基于PCI總線的DAQ卡研制及測控應(yīng)用

摘 要：PCI總線是當(dāng)今計算機(jī)的主流I/O總線，具有高傳輸率、支持DMA操作、即插即用等性能。本文介紹了PCI總線的特點和工作原理，提出了PCI總線DAQ卡的設(shè)計原理，以及Windows環(huán)境下DLL驅(qū)動軟件的設(shè)計和實現(xiàn)方法;結(jié)合基于PCI總線的DAQ卡的研制，討論了對這種硬件在不同的實際測控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PCI總線 ;DAQ卡;測控系統(tǒng)

　　基于DAQ（數(shù)據(jù)采集）板卡和信號調(diào)理電路為儀器硬件所組成的PC-DAQ測控系統(tǒng)，是整個測控系統(tǒng)中的一個重要的組成部分。本文結(jié)合PCI總線工作原理和特性，首先簡要講述了基于PCI總線DAQ板卡的設(shè)計結(jié)構(gòu)，然后對帶有GPIB[1]接口DAQ卡的硬件原理設(shè)計、DLL驅(qū)動軟件設(shè)計做了詳細(xì)的討論。

1 基于PCI總線DAQ卡的設(shè)計結(jié)構(gòu)

　　基于PC-DAQ[2]組成虛擬儀器測控系統(tǒng)，通用的構(gòu)建方法是在計算機(jī)上插入數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，并由驅(qū)動軟件驅(qū)動硬件，通過應(yīng)用程序構(gòu)建虛擬面板和發(fā)送通訊命令。因此，在該系統(tǒng)中，實現(xiàn)基于PCI總線數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡的軟硬件設(shè)計，是核心內(nèi)容。

　　基于PCI總線的DAQ卡，在設(shè)計實現(xiàn)上，分為兩個部分：硬件電路的設(shè)計和軟件驅(qū)動程序的實現(xiàn)。由于DAQ卡是基于PCI總線的，因此，在硬件上，包括實現(xiàn)PCI總線的接口電路和實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理的虛擬儀器功能電路兩部分。驅(qū)動軟件部分，則是實現(xiàn)計算機(jī)和硬件板卡之間的通訊，把所采集的數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)內(nèi)存中。

2 GPIB接口卡的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　帶有GPIB接口的DAQ卡，在硬件功能上，需要實現(xiàn)三個部分：PCI總線接口、PCI設(shè)備的即插即用和GPIB功能接口電路。

　　2.1 PCI總線接口協(xié)議的實現(xiàn)

　　在該系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，選用了PLX公司的專用接口芯片PCI9052作為實現(xiàn)PCI總線的橋接芯片。PCI9052對于PCI總線和局部總線轉(zhuǎn)換提供了無縫鏈接。因此，在硬件實現(xiàn)上，只需要對PCI總線引腳和PCI9052引腳做一一對應(yīng)連接即可。

　　2.2 即插即用的實現(xiàn)

　　PCI總線提供了即插即用的功能，從而使得操作系統(tǒng)在啟動過程中根據(jù)檢測到的配置空間寄存器參數(shù)，自動為硬件分配各種資源，實現(xiàn)了硬件設(shè)備的資源自動配置。

　　PCI總線的即插即用，對于使用專用集成芯片設(shè)計的板卡，主要是通過設(shè)置PCI橋接芯片內(nèi)部的配置寄存器內(nèi)容來實現(xiàn)的。實現(xiàn)的方法有兩種：通過軟件在線編程修改橋接芯片中配置寄存器內(nèi)容和使用燒寫器修改串行EEPROM內(nèi)容。

　　2.3 接口功能電路的實現(xiàn)

　　對于GPIB功能電路，為了實現(xiàn)GPIB總線接口協(xié)議，本設(shè)計中采用了德州儀器生產(chǎn)的專用接口芯片DS75160和DS75162以及74LS375芯片來實現(xiàn)。DS7560和DS75162是專門針對于實現(xiàn)GPIB功能電路的集成芯片。

　　2.4 接口卡電路的實現(xiàn)

　　GPIB接口卡的電路包括原理圖和印刷版電路兩部分。

　　2.4.1 原理圖設(shè)計與實現(xiàn)

　　硬件板卡電路原理如圖2所示。在下圖中，PCI9052用于實現(xiàn)PCI總線接口各種時序電路，EEPROM為93LC46B，用于實現(xiàn)PCI板卡的即插即用功能，外圍芯片74LS688[13]實現(xiàn)地址片選，8255用于實現(xiàn)局部的I/O資源，GPIB功能電路實現(xiàn)接口協(xié)議。

　　2.4.2 印刷板電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　PCI總線設(shè)計屬于高速線路設(shè)計，對信號的完整性設(shè)計要求較高，在本系統(tǒng)中，由于應(yīng)用總線接口端要求工作時鐘為8MHZ，這個工作時鐘和PCI端的33MHZ工作時鐘是相互獨立的，因此，設(shè)計兩層的PCB板就可以達(dá)到傳輸速度上的要求。

3 DLL軟件驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)

　　對于基于DAQ板卡構(gòu)建的虛擬儀器測控系統(tǒng)，其軟件設(shè)計主要任務(wù)是實現(xiàn)硬件板卡的驅(qū)動程序和儀器虛擬化功能函數(shù)的實現(xiàn)。在Windows98操作系統(tǒng)環(huán)境下，硬件板卡的驅(qū)動程序有三種形式：VxD驅(qū)動、DLL驅(qū)動和WDM驅(qū)動程序[3]。這三種形式中，由于在Windows98環(huán)境下提供了能夠在應(yīng)用層直接操作硬件I/O空間的API函數(shù)，所以，在對于帶有GPIB接口的DAQ卡驅(qū)動軟件，通過設(shè)計一個直接操作硬件I/O空間的DLL[4]來實現(xiàn)。

　　3.1 DLL的內(nèi)在工作機(jī)制

　　動態(tài)連接庫是應(yīng)用程序在運(yùn)行時連接函數(shù)庫的一種實現(xiàn)機(jī)制。函數(shù)庫存儲在它自己的文件中，并不被編譯到應(yīng)用程序可執(zhí)行文件中去。DLL在應(yīng)用程序運(yùn)行時才連接，而不是在應(yīng)用程序創(chuàng)建時被連接。DLL包含一個導(dǎo)出函數(shù)表，對于需要導(dǎo)出的函數(shù)，在定義的時候作類似如下的聲明：

　　extern “C” __declspec（dllexport） int FunctionName（int n）;

　　除了需要作以上的聲明外，編譯工程中還必須為連接器指定導(dǎo)入庫，而且客戶程序必須實際調(diào)用了DLL的導(dǎo)出函數(shù)中的至少一個函數(shù)。

　　在創(chuàng)建DLL時，一般都使用VC++6.0來進(jìn)行開發(fā)，在DLL的開發(fā)過程中，需要定義三個文件：

　　（1）一個C語言源文件（必須）;

　　（2）一個自定義的頭文件（可選，在應(yīng)用程序中調(diào)用）;

　　（3）一個模塊定義文件（可選，在_stdcall方式調(diào)用時可能需要）。

　　3.2 Windows98下操作硬件的API函數(shù)

　　在Windows98環(huán)境中，操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序直接操作硬件I/O空間提供了6個API函數(shù)，用于實現(xiàn)硬件I/O空間字節(jié)、字和雙字的讀寫。

　　3個端口讀函數(shù)原型和說明如下（括號內(nèi)參數(shù)為16位I/O讀地址）：

　　讀字節(jié)：int _inp（ unsigned short port ）;

　　讀 字：unsigned short _inpw（ unsigned short port ）;

　　讀雙字：unsigned long _inpd（ unsigned short port ）;

　　3個端口寫函數(shù)原型和說明如下：

　　寫字節(jié)：int _outp（ unsigned short port, int databyte ）;

　　寫 字：unsigned short _outpw（ unsigned short port,

　　unsigned short dataword ）;

　　寫雙字：unsigned long _outpd（ unsigned short port,

　　unsigned long dataword ）;

　　在上述三個API函數(shù)中，第一個參數(shù)為需要寫入數(shù)據(jù)的16位I/O地址，第二個參數(shù)為需要寫入的數(shù)據(jù)。在Windows98操作系統(tǒng)中，通過操作以上6個API函數(shù)，就可以對包含I/O資源的設(shè)備硬件進(jìn)行讀寫操作。

　　3.3 DLL中PCI設(shè)備局部資源的獲得

　　在PCI設(shè)計中，在調(diào)試完硬件，硬件設(shè)備就可以正常工作了。但是，如果需要通過軟件來控制硬件動作，則必須獲得系統(tǒng)已經(jīng)為硬件設(shè)備所分配的各種資源信息，即各種映射的那個I/O和內(nèi)存空間的基地址和大小。

　　在GPIB接口卡的設(shè)計中，在硬件上，局部資源為8255所申請的四個字節(jié)的I/O空間。因此，在軟件上，需要獲得這四個字節(jié)的I/O空間在系統(tǒng)中PCI地址空間所對應(yīng)的基地址大小，通過訪問PCI地址空間中的基地址才能通過地址映射實現(xiàn)對8255四個I/O端口的讀寫操作。

　　在該板卡的設(shè)計中，PCI配置周期由配置機(jī)制[5]產(chǎn)生，這種機(jī)制使用兩個雙字I/O雙字I/OCF8H地址。第一個雙字I/O地址CF8H，是一個可讀寫寄存器，命名為CONFIG-ADDRESS。第二個雙字地址是CFCH，命名為CONFIG-DATA寄存器。對配置空間的操作是通過寫一個值到設(shè)備的CONFIG-ADDRESS寄存器。在此之后如果對CONFIG-DATA寄存器回讀，橋就會將CONFIG-ADDRESS寄存器中的值轉(zhuǎn)換為PCI總線上所要求的配置周期，即自動產(chǎn)生配置讀和配置寫周期[6]。因此，在軟件上通過對這兩個寄存器進(jìn)行循環(huán)讀寫，可以獲得GPIB接口卡的硬件資源，該部分工作流程如左圖3所示。

4 PCI總線DAQ卡在基于示波器測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在工業(yè)現(xiàn)場使用示波器進(jìn)行信號測量時，常有因環(huán)境限制而無法處理測量結(jié)果的情況。這時，可通過GPIB總線接口，將數(shù)字示波器和位于PC機(jī)中的通訊接口卡相連，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，然后再在應(yīng)用層使用圖形化編程軟件LabView[7]構(gòu)建示波器的虛擬控制面板，實現(xiàn)用戶通過對在測試現(xiàn)場的示波器進(jìn)行程控操作，在計算機(jī)上的虛擬示波器面板上顯示實際的測量結(jié)果,并對實際的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲等處理，完成示波器的虛擬化操作。

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖4所示：

　　上述所示波器測控系統(tǒng)中，硬件部分主要是一塊自主研制的基于PCI總線的GPIB接口板卡， 用于實現(xiàn)示波器數(shù)據(jù)的采集，軟件部分是用于驅(qū)動GPIB板卡的DLL功能驅(qū)動程序，實現(xiàn)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)采集的軟件控制。

　　在該實際應(yīng)用中，對于TDS220進(jìn)行程控操作最基本的幾個程控命令如下所述：

　　初始化硬件：IBFIND（GPIB總線地址,0,3000）

　　初始化示波器：IBDEV（儀器地址）

　　發(fā)送命令至示波器：IBWRT（儀器地址,控制命令）

　　接收數(shù)據(jù)（字符串形式）：IBRD（儀器地址,緩沖區(qū)地址,接受數(shù)據(jù)個數(shù)）

　　接收數(shù)據(jù)（數(shù)組形式）：IBRDI（儀器地址,緩沖區(qū)地址,讀出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)）

　　儀器返回本地：IBGTL（儀器地址）

5 結(jié)語

　　基于PCI總線是現(xiàn)代測控系統(tǒng)發(fā)展的必然要求,本文所介紹的DAQ卡是結(jié)合測控技術(shù)的實際發(fā)展的需要，在創(chuàng)新思想的指導(dǎo)下提出并開發(fā)完成的，文中還給出了在實際測控系統(tǒng)中的應(yīng)用實例，取得了較為滿意的效果。

參考文獻(xiàn)：

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