常的PCI时序工作,配置空间部 分保证了板卡的即插即用功能。 1.PCI接口配置空间 当计算机第一个上电时,配置软件必须扫描在系统中的不同 总线(PCI和其他),确定什么设备存在和他们有什么配置要求。这 个过程常常指的是:扫描总线、激活总线、检查总线,发现过程、 总线枚举。 执行PCI总线扫描的程序常称为PCI总线枚举。而为了实现这 一过程.就必须提供256字节的配置空间结构,并实现PCI规范 定义的一组寄存器。PCI总线标准规定的配置空间总长度为256个 字节.配置信息按一定的顺序和大小依次存放。前64个字节配置 空间称为头标区,是任何PCI兼容设备都应实现的空间。头标区 的功能主要是用于识别设备,定义主机访问PCI板卡的方式(是l/ O访问还是MEM访问、中断号等)。其余的1 92个字节空间称为 本地配置空间因卡而异.主要定义卡上局部总线的特性、本地 空间基地址及范围等。因PCI规范的通用性,所以每一块PCI总线 扩展板卡都只是实现配置空间的一个子集。一般的PCI配置空间 的结构如表1所示: 表1 PCI配置空间结构表 偏移值 属性 寄存器名 缩写 00H--0{H 孛· 厂家标识 VlD 02H-03H 字 设备标识 DID 04H一05H 字 PCI命令寄存器 PCIC∞ 0roH一07H 宇 PCI状态寄存器 PCISTS 081-1 字节 修订版本表示寄存器 RID 09H~08H 三字节 类代码寄存器 CLCD OCH 字节 高速缓存大小寄存器 CALN 00H 字节 延时定时器 LAT 0EH 字节 头类型 I-DR 0FH 字节 内置自检寄存器 BIST 10H~27H 双字 PCI基址寄存器O-5 8ADR0-8ADR5 28H--2FH 保留 30H 双字 扩展ROM基址寄存器 EXROM 34H~3BH 保留 3CH 字节 中断线寄存器 INTLN 30H 字节 中断引脚寄存嚣 INTPIN 3EH 字节 最小许可 MINGNT 3FH 字节 最大潜力 MAXLAT 2.PCI接口状态机 在时序控制程序中采用状态机模型来实现不同时序的转换。 各种命令、数据交换、控制均在状态机的管理下进行工作。PCI总 线上的信号是并行工作的.因此.对应每个状态必须明确其执行 的任务。这些任务要用VHDL的进程语句来描述所发生的事件。本 设计中的状态机共使用了8种状态如图2所示。 圈2 PCI总线状恣机 本系统接到复位信号后对系统进行复位.然后转入空闲状 态(此状态DEVSEL#、TRDY#和STOP#以及其他输出信号为 高阻态)。 在IDLE状态下当检测到FRAME变低、IDSEFL为高,且PCI—CBE 上命令是config—read或config—write时.状态转移至IJCONFIG—WAIT; 如果FRAME变低,且P引一CBE上命令是IO—read或IO—write或 memory—read或memory—write时.状态转移到RDWR—WAIT,否则 继续IDLE状态。 在CONFIG状态下,如果检测到IRDY为0.表示主机要求完成 当前操作,状态转移到BACKOFF;否则继续CONFIG状态.直到 IRDY为0为止。 在READ_WAIT状态下.如果检测到用户端需要ABORT.则下 一状态转到ABORT状态。如果用户端需要STOP当前传输或者 FRAME变为高电平,则下一状态转移到LAST—RDWR状态;如果 FRAME还保持为低.则转到RDWR状态。 在RDWR状态下如果检测到用户端需要ABORT,则下一状态 转到ABORT状态;如果用户端需要STOP当前传输.则下一状态 转移NLAST_RDWR状态如果FRAME还保持为低.则转保持RDWR 状态;如果FRAME还变为高电平.则转到BACKOFF状态。 五、结论 本文介绍了用PCI和FPGA结合实现的高速数据采集卡.利用 了PCI总线高速的传输特性.同时配合以FPGA强大的编程控制功 能,简化了硬件设计。本系统用VHDL语言来描述。VHDL语言是 一种结构化语言,易于编程和修改,开发周期短。整个设计简化 了器件.实验中数据传输效果较好.完全符合PCI总线的要求,实 现了灵活的接口控制。 参考文献: …李贵山 戚德虎:PCI局部总线开发者指献M】.西安:西安电 子科技大学出版,1 997 [2]徐海军 叶卫东:FPGA在高性能数据采集系统中的应用[J]. 计测技术,2005,】(25):4045 [5]褚振勇 翁木云:FPGA设计及应用[M].西安:西安电子科 技大学出版社,2002 [4]刘 晖 冀然然 夏意军译:Tom Shanley,Don Anderson.PCI 系统结构[M].北京:电子工业出版社,2000 万方数据
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