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傳統(tǒng)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(gòu)成的數(shù)據(jù)采集板卡和相應(yīng)的軟件組成，但隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要由計(jì)算機(jī)處理、存儲(chǔ)和傳輸，由于通用計(jì)算機(jī)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(shù)字信號(hào)處理，因此這種虛擬儀器不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力以及數(shù)據(jù)管理能力所提出的越來(lái)越高的要求。 與此同時(shí)，隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）性?xún)r(jià)比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域飛速擴(kuò)展，從而使基于PCI總線(xiàn)和DSP技術(shù)的新型虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。 系統(tǒng)的基本框架 筆者設(shè)計(jì)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(tǒng)是基于模塊化的設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要有以下幾步：1）設(shè)計(jì)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(tǒng)的邏輯控制單元和數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)芯片；2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊；3）開(kāi)發(fā)PCI母板的Windows驅(qū)動(dòng)程序，使PC能正常識(shí)別該板卡并分配所需系統(tǒng)資源；4）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下位機(jī)DSP數(shù)據(jù)采集模塊的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)的FFT算法處理；5）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上位機(jī)PC的控制軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形顯示、端口配置、內(nèi)存讀寫(xiě)以及對(duì)儀器的控制功能。 圖1 虛擬儀器系統(tǒng)的基本框架 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 由圖1可見(jiàn)，本虛擬儀器系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集DSP子板，此外，該板上還有整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制單元以及數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)芯片；其他各個(gè)功能模塊都基于該擴(kuò)展板來(lái)實(shí)現(xiàn)；各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸可以通過(guò)雙端口RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們選用Cypress公司8K×16b高速雙口RAM芯片CY7C025V，因?yàn)樗臅r(shí)序與DSP時(shí)序相配，特別適用于DSP與PC之間大量數(shù)據(jù)的高速雙向傳送。 1 PCI接口的實(shí)現(xiàn) 在PCI總線(xiàn)適配卡的設(shè)計(jì)中，采用專(zhuān)用的PCI接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI接口，設(shè)計(jì)者不需要將精力投入到復(fù)雜的PCI接口功能設(shè)計(jì)和驗(yàn)證測(cè)試上。專(zhuān)用的接口芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)接口功能，將復(fù)雜的PCI接口轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的接口。在本設(shè)計(jì)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(hào)接口模塊圖。 圖2 PCI9052信號(hào)接口 PCI分配資源的數(shù)據(jù)來(lái)源是通過(guò)外擴(kuò)的EEPROM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)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(hào)復(fù)位PCI9052內(nèi)部寄存器。而PCI9052也輸出局部復(fù)位信號(hào)（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(shù)據(jù)到PCI9052的內(nèi)部寄存器中；否則默認(rèn)值被使用。PCI9052配置寄存器僅能由EEPROM或PCI主機(jī)處理器寫(xiě)。在EEPROM初始化期間，PCI9052用RETRY信號(hào)來(lái)響應(yīng)PCI目標(biāo)訪(fǎng)問(wèn)。圖3給出了本設(shè)計(jì)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(shè)備識(shí)別號(hào)、供應(yīng)商代號(hào)、四個(gè)局部總線(xiàn)空間的大小以及空間的基地址等。可以事先通過(guò)編程器將配置信息寫(xiě)入配置EEPROM中，也可在系統(tǒng)啟動(dòng)后用PLXMon對(duì)EEPROM進(jìn)行操作。 2 系統(tǒng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn) 由于CPLD器件掉電后可保存芯片內(nèi)部程序，無(wú)須煩瑣的重復(fù)燒寫(xiě)，因此本設(shè)計(jì)采用Altera公司的CPLD器件，作為PCI接口芯片及存儲(chǔ)芯片的邏輯控制。考慮到需要使用局部地址/數(shù)據(jù)各16根線(xiàn)，控制信號(hào)線(xiàn)22根，還要為數(shù)據(jù)采集電路預(yù)留些I/O引腳，最后決定采用144腳TQFP封裝的EPM3128。 在本系統(tǒng)中，EPM3128的主要功能是實(shí)現(xiàn)PCI Local端的地址譯碼、DSPLocal端對(duì)各個(gè)DRAM控制的地址譯碼、對(duì)板上功能選擇開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行譯碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的配置以及對(duì)各芯片的控制信號(hào)進(jìn)行邏輯譯碼。所有的譯碼工作都通過(guò)VHDL編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合和編譯工作是在Altera公司的QuartusII集成編譯環(huán)境中完成的。 3 數(shù)據(jù)采集電路的實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到本系統(tǒng)的性能。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的可配置和可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)成可配置的模式插接在總線(xiàn)接口母板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊由高速16位adc（LTC1608）和高性能DSP芯片(TMS320C6713)構(gòu)成,LTC1608的并行數(shù)字接口可方便地與包括TMS320C6713在內(nèi)的多種DSP通信，并可連接3V或5V邏輯。 由于對(duì)采集精度的高要求，在信號(hào)進(jìn)入ADC之前，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行一系列的處理以保證信號(hào)的可靠性：模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電壓跟隨運(yùn)算放大器增加輸入阻抗，再經(jīng)過(guò)電壓比例放大和一階RC低通濾波，最后輸入到ADC。 圖4 輸入信號(hào)處理電路原理圖 圖5 LTC1608 A/D芯片引腳連接電路圖 具體的信號(hào)處理電路如圖4和圖5所示。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 正如圖1所示，硬件設(shè)計(jì)完成后，要使整個(gè)系統(tǒng)工作還需要軟件的支持，這些軟件包括PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理算法程序和系統(tǒng)控制軟件。 1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不是單獨(dú)存在的，而是相關(guān)操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，所以需要對(duì)操作系統(tǒng)有一定的了解。Windows2000操作系統(tǒng)是32位的多任務(wù)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)底層的操作和用戶(hù)與硬件打交道的權(quán)力被屏蔽，必須通過(guò)操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和其他內(nèi)核訪(fǎng)問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件對(duì)硬件的訪(fǎng)問(wèn)。在設(shè)計(jì)和使用PCI設(shè)備時(shí)，經(jīng)常要在軟件中對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，因此只有編制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才能實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI總線(xiàn)設(shè)備的完全訪(fǎng)問(wèn)。 應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備I/O進(jìn)行Win32調(diào)用，這個(gè)調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務(wù)接收。I/O管理器從這個(gè)請(qǐng)求構(gòu)造一個(gè)合適的I/O請(qǐng)求包(IRP)。在最簡(jiǎn)單的情況下，I/O管理器只是把IRP傳遞給一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序與硬件打交道，并完成IRP的處理。I/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win32和用戶(hù)應(yīng)用程序。而一個(gè)IRP由一個(gè)分層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序棧處理是很常見(jiàn)的。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序把該請(qǐng)求劃分成更簡(jiǎn)單的請(qǐng)求。最高層的驅(qū)動(dòng)程序(如文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序)知道文件如何在磁盤(pán)上表示，但不知道如何得到數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)；中間層次的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)一步處理請(qǐng)求；最低層的驅(qū)動(dòng)程序與硬件實(shí)際打交道。 本設(shè)計(jì)選擇的硬件驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具是Compuware公司提供的一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序集成開(kāi)發(fā)包(DriverStudio)。利用其中的DriverWorks工具可以生成一個(gè)PCI總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)框架，然后在WDM中實(shí)現(xiàn)輸入輸出處理，可以用KIoRange類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在驅(qū)動(dòng)程序框架生成的過(guò)程中，我們可以通過(guò)向?qū)暶黩?qū)動(dòng)程序中將要使用的資源；通過(guò)調(diào)用KIoRange類(lèi)的Initialize()函數(shù)，可以對(duì)資源進(jìn)行初始化(映射PCI局部空間)；應(yīng)用層通過(guò)DeviceIoControl函數(shù)向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)命令來(lái)調(diào)用KIoRange的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)I/O空間的處理。開(kāi)發(fā)PCI母板的windows驅(qū)動(dòng)程序，就是使PC能正常識(shí)別該板卡并分配所需的系統(tǒng)資源。 2 FFT算法的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)需要針對(duì)DSP數(shù)據(jù)采集模塊，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT（快速傅立葉變換）算法處理的程序。 作為一般的情況，設(shè)：x(n)和X(k)都是復(fù)數(shù)，因?yàn)閺膶?shí)際計(jì)算過(guò)程看，實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)沒(méi)有區(qū)別，唯一不同的是：實(shí)數(shù)的虛部為零，表達(dá)式簡(jiǎn)單些。而運(yùn)算過(guò)程所有的計(jì)算都是對(duì)實(shí)數(shù)進(jìn)行的，如果信號(hào)或頻譜是復(fù)數(shù)，就把最后計(jì)算的結(jié)果再組合成為復(fù)數(shù)分量。FFT運(yùn)算的基本單元是“蝶形單元”，其蝶形運(yùn)算的基本形式如下式所示： 所有蝶形單元的運(yùn)算可統(tǒng)一表示為 (1) 式(1)中，A和B是蝶形單元的輸入，C和D是輸出。同時(shí)將表示為 (2) 式(1)可以表示為虛部和實(shí)部形式，帶下標(biāo)R的字符表示實(shí)部，帶下標(biāo)I的為虛部，即 (3) 根據(jù)算法原理和上面的說(shuō)明，用C語(yǔ)言編制出一個(gè)按時(shí)間抽取的FFT算法程序，結(jié)構(gòu)上分為幾個(gè)部分：首先是碼位的倒置，然后根據(jù)計(jì)算的點(diǎn)數(shù)確定蝶形運(yùn)算的級(jí)數(shù)，接著是逐級(jí)進(jìn)行蝶形運(yùn)算，完成FFT運(yùn)算。 3 應(yīng)用控制軟件的設(shè)計(jì) 圖6 控制軟件功能模塊框圖 整個(gè)應(yīng)用控制軟件的功能模塊框圖如圖6所示。 基于以上的控制功能模塊圖，選擇使用VC++來(lái)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)應(yīng)用軟件的人機(jī)界面以及對(duì)系統(tǒng)的控制功能。VC++的開(kāi)發(fā)環(huán)境集編輯、編譯、連接、調(diào)試、向?qū)У榷囗?xiàng)功能于一體，并且提供了目前成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MFC（MicrosoftApplication Foundation Classes）類(lèi)庫(kù)。 我們開(kāi)發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)PC端控制軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形顯示、端口配置、內(nèi)存讀寫(xiě)以及對(duì)儀器的控制功能，其主界面如圖7所示。 圖7 程序主界面 結(jié)語(yǔ) 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DSP技術(shù)與PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集處理卡，開(kāi)發(fā)了虛擬式實(shí)時(shí)多通道FFT頻譜分析儀的應(yīng)用程序以及主機(jī)監(jiān)控界面。通過(guò)在數(shù)據(jù)采集卡上集成DSP，使得該卡不但能實(shí)時(shí)不掉點(diǎn)地采集外界信號(hào)，而且能在卡上實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、FFT頻譜分析。 整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)綜合調(diào)試和嚴(yán)格測(cè)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)需求，業(yè)已投入實(shí)際使用。 |
