基于PCI總線(xiàn)的數據采集卡設計

0 引言
隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)和控制、測量技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工程技術(shù)人員都將PC機作為控制、測量開(kāi)發(fā)的首選平臺。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外圍部件互連)總線(xiàn)作為一種高性能、通用的局部總線(xiàn)，是目前計算機插卡式外設總線(xiàn)的事實(shí)標準。PCI總線(xiàn)具有32／64位總線(xiàn)寬度。地址線(xiàn)和數據線(xiàn)復用，支持猝發(fā)傳輸，傳輸速率高達132MB／s；系統占用率低，具有較好的兼容性；有完備的即插即用(PnP)管理體制，可同時(shí)支持多組外圍設備。雖然PCI總線(xiàn)也經(jīng)歷了從PCI、PCI-X到PCI Express的發(fā)展，但PCI總線(xiàn)由于存在時(shí)間長(cháng)，開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)資料眾多，在對數據吞吐量要求不是很高的工業(yè)控制、測量領(lǐng)域仍有著(zhù)頑強的生命力。筆者在學(xué)習了相關(guān)設計資料的基礎上，設計了基于PCI總線(xiàn)的數據采集卡，可以完成8路數字量I／O及4路差分14位A／D采集功能。本文將根據筆者的實(shí)際經(jīng)驗，介紹PCI接口擴展卡的軟硬件設計流程。

1 PCI總線(xiàn)工作方式簡(jiǎn)介
PCI總線(xiàn)標準由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI規范的發(fā)展。PCI總線(xiàn)是一種時(shí)分復用的雙向應答總線(xiàn)，傳輸發(fā)起方稱(chēng)為主設備，接收方稱(chēng)為從設備。其主要信號定義如下：
RFAME：由主設備驅動(dòng)，為低，指示一次傳輸的開(kāi)始。
DEVSEL：由從設備驅動(dòng)，為低，指示響應傳輸請求。
ADO～AD31：地址、數據復用信號。PCI總線(xiàn)的數據傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個(gè)地址周期和多個(gè)數據周期組成。首先給出本次傳輸的首地址，后面緊跟一個(gè)或多個(gè)4字節寬的數據，連續傳輸多個(gè)數據時(shí)，其地址自動(dòng)遞增。
C／BE0～C／BE3：這4根線(xiàn)在地址傳送周期，傳輸的是總線(xiàn)命令，C／BE0～C／BE3的不同組合指示在A(yíng)D0～AD31上將要進(jìn)行何種類(lèi)型的操作，其代表的總線(xiàn)命令見(jiàn)表1；在數據傳送周期，傳輸的是字節始能信號，用來(lái)表示在整個(gè)數據期間，AD31～AD0上的哪些字節為有效數據。
IRDY、TRDY：分別表示主設備準備好和從設備準備好。在傳輸過(guò)程中，只有IRDY和TRDY同時(shí)有效，傳輸才能繼續；否則插入等待周期，用于在不同速度的設備之間協(xié)調工作。
表1地址傳送周期時(shí)。C／BE0～C／BE3所代表的總線(xiàn)命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板對電源的請求信息，具體含義見(jiàn)表2。

將PCI接口卡插入計算機插座，加電后，BIOS會(huì )根據PCI接口卡上的配置信息，為其分配相應的I／O端口、存儲器空間、中斷及DMA等計算機資源。

2 PCI接口卡的硬件設計
筆者設計的PCI數據采集卡使用的PCI接口芯片是CH365，CH365可將32位高速PCI總線(xiàn)轉換為簡(jiǎn)便易用的類(lèi)似于ISA總線(xiàn)的8位主動(dòng)并行接口，支持240字節的I／O端口映射、32 K字節的存儲器映射、擴展ROM以及中斷。本數據采集卡僅使用了I／O端口映射及中斷功能。本PCI數據采集卡使用MAXIM公司的4通道14位、差分、同時(shí)采樣ADC：MAX1338，實(shí)現A／D轉換功能，并將MAX1338的／EOLC引腳與CH365的INT_REQ引腳相連，以便在A(yíng)DC轉換完成后，向PC機發(fā)出中斷申請。使用兩片74HC273作為輸出，一片用作8路I／O輸出，另一片用作對MAX1338控制命令的輸出。使用兩片74HC373作為輸入，一片用作8路I／O輸入，另一片采集MAX1338的狀態(tài)指示信號。使用TLP521-4對8路I／O輸入、輸出進(jìn)行光電隔離。使用74LS138作為地址譯碼。