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隨著計算機軟硬件技術和控制、測量技術的不斷發展，許多工程技術人員都將PC機作為控制、測量開發的首選平臺。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外圍部件互連)總線作為一種高性能、通用的局部總線，是目前計算機插卡式外設總線的事實標準。PCI總線具有32／64位總線寬度。地址線和數據線復用，支持猝發傳輸，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，可同時支持多組外圍設備。雖然PCI總線也經歷了從PCI、PCI-X到PCI Express的發展，但PCI總線由于存在時間長，開發工具、開發資料眾多，在對數據吞吐量要求不是很高的工業控制、測量領域仍有著頑強的生命力。筆者在學習了相關設計資料的基礎上，設計了基于PCI總線的數據采集卡，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際經驗，介紹PCI接口擴展卡的軟硬件設計流程。 1 PCI總線工作方式簡介 PCI總線標準由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI規范的發展。PCI總線是一種時分復用的雙向應答總線，傳輸發起方稱為主設備，接收方稱為從設備。其主要信號定義如下： RFAME：由主設備驅動，為低，指示一次傳輸的開始。 DEVSEL：由從設備驅動，為低，指示響應傳輸請求。 ADO～AD31：地址、數據復用信號。PCI總線的數據傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個地址周期和多個數據周期組成。首先給出本次傳輸的首地址，后面緊跟一個或多個4字節寬的數據，連續傳輸多個數據時，其地址自動遞增。 C／BE0～C／BE3：這4根線在地址傳送周期，傳輸的是總線命令，C／BE0～C／BE3的不同組合指示在AD0～AD31上將要進行何種類型的操作，其代表的總線命令見表1；在數據傳送周期，傳輸的是字節始能信號，用來表示在整個數據期間，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。在傳輸過程中，只有IRDY和TRDY同時有效，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調工作。 表1地址傳送周期時。C／BE0～C／BE3所代表的總線命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板對電源的請求信息，具體含義見表2。 將PCI接口卡插入計算機插座，加電后，BIOS會根據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總線轉換為簡便易用的類似于ISA總線的8位主動并行接口，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、同時采樣ADC：MAX1338，實現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ADC轉換完成后，向PC機發出中斷申請。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的狀態指示信號。使用TLP521-4對8路I／O輸入、輸出進行光電隔離。使用74LS138作為地址譯碼。 在制作印制板時，CH365的VCC與GND間應就近放置容量為0．1 μF高頻、低ESR的多層瓷片電容，連接PCI總線的電源線引腳可以自由選擇，但數量不宜少于4對。CH365屬于高頻數字電路，應該考慮信號阻抗匹配，在設計PCB板時需要參考PCI總線規范。建議CH365的PCI信號線的長度都小于35 mm，盡量走弧線或者45度線，避免直角或者銳角走線，并且盡量將信號走線布在元件面；CH365的PCI時鐘線CLK的長度盡量保持在50 mm～65 mm之間，并且不宜靠近其它信號線；在PCB背面保留大面積的接地覆銅，以減少周邊信號線的干擾。雖然PCI總線規范推薦使用四層板，但考慮成本等因素，可使用雙面板，雙面覆銅接地。筆者做的PCI數據采集卡即為雙面板，經實驗驗證在工業現場環境下，該卡能夠穩定工作。 3 PCI接口卡驅動程序及軟件設計 在Windows系統中，為避免因不當的硬件操作而導致系統崩潰，應用程序不再具有直接的硬件訪問權，如果要操作硬件，必須借助設備驅動程序。驅動程序主要功能是完成對硬件板卡的內存映像地址、I／O地址的存取，并正確處理來自板卡的硬件中斷。 Microsoft為設備驅動程序的編寫提供了“Windows De-vice Drivers Kit”(簡稱DDK)工具，它包含了驅動開發所需的各種類型的定義和內核函數庫。用DDK編制的驅動程序有很高的運行效率，但是開發難度大，測試流程繁瑣。為減輕驅動開發者的負擔，很多第三方廠商提供了簡化驅動開發的軟件。如Numega公司的DriverStudio軟件，J ungo公司的WinDriver／KernelDriver軟件等。尤其是WinDriver／KernelDriver不要求開發者非常熟悉操作系統平臺，掌握核心開發、調試知識，即可在幾分鐘之內開發出相應的驅動程序。但WinDriver的運行效率較低，因此，在對運行效率較高的場合，可使用KernelDriver進行開發，以提高運行效率。 由于本采集卡的數據吞吐量不高，因此采用WinDri-ver6．21進行驅動程序的開發，其開發過程如下： (1)運行Windriver程序，選擇"Create a new driver pro-ject”； (2)在彈出的“Select YourDevice”窗口中，從列表中選擇自己的硬件設備。由于CH365的默認廠商標識(Vendor－ID)為4348H，設備標識(DeviceID)為5049H，因此選中“PCI：VendorID 4348DeviceID5049”的PCI設備(如圖1)。 (3)單擊“Generate．INF file”按鈕，產生采集卡的驅動安裝信息文件。注意：需選中“Automatically Install theINFfile”復選框，以便可以在(4)步中測試采集卡(如圖2)。 (4)在“Define and Test Resources for Your Device”窗口中，設置采集卡的I／O地址及變量名，對于即插即用(Plug－and－play)設備，Windriver會自動發現其所用到的硬件資源(如：I／O范圍，存儲器范圍及中斷號等)(如圖3)。在此可對采集卡的I／O地址進行讀寫測試，以便驗證硬件設計是否正確。 (5)在“SelectCode Generation Options”窗口中，選中合適的開發語言及開發平臺。在此選擇“Ms DeveloperStudic6，5”(即Microsoft VisualC++6／5)，以便Windriver生成合適的驅動程序框架及相應的API函數(如圖4)。 (6)保存Windriver產生的驅動開發工程后，Windriver會自動打開相應的開發環境(此處為：Microsoft VisualC++6)，以便開發人員進行后續開發。 通過以上步驟，Windriver生成一個基于Visual C++語言的程序框架，開發人員可以在此框架的基礎上進行修改，加入自己的程序，實現對硬件的操作。現以筆者編制的程序(工程文件名為ADC)為例進行介紹。 在程序初始化階段，先調用PCI_Get_WD_handle()，判斷驅動程序windrvr6．sys是否已被加載，如果驅動程序已被加載，則調用ADC_LocateAndOpenBoard()函數，打開數據采集卡。在退出應用程序前，需先調用ADC_Close()函數，關閉數據采集卡。 對MAX1338和8路I／O的寄存器操作可通過ADC_ReadByte()、ADC_WriteByte()兩個函數完成。對CH365內部配置寄存器的讀寫可通過ADC_Read-PCIReg()、ADC_WritePCIReg()兩個函數完成。完成應用程序的開發后，數據采集卡在其他的PC機上工作時，需提供windrvr6．sys、windrvr6．inf、wd_utils．dll、數據采集卡的，inf文件以及自己開發的應用程序或DLL。以便于PC機安裝相應的驅動程序，對板卡進行配置、操作。本文根據筆者的實踐經驗，簡要介紹了PCI擴展卡的開發流程，給出了一套快速可行的解決方案。該方案簡單易行、調試方便，可使工程技術人員迅速掌握PCI總線的開發技術，從而設計出符合工程需求的PCI擴展卡。 |
