PCI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件研究

引言

數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程。隨著當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)的15I速發(fā)展。數(shù)據(jù)采集已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活中。從工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的自動(dòng)控制系統(tǒng)到醫(yī)療設(shè)備中的各種測(cè)量監(jiān)控儀器，從航空航天中的衛(wèi)星遙感技術(shù)到軍事科技中的制導(dǎo)技術(shù)，從當(dāng)今可部分替代人類的機(jī)器人到日常生活中小小的數(shù)字體溫計(jì)，無不存在數(shù)據(jù)采集的身影。南此可見，數(shù)據(jù)采集在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要作用，數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)，因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的研究具有重要意義。

1 TMS320VC5402的主機(jī)接口(HPI)

目前一般的DSP運(yùn)算速度為100MIPS，即每秒鐘可運(yùn)算1億條指令，但仍嫌不夠快。由于電子設(shè)備的個(gè)人化和客戶化趨勢(shì)，DSP必須追求更高更快的運(yùn)算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。DSP運(yùn)算速度的提高，主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用 VLIW(VerylJ0nglnstmctionWord超長指令字)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其處理速度已高達(dá)2000 MIPS。當(dāng)前DSP器件大都采用0.5~0.35IxmCMOS工藝，按照CMOS的發(fā)展趨勢(shì)，DSP的運(yùn)算速度再提高100倍(達(dá)到1600 GIIX5)是完全有可能的。TMS320C5402DSP性能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)，接口方便，綜合多方面考慮，決定選擇它作為MCUtlI，C5402擁有改良的增強(qiáng)型的HPI，如圖l所示。HPI是主機(jī)與C5402進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的8-bit并行數(shù)據(jù)口。該接口在C5402芯片上，內(nèi)部有HPI數(shù)據(jù)寄存器，控制寄存器。HPI是用8-bit的數(shù)據(jù)線傳輸16_bit的數(shù)據(jù)，可通過設(shè)置控制寄存器的相關(guān)位控制高8位和低8位的傳輸。

增強(qiáng)型HPI采用共用訪問模式(SAM)，這是常用的模式。主機(jī)和DSP都能訪問HPI存儲(chǔ)器(二者產(chǎn)生沖突時(shí)，主機(jī)有較高的優(yōu)先權(quán))，而異步的主機(jī)訪問可以在HPI內(nèi)部重新得到同步。HPl支持主機(jī)與DSP之間高速傳輸數(shù)據(jù)。sAM模式下，DSP運(yùn)行在40MHz CLKOUT時(shí)，HPI每經(jīng)過5個(gè)CLKOUT周期傳輸一個(gè)字節(jié)，即64M從，對(duì)于40MHz的DSP(外部訪問周期為4)，主機(jī)可以運(yùn)行在30 MHz的速度下，而不需插入等待狀態(tài)。

1.1 HPI主要組成部分

(1)HPI存儲(chǔ)器(DRAM)。HPI RAM主要用于C54x與主機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)，5402片上有1個(gè)16K字x16位的DARAM作為HPI存儲(chǔ)器。

(2)HPI地址寄存-器-(I-tPIA)。它只能由主機(jī)對(duì)其直接訪問。寄存器中存放當(dāng)前尋址HPI存儲(chǔ)單元的地址。

(3)HPI數(shù)據(jù)鎖存器r(HPID)。它也只能由主機(jī)對(duì)其直訪問。如果當(dāng)前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲(chǔ)器中讀出的數(shù)據(jù);如果當(dāng)前進(jìn)行的是寫操作，則HPID中存放的是將要寫到HPI存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù).

(4)HPI控制寄存器(HPIC)。可以由主機(jī)或5402直接訪問，包含了HPI操作的控制和狀態(tài)信息。

1.2 HPI工作原理

HPI一8的使用是通過對(duì)HPIA，HPIC和HPID三個(gè)寄存器賦值實(shí)現(xiàn)的。簡單地說，HOST通過外部引腳HC—NTL0和HCNTLl選中不同的寄存器，則當(dāng)前發(fā)送的8位數(shù)據(jù)就送到該寄存器，HPI時(shí)序如圖2所示。

在使用上，由于HPIC是16位寄存器，而HPI一8是8位的數(shù)據(jù)寬度，所以在HOST向HPIC寫數(shù)據(jù)時(shí)，需要發(fā)送2個(gè)相同的8位數(shù)據(jù)。而地址寄存器 HPIA選擇后，直接向它寫數(shù)據(jù)即可以，但是要注意MSB和LSB的順序。另外，HPIA具有自動(dòng)增長的功能，在每寫入1個(gè)數(shù)據(jù)前和每寫入1個(gè)數(shù)據(jù)后，HPIA會(huì)自動(dòng)加l。這樣，如果使用了該功能，只需設(shè)定1次HPIA即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)塊的寫入和讀出。數(shù)據(jù)寄存器HPID，嚴(yán)格說應(yīng)該叫做數(shù)據(jù)緩沖寄存器，因?yàn)樽罱K數(shù)據(jù)是要寫到片內(nèi)RAM的。只是在實(shí)現(xiàn)上，數(shù)據(jù)首先從HOST發(fā)到HPID中，然后根據(jù)HPIA指定的地址，HPID中的數(shù)據(jù)再寫到片內(nèi) RAM的地址中。不過對(duì)用戶而言,該過程是透明的.

2 PCI9052與TM$320VC5402的接口

PCI9052的局部總線設(shè)置為8位局部總線，采用地址數(shù)據(jù)非復(fù)用模式翩。此時(shí)，/LBEl為LAl，/LBEO為LAO。將LBEO接HPI的 HBIL，用以區(qū)分第一字節(jié)和第二字節(jié)。LAl7接C5402的HCNTLl，LAl6接HCNTLO，以選擇HPI寄存器。如圖3所示，PCI 9052的LAD[ft.7】連C5402的HDr7刪;5402的/HINT反相后接到PCI9052的LINTl，之所以反相是由于/HINT是低電平有效，而LINTl是高電平有效。PCI9052的LW/R反相后接到5402的HR/W，因?yàn)長w/R高電平表示寫，低電平表示讀;而HR/W高電平表示主機(jī)要讀HPI，低電平表示主機(jī)要寫HPI;PCI9052的CS0,CSl相或連接到/HCSmD和/WR分別接到/HDSl,/HDS2;5402的/HRDY通過一定的邏輯組合再加上1個(gè)D觸發(fā)器與9052的/LRDY相連接以實(shí)現(xiàn)9052與HPI的同步。 PCI9052局部時(shí)鐘采用40MH。

CPLD采用EPM7128芯片，使用MAX+plusII進(jìn)行設(shè)。其設(shè)計(jì)的過程包括4個(gè)階段，設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程。 MAX+plus II軟件的設(shè)計(jì)輸入方法有很多，主要包括原理圖輸入方式、文本設(shè)計(jì)輸入方式、高級(jí)設(shè).計(jì)輸入方式、波形設(shè)計(jì)輸入方式、層次設(shè)計(jì)輸人方式和底層設(shè)計(jì)輸入方式.

3 AD轉(zhuǎn)換芯片與TMS320VC5402接口

AD轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TLC5510芯片，它為8bit，20Msps的高速并行AD轉(zhuǎn)換器。TLC5510在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿時(shí)進(jìn)行采樣。該采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)經(jīng)過2.5個(gè)時(shí)鐘延遲后，在時(shí)鐘的上升沿時(shí)輸出，也就是每個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.5個(gè)時(shí)鐘周期，一旦轉(zhuǎn)換流水線啟動(dòng)，則在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿都有一個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。TIE5510時(shí)序轉(zhuǎn)換圖，如圖4所示。

使用內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，將模擬輸入定為5 V，則參考低電壓設(shè)定為0.6 V，參考高電壓設(shè)定為2.6 V，這樣滿量程為2v，當(dāng)輸入電壓為0.6V時(shí)，AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為O，當(dāng)輸入電壓為2.6 V時(shí)，AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為255。

TI_E5510的輸出D1一D8通過SN74LV245緩沖后接到DSP的IMI--D7，TLC5510輸出使能接地。SN74LV245輸出使能接 DSP的/IS，即將DSP的10空間全部分配給TLC5510，如果還有其它IO設(shè)備，可用地址譯碼實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘輸入采用DSP定時(shí)器TOUT輸出。 TLC55 10接口。

4端口映射

HPI主機(jī)接口采用訪問寄存器的方式來進(jìn)行DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫，把HPI口單純映射到PCI的I/O空間或者存儲(chǔ)器空間，都有不可避免的缺點(diǎn)，因此該接口電路采用雙映射方式，利用I/O映射來訪問控制、地址寄存器和單個(gè)數(shù)據(jù)口，而用存儲(chǔ)器映射來訪問連續(xù)數(shù)據(jù)口，以實(shí)現(xiàn)5402與PCI9052之間方便、高效的數(shù)據(jù)通信。這也PCI9052使用了2個(gè)片選信號(hào)的原因。