一種基于Compact PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　數(shù)據(jù)采集的實時性和可靠性是關(guān)系工業(yè)控制系統(tǒng)性 能的重要因素，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速率主要取決于A/D轉(zhuǎn)換、通信接口和總線傳輸?shù)乃俾省?TI公司推出的DSP芯片TMS320F2812具有很高的工作頻率和豐富的外設(shè)資源，能夠滿足采集系統(tǒng)的實時性要求，同時又降低了系統(tǒng)設(shè)計的成本。Compact PCI總線作為PCI總線向工業(yè)控制領(lǐng)域的拓展，除了 具備高速的傳輸速率，還具備優(yōu)良的機械特性和電氣特性。本文研制了一種基于Compact PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)以DSP作為控制核心，可以進行模擬信號采集、并行接口和串行接口的數(shù)據(jù)信號的采樣。

1 Compact PCI總線簡介

　　Compact PCI總線與PCI標準完全兼容，但作為開放的工業(yè)計算機標準，Compact PCI總線與PCI總線有很多不同。主要體現(xiàn)在：

　　(1) Compact PCI總線具有熱切換能力，可以使整個系統(tǒng)在不斷電的情況下，更換損壞的插板，這對于有高可靠性要求的系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

　　(2) Compact PCI總線采用歐式插卡(Eurocard)，具有更好的機械特性。歐式插卡的組裝技術(shù)目前已經(jīng)十分成熟，插卡垂向而平行的插入機箱，有利于通風(fēng)散熱;采用插入式電源模塊，便于維修，適合于安裝在標準化工業(yè)機架上。

　　(3) 使用高密度針孔總線連接器，完全氣密，比臺式機的PCI插槽具有更高的抗震性能和可靠性。

　　(4) Compact PCI底板可以容納8塊插卡，比原有的PCI規(guī)范增加了一倍，更能滿足工業(yè)系統(tǒng)的需要。

2 采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)一方面需要把電機轉(zhuǎn)速、電流環(huán)等模擬參數(shù)傳送到監(jiān)控主機，另一方面需要對下位機的各種參數(shù)和圖像數(shù)據(jù)進行采集，同時監(jiān)控主機還要對下位機發(fā)送各種控制信號。為了兼顧各種需要，設(shè)計中集合了模擬和數(shù)字兩種采集方式，可以實現(xiàn)8路A/D采樣，2路串行數(shù)據(jù)采集和2路并行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　采集系統(tǒng)以數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812作為控制核心，F(xiàn)2812最高工作頻率可達150MHz，除了豐富的內(nèi)部存儲器資源外，還具有 ADC，SCI、SPI等多種外設(shè)資源，設(shè)計中利用了其ADC和SCI模塊來進行模擬信號和串行數(shù)字信號的采集。對并行數(shù)據(jù)的采集則不通過DSP而直接與 主機進行數(shù)據(jù)交換。由于主機與外設(shè)速度不匹配，選用雙口RAM芯片IDT70V24作為數(shù)據(jù)緩存，它是一種高速度、低功耗的雙口RAM，存儲量為8k字 節(jié)。系統(tǒng)的邏輯控制采用CPLD芯片XC95108完成，它主要負責(zé)的功能是PCI局部總線仲裁和地址譯碼。三種采集模塊的實現(xiàn)如下：

　　(1) A/D采集模塊。對模擬信號的采樣使用了F2812自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC，該ADC具有16路模擬輸入通道，帶有兩路內(nèi)置S/H(抽樣保 持器)，轉(zhuǎn)換精度為12bit，最大轉(zhuǎn)換速率為12.5MSPS，支持范圍在0～3 V的數(shù)據(jù)輸入。16路輸入通道在ADC內(nèi)部共用1個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它們 被分位兩組，每組8路通道，使用排序器Sequencer來設(shè)定每路通道占用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的順序。設(shè)計中使用了其中8路通道 (ADCIN0～ADCIN7)。

　　(2) 串行數(shù)據(jù)采集模塊。F2812的SCI模塊具有兩路串行通信接口，可配置成65536種不同的波特率，具有奇偶校驗標志，可工作于半雙工或者全雙工模式，可設(shè)置成中斷或者查詢方式。另外，SCI還具有兩個增強性能：①發(fā)送、接收都具有獨立的FIFO，F(xiàn)IFO深度為16個字，觸發(fā)級可以配置為 16以內(nèi)的任何數(shù)。這種靈活的設(shè)置對實際使用非常方便，因為下位機采集的數(shù)據(jù)長度往往不是16的整數(shù)倍，根據(jù)其數(shù)據(jù)長度設(shè)定FIFO觸發(fā)級，可以使一幀數(shù) 據(jù)及時被傳輸和處理;②可以實現(xiàn)波特率自動檢測，這在未知通信終端波特率或者需要更換通信終端的情況下非常適用。下位機與監(jiān)控主機的通信采用RS-422 接口，傳輸距離遠，抗干擾能力強。RS-422傳輸使用的是差分電平，而SCI的輸入輸出管腳是TTL電平，需要進行電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計種選用了符合RS- 422標準的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3461。

　　(3) 并口通信模塊。對于圖像信號等數(shù)據(jù)傳輸量大的信號，需要使用并口通信的方式。本采集系統(tǒng)提供兩路并口，數(shù)據(jù)寬度為8位，地址寬度為8位，它們通過雙口RAM與主機進行數(shù)據(jù)交換。

3 Compact PCI接口設(shè)計

　　3.1 CPCI橋接芯片

　　目前，很多PCI協(xié)議芯片同時也支持熱交換，使得原有的基于PCI總線的硬件系統(tǒng)可以很容易地移植到CPCI構(gòu)架下，而不需要在硬件和軟件上做大的修改。本設(shè)計選用的是PLX公司推出的PCI9054，符合PCI 2.2規(guī)范和CPCI 2.1熱交換規(guī)范。

　　針對CPCI的熱交換規(guī)范，PCI9054提供了管腳ENUM#和LEDon/LEDin，ENUM#的激活表明板卡的插拔狀態(tài)即將發(fā)生改變，LEDon/LEDin管腳用于驅(qū)動外部LED，指示當(dāng)前系統(tǒng)軟件層連接和斷開的情況。PCI9054還提供了熱交換控制寄存器HS_CSR用來記錄 板卡插拔狀態(tài)并控制指示燈狀態(tài)。HS_CSR的定義表1所示。