基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

0 引言
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和控制、測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工程技術(shù)人員都將PC機(jī)作為控制、測(cè)量開發(fā)的首選平臺(tái)。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(jì)算機(jī)插卡式外設(shè)總線的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線具有32／64位總線寬度。地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用，支持猝發(fā)傳輸，傳輸速率高達(dá)132MB／s；系統(tǒng)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(shí)支持多組外圍設(shè)備。雖然PCI總線也經(jīng)歷了從PCI、PCI-X到PCI Express的發(fā)展，但PCI總線由于存在時(shí)間長，開發(fā)工具、開發(fā)資料眾多，在對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量要求不是很高的工業(yè)控制、測(cè)量領(lǐng)域仍有著頑強(qiáng)的生命力。筆者在學(xué)習(xí)了相關(guān)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可以完成8路數(shù)字量I／O及4路差分14位A／D采集功能。本文將根據(jù)筆者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，介紹PCI接口擴(kuò)展卡的軟硬件設(shè)計(jì)流程。

1 PCI總線工作方式簡介
PCI總線標(biāo)準(zhǔn)由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI規(guī)范的發(fā)展。PCI總線是一種時(shí)分復(fù)用的雙向應(yīng)答總線，傳輸發(fā)起方稱為主設(shè)備，接收方稱為從設(shè)備。其主要信號(hào)定義如下：
RFAME：由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為低，指示一次傳輸?shù)拈_始。
DEVSEL：由從設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為低，指示響應(yīng)傳輸請(qǐng)求。
ADO～AD31：地址、數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)。PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個(gè)地址周期和多個(gè)數(shù)據(jù)周期組成。首先給出本次傳輸?shù)氖椎刂?，后面緊跟一個(gè)或多個(gè)4字節(jié)寬的數(shù)據(jù)，連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，其地址自動(dòng)遞增。
C／BE0～C／BE3：這4根線在地址傳送周期，傳輸?shù)氖强偩€命令，C／BE0～C／BE3的不同組合指示在AD0～AD31上將要進(jìn)行何種類型的操作，其代表的總線命令見表1；在數(shù)據(jù)傳送周期，傳輸?shù)氖亲止?jié)始能信號(hào)，用來表示在整個(gè)數(shù)據(jù)期間，AD31～AD0上的哪些字節(jié)為有效數(shù)據(jù)。
IRDY、TRDY：分別表示主設(shè)備準(zhǔn)備好和從設(shè)備準(zhǔn)備好。在傳輸過程中，只有IRDY和TRDY同時(shí)有效，傳輸才能繼續(xù)；否則插入等待周期，用于在不同速度的設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作。
表1地址傳送周期時(shí)。C／BE0～C／BE3所代表的總線命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板對(duì)電源的請(qǐng)求信息，具體含義見表2。

將PCI接口卡插入計(jì)算機(jī)插座，加電后，BIOS會(huì)根據(jù)PCI接口卡上的配置信息，為其分配相應(yīng)的I／O端口、存儲(chǔ)器空間、中斷及DMA等計(jì)算機(jī)資源。

2 PCI接口卡的硬件設(shè)計(jì)
筆者設(shè)計(jì)的PCI數(shù)據(jù)采集卡使用的PCI接口芯片是CH365，CH365可將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為簡便易用的類似于ISA總線的8位主動(dòng)并行接口，支持240字節(jié)的I／O端口映射、32 K字節(jié)的存儲(chǔ)器映射、擴(kuò)展ROM以及中斷。本數(shù)據(jù)采集卡僅使用了I／O端口映射及中斷功能。本PCI數(shù)據(jù)采集卡使用MAXIM公司的4通道14位、差分、同時(shí)采樣ADC：MAX1338，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換功能，并將MAX1338的／EOLC引腳與CH365的INT_REQ引腳相連，以便在ADC轉(zhuǎn)換完成后，向PC機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。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(duì)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(tài)指示信號(hào)。使用TLP521-4對(duì)8路I／O輸入、輸出進(jìn)行光電隔離。使用74LS138作為地址譯碼。