基于PCI總線(xiàn)和DSP技術(shù)的虛擬儀器系統設計

傳統的虛擬儀器由一塊基于PCI總線(xiàn)的直接利用A/D和D/A芯片構成的數據采集板卡和相應的軟件組成，但隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的數據需要由計算機處理、存儲和傳輸，由于通用計算機本身的特點(diǎn)，它們通常不適于進(jìn)行實(shí)時(shí)性要求很高的數字信號處理，因此這種虛擬儀器不能滿(mǎn)足現實(shí)應用對數據實(shí)時(shí)處理能力、數據傳輸能力以及數據管理能力所提出的越來(lái)越高的要求。
與此同時(shí)，隨著(zhù)數字信號處理器（DSP）性?xún)r(jià)比的不斷提高，其應用領(lǐng)域飛速擴展，從而使基于PCI總線(xiàn)和DSP技術(shù)的新型虛擬儀器應運而生。
系統的基本框架
筆者設計的基于PCI總線(xiàn)和DSP技術(shù)的虛擬儀器的基本框架如圖1所示。
整個(gè)系統是基于模塊化的設計理念來(lái)實(shí)現的，該系統的開(kāi)發(fā)主要有以下幾步：1）設計一塊基于PCI總線(xiàn)的母板，該板上有自己定義的總線(xiàn)接插件，以及整個(gè)系統的邏輯控制單元和數據緩沖存儲芯片；2）設計數據采集模塊和數據輸出模塊；3）開(kāi)發(fā)PCI母板的Windows驅動(dòng)程序，使PC能正常識別該板卡并分配所需系統資源；4）開(kāi)發(fā)系統下位機DSP數據采集模塊的程序，實(shí)現對模擬信號的采集以及數據的FFT算法處理；5）開(kāi)發(fā)系統上位機PC的控制軟件，實(shí)現數據波形顯示、端口配置、內存讀寫(xiě)以及對儀器的控制功能。

圖1 虛擬儀器系統的基本框架

系統的硬件設計
由圖1可見(jiàn)，本虛擬儀器系統首先要有一塊基于PCI總線(xiàn)的母板，該板上有自定義的總線(xiàn)接插件，可以插接其他基于該總線(xiàn)的數據采集DSP子板，此外，該板上還有整個(gè)系統的邏輯控制單元以及數據緩沖存儲芯片；其他各個(gè)功能模塊都基于該擴展板來(lái)實(shí)現；各個(gè)模塊之間數據的存儲和傳輸可以通過(guò)雙端口RAM來(lái)實(shí)現，我們選用Cypress公司8K×16b高速雙口RAM芯片CY7C025V，因為它的時(shí)序與DSP時(shí)序相配，特別適用于DSP與PC之間大量數據的高速雙向傳送。

1 PCI接口的實(shí)現
在PCI總線(xiàn)適配卡的設計中，采用專(zhuān)用的PCI接口芯片來(lái)實(shí)現PCI接口，設計者不需要將精力投入到復雜的PCI接口功能設計和驗證測試上。專(zhuān)用的接口芯片可以實(shí)現完整的PCI主控模塊和目標接口功能，將復雜的PCI接口轉換為簡(jiǎn)單的接口。在本設計中選用PLX公司通用接口芯片PCI9052，它包含讀和寫(xiě)FIFO，以便將32bit、33MHz的PCI總線(xiàn)與總線(xiàn)寬度有可能比它窄或總線(xiàn)速度有可能比它慢的局部總線(xiàn)進(jìn)行匹配。PCI9052有最大5個(gè)局部地址空間和4個(gè)片選支持，圖2為PCI9052的信號接口模塊圖。

圖2 PCI9052信號接口

PCI分配資源的數據來(lái)源是通過(guò)外擴的EEPROM來(lái)實(shí)現的，根據PCI9052接口芯片的要求，選用Microchip公司支持三線(xiàn)串行接口的EEPROM。在電源上電期間，PCI的RST#信號復位PCI9052內部寄存器。而PCI9052也輸出局部復位信號（LRESET#）并檢查是否存在外部EEPROM，如果存在并且第一個(gè)16位字不是FFFFH，則PCI9052加載EEPROM中的數據到PCI9052的內部寄存器中；否則默認值被使用。PCI9052配置寄存器僅能由EEPROM或PCI主機處理器寫(xiě)。在EEPROM初始化期間，PCI9052用RETRY信號來(lái)響應PCI目標訪(fǎng)問(wèn)。圖3給出了本設計中EEPROM(93CS46)和PCI9052的連接電路圖。

圖3 EEPROM和PCI9052的連接電路圖

EEPROM中配置的主要信息包括：設備識別號、供應商代號、四個(gè)局部總線(xiàn)空間的大小以及空間的基地址等?？梢允孪韧ㄟ^(guò)編程器將配置信息寫(xiě)入配置EEPROM中，也可在系統啟動(dòng)后用PLXMon對EEPROM進(jìn)行操作。