PCI總線(xiàn)數據采集系統的硬件研究

引言

數據采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集并轉換成數字量的過(guò)程。隨著(zhù)當今社會(huì )科學(xué)技術(shù)的15I速發(fā)展。數據采集已經(jīng)廣泛地應用于我們的生產(chǎn)生活中。從工業(yè)生產(chǎn)中普遍應用的自動(dòng)控制系統到醫療設備中的各種測量監控儀器，從航空航天中的衛星遙感技術(shù)到軍事科技中的制導技術(shù)，從當今可部分替代人類(lèi)的機器人到日常生活中小小的數字體溫計，無(wú)不存在數據采集的身影。南此可見(jiàn)，數據采集在整個(gè)系統中占有重要作用，數據采集的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統的指標，因此對數據采集的研究具有重要意義。

1 TMS320VC5402的主機接口(HPI)

目前一般的DSP運算速度為100MIPS，即每秒鐘可運算1億條指令，但仍嫌不夠快。由于電子設備的個(gè)人化和客戶(hù)化趨勢，DSP必須追求更高更快的運算速度，才能跟上電子設備的更新步伐。DSP運算速度的提高，主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結構。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用 VLIW(VerylJ0nglnstmctionWord超長(cháng)指令字)結構設計，其處理速度已高達2000 MIPS。當前DSP器件大都采用0.5~0.35IxmCMOS工藝，按照CMOS的發(fā)展趨勢，DSP的運算速度再提高100倍(達到1600 GIIX5)是完全有可能的。TMS320C5402DSP性能強大，通用性強，接口方便，綜合多方面考慮，決定選擇它作為MCUtlI，C5402擁有改良的增強型的HPI，如圖l所示。HPI是主機與C5402進(jìn)行數據交換的8-bit并行數據口。該接口在C5402芯片上，內部有HPI數據寄存器，控制寄存器。HPI是用8-bit的數據線(xiàn)傳輸16_bit的數據，可通過(guò)設置控制寄存器的相關(guān)位控制高8位和低8位的傳輸。

增強型HPI采用共用訪(fǎng)問(wèn)模式(SAM)，這是常用的模式。主機和DSP都能訪(fǎng)問(wèn)HPI存儲器(二者產(chǎn)生沖突時(shí)，主機有較高的優(yōu)先權)，而異步的主機訪(fǎng)問(wèn)可以在HPI內部重新得到同步。HPl支持主機與DSP之間高速傳輸數據。sAM模式下，DSP運行在40MHz CLKOUT時(shí)，HPI每經(jīng)過(guò)5個(gè)CLKOUT周期傳輸一個(gè)字節，即64M從，對于40MHz的DSP(外部訪(fǎng)問(wèn)周期為4)，主機可以運行在30 MHz的速度下，而不需插入等待狀態(tài)。

1.1 HPI主要組成部分

(1)HPI存儲器(DRAM)。HPI RAM主要用于C54x與主機之間傳送數據，5402片上有1個(gè)16K字x16位的DARAM作為HPI存儲器。

(2)HPI地址寄存-器-(I-tPIA)。它只能由主機對其直接訪(fǎng)問(wèn)。寄存器中存放當前尋址HPI存儲單元的地址。

(3)HPI數據鎖存器r(HPID)。它也只能由主機對其直訪(fǎng)問(wèn)。如果當前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數據;如果當前進(jìn)行的是寫(xiě)操作，則HPID中存放的是將要寫(xiě)到HPI存儲器的數據.

(4)HPI控制寄存器(HPIC)?？梢杂芍鳈C或5402直接訪(fǎng)問(wèn)，包含了HPI操作的控制和狀態(tài)信息。

1.2 HPI工作原理

HPI一8的使用是通過(guò)對HPIA，HPIC和HPID三個(gè)寄存器賦值實(shí)現的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，HOST通過(guò)外部引腳HC—NTL0和HCNTLl選中不同的寄存器，則當前發(fā)送的8位數據就送到該寄存器，HPI時(shí)序如圖2所示。

在使用上，由于HPIC是16位寄存器，而HPI一8是8位的數據寬度，所以在HOST向HPIC寫(xiě)數據時(shí)，需要發(fā)送2個(gè)相同的8位數據。而地址寄存器 HPIA選擇后，直接向它寫(xiě)數據即可以，但是要注意MSB和LSB的順序。另外，HPIA具有自動(dòng)增長(cháng)的功能，在每寫(xiě)入1個(gè)數據前和每寫(xiě)入1個(gè)數據后，HPIA會(huì )自動(dòng)加l。這樣，如果使用了該功能，只需設定1次HPIA即可實(shí)現連續數據塊的寫(xiě)入和讀出。數據寄存器HPID，嚴格說(shuō)應該叫做數據緩沖寄存器，因為最終數據是要寫(xiě)到片內RAM的。只是在實(shí)現上，數據首先從HOST發(fā)到HPID中，然后根據HPIA指定的地址，HPID中的數據再寫(xiě)到片內 RAM的地址中。不過(guò)對用戶(hù)而言,該過(guò)程是透明的.

2 PCI9052與TM$320VC5402的接口

PCI9052的局部總線(xiàn)設置為8位局部總線(xiàn)，采用地址數據非復用模式翩。此時(shí)，/LBEl為L(cháng)Al，/LBEO為L(cháng)AO。將LBEO接HPI的 HBIL，用以區分第一字節和第二字節。LAl7接C5402的HCNTLl，LAl6接HCNTLO，以選擇HPI寄存器。如圖3所示，PCI 9052的LAD[ft.7】連C5402的HDr7刪;5402的/HINT反相后接到PCI9052的LINTl，之所以反相是由于/HINT是低電平有效，而LINTl是高電平有效。PCI9052的LW/R反相后接到5402的HR/W，因為L(cháng)w/R高電平表示寫(xiě)，低電平表示讀;而HR/W高電平表示主機要讀HPI，低電平表示主機要寫(xiě)HPI;PCI9052的CS0,CSl相或連接到/HCSmD和/WR分別接到/HDSl,/HDS2;5402的/HRDY通過(guò)一定的邏輯組合再加上1個(gè)D觸發(fā)器與9052的/LRDY相連接以實(shí)現9052與HPI的同步。 PCI9052局部時(shí)鐘采用40MH。

CPLD采用EPM7128芯片，使用MAX+plusII進(jìn)行設。其設計的過(guò)程包括4個(gè)階段，設計輸入、設計處理、設計校驗和器件編程。 MAX+plus II軟件的設計輸入方法有很多，主要包括原理圖輸入方式、文本設計輸入方式、高級設.計輸入方式、波形設計輸入方式、層次設計輸人方式和底層設計輸入方式.

3 AD轉換芯片與TMS320VC5402接口

AD轉換器采用TI公司的TLC5510芯片，它為8bit，20Msps的高速并行AD轉換器。TLC5510在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿時(shí)進(jìn)行采樣。該采樣點(diǎn)的轉換數據經(jīng)過(guò)2.5個(gè)時(shí)鐘延遲后，在時(shí)鐘的上升沿時(shí)輸出，也就是每個(gè)點(diǎn)的轉換時(shí)間為2.5個(gè)時(shí)鐘周期，一旦轉換流水線(xiàn)啟動(dòng)，則在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿都有一個(gè)點(diǎn)的轉換數據輸出。TIE5510時(shí)序轉換圖，如圖4所示。

使用內部產(chǎn)生的基準電壓，將模擬輸入定為5 V，則參考低電壓設定為0.6 V，參考高電壓設定為2.6 V，這樣滿(mǎn)量程為2v，當輸入電壓為0.6V時(shí)，AD轉換的數據為O，當輸入電壓為2.6 V時(shí)，AD轉換的數據為255。

TI_E5510的輸出D1一D8通過(guò)SN74LV245緩沖后接到DSP的IMI--D7，TLC5510輸出使能接地。SN74LV245輸出使能接 DSP的/IS，即將DSP的10空間全部分配給TLC5510，如果還有其它IO設備，可用地址譯碼實(shí)現。時(shí)鐘輸入采用DSP定時(shí)器TOUT輸出。 TLC55 10接口。

4端口映射

HPI主機接口采用訪(fǎng)問(wèn)寄存器的方式來(lái)進(jìn)行DSP內部數據的讀寫(xiě)，把HPI口單純映射到PCI的I/O空間或者存儲器空間，都有不可避免的缺點(diǎn)，因此該接口電路采用雙映射方式，利用I/O映射來(lái)訪(fǎng)問(wèn)控制、地址寄存器和單個(gè)數據口，而用存儲器映射來(lái)訪(fǎng)問(wèn)連續數據口，以實(shí)現5402與PCI9052之間方便、高效的數據通信。這也PCI9052使用了2個(gè)片選信號的原因。