基于PCI总线的高精度数据采集系统

彭海兰¹，张翌晖¹，蒋志龙²

（1．武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072；
2．武汉理工大学汽车工程学院，湖北省武汉市430070）


AHIGH-ACCURACYDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONPCIBUS

PENGHai-lan¹，ZHANGYi-hui¹，JIANGZhi-long²

（1．SchoolofElectricalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，HubeiProvince，China；
2．DepartmentofofAutomobileEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430070HubeiProvince，China）　　ABSTRACT:Itisveryimportanttaskformicrocomputerbasedprotectivedevicetotransmissionanaloguesignalofpowersysteminhighspeed,highaccuracyandreal-timemode.HereadesignmethodforhighaccuracydataacquisitionbasedonPCIbusispresented,includingthedataacquisitionandthedesignoftheinterfaceforPCIbus.A16-bithighaccuracyanalog-digitalchipAD976isusedasthekernelofdataacquisitionboardandthespecialpurposeinterfacechipS5933isusedinPCIinterfaceunit.Otherwise,thegeneraldesignmethodfordevicedriverandapplicationprogramofthepresenteddataacquisitionsystemisdescribed.
　　KEYWORDS:High-accuracydataacquisition；PCIbus；Analog-digitalchip；Specialinterfacechip
　　摘　要：对电力系统的模拟信号进行高速、高精度和实时传输是微机保护的一项重要任务。作者介绍了一种基于PCI总线的高精度数据采集系统的设计方法，包括数据采集和PCI总线接口两部分的设计。数据采集板的核心A/D转换器采用16位高精度转换芯片AD976，而PCI总线接口器件采用的是S5933专用接口芯片。此外还讨论了基于本采集系统的驱动程序和应用程序的一般设计方法。
　　关键词：高精度数据采集；PCI总线；数模转换芯片；专用接口芯片

1引言
　　随着信息技术的发展，对信号进行高速、高精度采集及实时传输已成为信号处理的关键问题。笔者研制的基于PCI总线高精度数据采集卡采用了精度为16位，最大转换速率为100kb/s的AD976模数转换器。系统选用AMCC公司S5933作为PCI总线接口芯片。S5933与数据采集卡数据缓存双口RAMIDT7134之间的控制/状态逻辑采用Alteral公司的大规模可编程器件EPLD来实现。
　　本数据采集卡基于PCI总线设计，另一个关键问题是开发PCI插卡的驱动程序。本驱动程序的开发工具采用WinDriver。驱动程序提供应用程序与硬件的接口，应用程序决定数据采集系统完成的功能。本系统应用程序用文本编程语言Visual　C 6.0编写，完成了电力系统距离保护功能。

2数据采集系统结构
　　采集系统包括模拟输入、数据采集、数据缓存及基于PCI接口的数据传输四部分。其核心部分是A/D转换及PCI接口的实现。系统结构如图1所示。　　（1）数据采集部分
　　来自电力系统的8路模拟输入信号经8路采样保持器、8选1多路开关和程控增益放大器后成为符合模数转换芯片AD976动态范围的模拟信号并输入AD976。AD976的输入范围为-10_~ 10V，采用外接AD780作为稳压参考源。同步采样脉冲由锁相环电路产生，跟踪锁相环电路框图如图2所示。以CD4046为核心的锁相环电路，根据电网波形生成同步采样脉冲送给模数转换器（ADC）的转换控制信号，保证系统能跟踪电网周波的变化进行精确的同步交流采样。锁相环电路由两个二—十分频器MC14522和锁相环CD4046组成。来自电压变送器和电流变送器的正弦信号经整形电路变为与正弦信号频率相同的方波信号，送至CD4046。压控振荡器的输出信号输出到分频器进行分频。在一个工频周期内采样36个点，分频系数经轮指开关分别设定。压控振荡器的输出可以作为定点采样的控制脉冲，控制ADC转换的启动时间。　　（2）数据缓存部分
　　基于PCI总线的数据采集卡嵌入PC机的PCI扩展插槽中，这样可充分利用微处理器的控制功能、PC机的快速数据处理能力以及多任务工作方式等特点。主机要频繁接受来自扩展卡从机所采集的数据、工作状态等信息，并向从机发送控制命令或处理数据等，在这种数据传输速度较高、数据量较大且需经常交换信息的场合，采用双口RAM缓冲区方式是最合适的。而且，利用双口RAM也方便与PCI接口控制器S5933构成直通数据传输接口。双口RAM采用两片IDT7134（4K´8）构成16位数据缓存。DS80C320完成系统初始化、数据采集和将采样数据写入IDT7134等工作。
　　（3）PCI接口部分
　　S5933是一款功能强大、使用灵活的PCI总线控制器接口芯片，该芯片符合PCI局部总线规范，可实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，作为PCI目标设备，可实现基本的传送要求，其峰值传输速率为132Mb/s（32位数据线）。它将复杂的PCI接口转换为相对简单的用户接口。
　　S5933具有PCI总线、外部只读存储器和扩展总线接口。复杂的PCI接口规范完全由S5933实现，用户只需要完成扩展总线接口逻辑控制电路和PCI配置空间的设计。PCI配置通过外接只读存储器实现。系统上电时，只读存储器中的数据载入至S5933，完成设备初始化及PCI设备的配置空间的设置。因此，只要电气连接正确，用S5933实现的PCI采集卡就能在开机时被自动检测到^[1]。
　　通过S5933总线接口控制器，主机与外设之间的数据传送可以通过信箱寄存器，FIFO寄存器或直通（PASS-THRU）寄存器三种方式进行。三种方式可以任意选择，亦可组合使用。信箱通道不适用于大量数据的传输，只用来传送命令或状态以及参数信息；用FIFO通道和直通通道进行数据传输理论上可以达到PCI总线的峰值速率。FIFO既可作为PCI总线的主控设备访问PCI总线的内存和进行DMA传输，也可作为PCI的目标设备。直通通道只能工作于目标设备，PCI总线可通过对直通区域的访问来直接访问附加总线上的资源。笔者设计的PCI接口采用直通通道进行数据传输。下面对基于这种方式的PCI接口设计作详细讨论。
　　首先必须明确直通通道的实质是通过对直通区域的定义将扩展总线上的资源映射到系统空间，PCI主控设备可通过对直通区域的访问来访问扩展总线上的资源。PCI总线最重要的一个特点是存在配置空间，配置空间中的基地址寄存器为PCI系统资源分配（内存或I/O空间的分配）提供了一种机制，PCI设备在基址寄存器中填入所需资源的类型和大小。配置空间有6个基址寄存器，与直通方式有关的是基址寄存器BADR1~4，与此相对应，S5933提供4个用户可设置的直通区域。在系统配置周期中，PCIBIOS将根据配置空间的设置给每个区域分配地址。
　　另外，PCI总线和扩展总线上的终端设备对S5933进行的状态监控和运行控制通过两组操作寄存器完成。在PCI总线一侧，其操作寄存器组（PCIBusOperationRegisters）的大小为64个字节（即16个连续的双字长），通过PCI配置空间的基地址寄存器BADR0（BaseAddressRegister0）映射到存储器空间或I/O空间，主机通过对PCI配置空间进行访问获得BADR0后，就可以通过寄存器操作或I/O操作对该寄存器组进行访问，进而对S5933进行监控与控制；在扩展总线一侧，其操作寄存器组（Add-onBusOperationRegisters）的大小为72个字节（即18个连续的双字长），终端设备通过ADR[6..2]，BE[3..0]#，MODE16/32，SELECT。RD#，WR#及DQ[31..0]对该寄存器组进行访问，进而对S5933进行监控和控制。工作在直通方式下，有关的操作寄存器有直通地址寄存器（APTA）和直通数据寄存器（APTD）。直通寄存器仅支持目标方式下的单周期数据或猝发传送，数据读写宽度可以是字节、字或双字。传送以握手方式进行，与直通方式数据传输有关的状态、控制信号含义以及信号的输入输出状态参见表1和表2。直通方式下的数据传输主要由AMCCS5933芯片与本地逻辑电路通过上述引脚信号的交互、握手来完成，时序如图3示。直通的握手时序可以通过可编程逻辑同步状态机的方式实现，它很容易用ALTERA的AHDL硬件编程语言实现。逻辑部分的电路图如图4所示^[1-3]。
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