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微型计算机控制技术期中试题 基于 PCI 总线的数据采集卡 自动化 0905 班 张亚明 0906050503 摘要：本文采用一种基于 USB 接口的实用型数据采集卡。采用 CPLD 和 PSD 进行信道前端处理，以 FPGA 为采集的核心控制芯片并用于参数 的存储与读写，设计了一种快速、高精度数据采集卡硬件是一外置式 的密封设备，软件具有很好的用户图形界面。详细地论述了本采集卡 的硬件结构，并列举了采集卡的主要性能指标，对采集卡所要求的性 能指标，详细地论述了系统的硬件。关键词：数据采集卡 CPLD PCI 总线 USB集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬设计要求：该数据采集卡要求高精度数据采集，采用 PCI 总线，运用 US 接 口。进行 32 位数据输入、16 路数据输出、4 路可程控增益，必须具有隔离 功能。引言：计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信、自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到 广泛的应用。在冶金、化工、医学和电器性能测试等许多应用场合需 要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机 传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示 和输出打印等处理。本文采用一种基于USB 接口的实用型数据采集卡。采用 CPL 和 DSP 进行信道前端处理，以 FPG 为采集的核心控制芯片并用于参数的存储 与读写，设计了一种快速、高精度数据采集卡 硬件是一外置式的密封 设备，软件具有很好的用户图形界面。详细地论述了本采集卡的硬件 结构，并列举了采集卡的主要性能指标，对采集卡所要求的性能指标，详细地论述了系统的硬件。设计方案：一、设计总框图如图 1 所示：本设计要求高精度数据采集，采用 PCI 总线，运用 US 接 口。进行 32 位数据输入、16 路数据输出、4 路可程控增益，必须具有隔离功能 集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬FPGA 现场可编程门阵列）与 CPLD 复杂可编程逻辑器件）都是可 程逻辑器件，它们是在 PAL GAI 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的 PAL，GAI 等相比较，FPG CPL 啲规模比较大，它可以替代 几十甚至几千块通用 IC 芯片。这样的 FPG CPL 实际上就是一个子系 统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普 遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑 器件。比较典型的就是Xilill公司的 FPG 器件系列和 Altera 公司的 CPL 器件系列，它们开发较早，占用了较大的 PLD 市场。尽管 FPGA CPL 和其它类型 PLD 勺结构各有其特点和长处，但概 括起来，它们由三大部分组成，如图 2.1 所示：集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬1 I AH LAH LAK LAB I LAM 卷人秫出炉 谨经资凍 单元 I (3 16-bl-2nd Flash Memory：32K Byres SRAM:BK Byt GmnvffsJ Purpose PiDgrammable L fli C.1&MacHwrllt (B)GPIO.Pon A(SO-pin only)&)GPId Pert B (2)GP1O,Pert D(4)SPiO,Pert C BC 32 Add rcliDJIJLCfiiHEjTbl Euft(9J-pin only)PA0:7 (8)3PiO Rori 4 A use v1.1 w w GNQ Re&et,Crys-ial In 1 PBOJ PDIJ!d rc=7 MCU Bus 如图 2.3 i psd3234BV-24 芯片所示，该芯片采用两种单电源供电方式:4.55.5V;3.03.66V，故可直接供电。PSD 可编程系统器件 PSD 是i PSD3234BV-2 的核心电路，主要由存储 器模块、PLD I/O 口、电源管理单元（PMU 和 JTAG 接口组成，如图 2.4 所示 UPSD323X An 0429 图 2.4 PSD 内部功能框图 PCI 总线：PCI 总线协议:PCI 总线的概念是由 Intel 公司联合 IBM、Compaq AST HR DEC 等 100 多家公司提出的，1999 年 2 月公布。制定 PCI 总线的目标是建立 一个工业标准的、低成本的、允许灵活配置的、高性能局部总线结构。Pl 07 mQ isp Supervisor:Wsfichdog and edicalad 孚 集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬它既为今天的系统建立一个新的性能/价格比，又能适应将来 CP 的 特性，能在多种平台和结构中应用。PCI 总线标准是当今 PC 领域中最流行的总线标准。随着 CPU 勺快速 发展，基于图形的操作系统(如 Windows)迅速普及、多媒体、视频处 理和网络传输的大量应用，使 ISA 总线逐渐成为系统数据传输瓶颈。PCI 总线可以很好地满足上述需要。PCI 是一种局部总线(Local Bus),由于独立于 CP 的结构，使总线形成了一种独特的中问缓冲器的设计，从而与CP 及时钟频率无关。因此用户可以将一些高速外设，如网络 适配卡、图形卡、硬盘控制器等从 ISA 总线上卸下，而通过局部总线 直接挂接到 PCI总线上，使之与高速的 CPU、线相匹配，从而打破了数 据 I/O 的瓶颈，使高性能 CP 的功能得以充分发挥。PCI 总线的系统结构：在一个 PCI 系统中可以做到高速外部设备和低速外部设备共存、PCI 总线与 ISA/EISA、线并存，如图 2.5 中所示。图 2.5 PCI 系统结构图集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬右需引湖 地址及数据 AD3j 0)FCI SERR#FARJ64 LOCK*THTA#在图 2.5 中可以看出，处理器/Cached存储器子系统经过一个 PCI 桥 连接到 PCI 总线上。此桥提供了一个低延迟的访问通路，从而使处理 器能够直接访问通过它映射于存储器空间或 I/O 空间的 PCI 设备，也 提供了能使PCI 主设备直接访问主存的高速通路。该桥也能提供数据 缓冲功能，以使 CPU!PCI 总线上的设备并行工作而不必相互等待。另 外，桥可使 PCI 总线的操作与 CPU、线分开，以免相互影响。扩展总线桥（标准总线接口）的设置是为了能在 PCI 总线上接出一 条标准 I/O 扩展总线，如 ISA,EISA 或 MC 总、线，从而可继续使用现有 的 I/C 设备，以增加 PCI 总线的兼容性和选择范围。一般地，典型的 PCI 局部总线系统中，最多支持三个插槽（连接器），但这样的扩充能 力并不一定是必要的。PCI 接插卡连接器属于微通道（MC）类型的连接 器。同样的 PCI 扩充板连接器也可以用在 ISA,EISA 及 MC 总、线的系统 中。如图 2.6 所示:可透弓 I 脚 PAR FRAMx#搏口控借号 TRI#STOP#ID 吕 EL INTB#中 ftff 信号 1MTC#INTO#集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬SBO#ULJC SDONE TOO TCK TRST#GHT#集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬 图 2.7 PCI 接口与 FPGA 接线原理图 32 路数据量输入：有设计要求知，系统对数据采样时进行 32 路数据采集，分为 32 路数字采集和 32 路模拟量采集，同时须具有隔离功能。数字输入时，通过光耦隔离后直接通过 FPGA 的 32 个 I/O 接口接收 数字量，光耦隔离选择 TLP521-4，而 TLP521-4 提供了 4 个孤立的光集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬耦中 16 引脚塑料 DIP 封装，内置 4 路线性光耦，也可以用于数字量隔 离。32 路数字量输入共需 8 片。其电路图原理如图 2.8 所示。其中 P5 为 数字量输入接口 模拟输入通过线性光耦隔离后，通过 AD 转换成数字量送入 FPGA。由于路数太多，不可能用 32 个 AD，因此选用 4 片 CD4051 多路选择开关，将 32 路选择成 4 个 8 选 1,因此需要 4 个 CD4051,4 个 AD 转换器。AD 选择 ADS7822,12位高精度 AD 转换器，采用串行 接口，占用 FPGA的 I/O 口少。光耦选择 TLP521-4，内置 4 路线性 光耦，可以用于模拟量隔离。32 路数字量共需 8 片。其电路图原理 如图 2.9 所示。其中 P4 为模拟量输入接口。-1 -1 1 _ I 内 1 _ 1 -4-J-J=匸 L厂集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬 Rgug吕 ugHuHHsuss1=1 4=1_ CZI 1-a_ 匸-集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬16 路数据输出：数据输出时同样包括 16 位的数字量输出和 16 位的模拟量输 出。16 路数字量输出直接由 FPGA16 个 I/O 口产生，通过光耦隔离 后输出，光耦选择 TLP521-4,内置 4 路线性光耦，也可以用于数字 量隔离。16 路数字量输出共需 4 片。其电路图如图 2.10 所示。其中 P3 为数字量输出接口。模拟输出采用 AD 产生模拟量，并通过 CD4015 转换为 8 路，再 通过电压保持器保持电压。要输出十六路，需要两片 CD4051,16 片 LF398 电压保持器。DA 选用 TLV5618，TLV5618 是 12 位高精度 DA 有两路输出，采用串行通信，可节约 FPGA 的 I/O 口。16 路模拟输 出中有4 路是程控增益，因此还需要程控增益运放。本设计采用 THS7002,THS7002 是双通道数字可控增益运放，因此需要 2 片。其 电路图如图2.11.1、2.11.2 所示。其中 P6 为模拟量输出接口。集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬图 2.10 16 路数字输出电路原理图 集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬 图 2.11.2 4 路程控放大与输出接口 集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬三、系统软件设计 i PSD3234BV-24 空制流程图:图 3.1 i PSD3234BV-24 空制流程图集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬 i PSD3234BV-2 猷件流程图：图 3.2 i PSD3234BV-24 软件流程图 集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬 自动掉电保护 图 3.3 自动掉电流程图 集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬四、结论 当前，随着电子技术的飞速发展，智能化系统中需要传输的数据 量日益增大，要求数据传送的速度也越来越快，传统的数据传输方式 已无法满足目前的要求。在此前提下，采用高速数据传输技术成为必 然，DMA直接存储器访问）技术就是较理想的解决方案之一，能够满 足信息处理实时性和准确性的要求。本文以硬件描述语言和可编程逻辑器件（FPGA）为技术支撑，设 计 PCI 控制器的总体结构。在通道检测模块中，解决了信号抗干扰和 请求信号撤销问题，并提出并行通道检测算法；在优先级管理模块中 提出了动态优先级端口响应机制；在传输模块中采用状态机的设计思 想设计多个通道的数据传输。通过各模块问题的解决及新方法的采 用，最终设计出基于 FPGA 勺多通道 PCI 控制器的数据采集卡。集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬参考文献 1 纪宗南 集成 A/D 转换器应用技术和实用线路M.中国电力出版 社,2009.2 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础M.5 版.高等教育出版 社,2006.3 刘树林，程红丽.低频电子线路M.机械工业出版社，2007.4 于海生，丁军航，潘松峰，吴贺荣.微型计算机控制技术M.2 版.清华大学出版社，2009.集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬件是一外置式的密封设备软件具有很好的用户图形界面详细地论述了本采集卡的硬件结构并列举了采集卡的主要性精度数据采集采用总线运用接口进行位数据输入路数据输出路可程控增益必须具有隔离功能引言计算机技术在飞速发展微机应用日益普及深入微机在通信自动化工业自动控制电子测量信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用在冶送再由上位机进行数据分析处理自动报表生成信号波形显示和输出印等处理本文采用一种基于接口的实用型数据采集卡采用和进行信道前端处理以为采集的核心控制芯片并用于参数的存储与读写设计了一种快速高精度数据采集卡硬