摘 要：針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，介紹了一種基于Compact PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)、串行數(shù)字信號(hào)和并行數(shù)字信號(hào)的采集。結(jié)合DSP芯片TSM320F2812和PCI接口芯片PCI9054的性能特點(diǎn)，詳細(xì)討論了采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和Compact PCI接口的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Compact PCI;數(shù)據(jù)采集;DSP

Abstract: In the view of requirements of Industrial Control System, this paper introduces a Compact PCI interface based data acquisition system, which provides acquisition channels for analog signals, serial and parallel digital signals. According to the functions and traits of Digital Signal Processor TMS320F2812 and PCI bus controller PCI9054, the hardware architecture and the realizing method of the Compact PCI interface is described in detail.

Key Words: Compact PCI; data acquisition; DSP

引言

數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求，同時(shí)又降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行模擬信號(hào)采集、并行接口和串行接口的數(shù)據(jù)信號(hào)的采樣。

1 Compact PCI總線簡(jiǎn)介

Compact PCI總線與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，但作為開(kāi)放的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)系統(tǒng)在不斷電的情況下，更換損壞的插板，這對(duì)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(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)機(jī)架上。

（3） 使用高密度針孔總線連接器，完全氣密，比臺(tái)式機(jī)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(jì)

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)一方面需要把電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流環(huán)等模擬參數(shù)傳送到監(jiān)控主機(jī)，另一方面需要對(duì)下位機(jī)的各種參數(shù)和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)監(jiān)控主機(jī)還要對(duì)下位機(jī)發(fā)送各種控制信號(hào)。為了兼顧各種需要，設(shè)計(jì)中集合了模擬和數(shù)字兩種采集方式，可以實(shí)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(hào)處理芯片TMS320F2812作為控制核心，F(xiàn)2812最高工作頻率可達(dá)150MHz，除了豐富的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源外，還具有ADC，SCI、SPI等多種外設(shè)資源，設(shè)計(jì)中利用了其ADC和SCI模塊來(lái)進(jìn)行模擬信號(hào)和串行數(shù)字信號(hào)的采集。對(duì)并行數(shù)據(jù)的采集則不通過(guò)DSP而直接與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于主機(jī)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(chǔ)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(fù)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(shí)現(xiàn)如下：

（1） A/D采集模塊。對(duì)模擬信號(hào)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(gè)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(lái)設(shè)定每路通道占用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的順序。設(shè)計(jì)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(yàn)標(biāo)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(gè)增強(qiáng)性能：①發(fā)送、接收都具有獨(dú)立的FIFO，F(xiàn)IFO深度為16個(gè)字，觸發(fā)級(jí)可以配置為16以內(nèi)的任何數(shù)。這種靈活的設(shè)置對(duì)實(shí)際使用非常方便，因?yàn)橄挛粰C(jī)采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度往往不是16的整數(shù)倍，根據(jù)其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)定FIFO觸發(fā)級(jí)，可以使一幀數(shù)據(jù)及時(shí)被傳輸和處理;②可以實(shí)現(xiàn)波特率自動(dòng)檢測(cè)，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(jī)與監(jiān)控主機(jī)的通信采用RS-422接口，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)種選用了符合RS-422標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3461。

（3） 并口通信模塊。對(duì)于圖像信號(hào)等數(shù)據(jù)傳輸量大的信號(hào)，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(guò)雙口RAM與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 Compact PCI接口設(shè)計(jì)

3.1 CPCI橋接芯片

目前，很多PCI協(xié)議芯片同時(shí)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(jì)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(duì)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(dòng)外部LED，指示當(dāng)前系統(tǒng)軟件層連接和斷開(kāi)的情況。PCI9054還提供了熱交換控制寄存器HS_CSR用來(lái)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。 　　表1 熱交換控制狀態(tài)寄存器HS_CSR

當(dāng)板卡插入時(shí)，HS_CSR[3]被置為1，點(diǎn)亮藍(lán)燈，PCI9054置HS­­_CSR[7]為1，激活ENUM#信號(hào)引起中斷，直到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被安裝后，中斷被清除，HS_CSR[3]被置為0，熄滅藍(lán)燈。當(dāng)板卡拔出時(shí)，HS_CSR[6]被置為1，激活ENUM#信號(hào)引起中斷，主機(jī)卸載驅(qū)動(dòng)程序后，HS_CSR[3]被置為1，點(diǎn)亮藍(lán)燈，表明板卡可以安全地被拔出。

3.2 熱插拔電源管理

CPCI規(guī)范中用于熱插拔控制的信號(hào)主要有：BD_SEL#，HEALTHY和PCI_RST#。CPCI總線的接插件J1的插針?lè)譃殚L(zhǎng)針、中長(zhǎng)針和短針。長(zhǎng)針是電源和地信號(hào)，中長(zhǎng)針是PCI總線信號(hào)，短針是BD_SEL#和IDSEL。當(dāng)板卡插入時(shí)，電源信號(hào)最先接觸，將PCI總線信號(hào)預(yù)充電至1V，這是為了減小熱插拔過(guò)程中對(duì)PCI總線信號(hào)的沖擊，然后是PCI總線信連接，最后是BD_SEL#信號(hào)連接，BD_SEL#有效表示板卡已經(jīng)插好，可以上電工作?？ò纬鲞^(guò)程正好相反。HEALTHY#是反映板卡電源狀態(tài)是否良好的信號(hào)。PCI­_RST#是主機(jī)復(fù)位信號(hào)，它和HEALTHY#信號(hào)共同作用，控制PCI局部總線的復(fù)位信號(hào)。

LTC1646是Linear公司針對(duì)CPCI接口推出的熱插拔電源管理芯片。LTC1646需要外接兩個(gè)N溝道晶體管作為開(kāi)關(guān)控制3.3V和5V電源對(duì)板卡的供電。LTC1646的OFF/ON#管腳與BD_SEL#相連，當(dāng)BD_SEL#為低時(shí)，晶體管導(dǎo)通，3.3V和5V電源按一定速率上電。PWRGD#與HEALTHY#連接，當(dāng)板卡電源在容差范圍內(nèi)時(shí)，此信號(hào)為低。PCI_RST#與LTC1646的RESETIN#管腳相連，它與HEALTHY信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算得到輸出信號(hào)RESETOUT#，此信號(hào)與PCI9054的RST#管腳相連作為CPCI板卡的復(fù)位信號(hào)。LTC1646提供一個(gè)輸出管腳PRECHARGE，它與PCI9054的總線信號(hào)相連接，在板卡插入和拔出的過(guò)程中，對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行預(yù)充電。需要預(yù)充電的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)10kΩ的電阻上拉至預(yù)充電電壓（1V±10%）。

4 軟件接口

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)外設(shè)種類多，采集到的信號(hào)特性各異，如果硬件系統(tǒng)內(nèi)部程序固定為一種模式，必定不能達(dá)到最佳傳輸效果。而硬件板卡在交付使用后，再修改其內(nèi)部程序便十分麻煩，所以本系統(tǒng)給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供了軟件接口，使得對(duì)硬件配置的修改不需要通過(guò)仿真器，而可以直接在應(yīng)用程序界面下修改。

對(duì)硬件工作參數(shù)的修改是通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)的。自定義一個(gè)16位控制寄存器User_CSR，其高4位用作命令字，低12位用作控制字。當(dāng)應(yīng)用程序通過(guò)PCI總線向User_CSR寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，CPLD通過(guò)譯碼邏輯向F2812的外部中斷管腳XINT2發(fā)出中斷信號(hào)，F(xiàn)2812響應(yīng)中斷后，讀取User_CSR的值，根據(jù)其命令字判斷需要修改的是哪種參數(shù)，再根據(jù)其控制字得到新的參數(shù)值，將其寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器，即可完成修改。由于篇幅所限，僅以修改SCIA的設(shè)置為例，說(shuō)明具體實(shí)現(xiàn)方法。User_CSR對(duì)SCIA修改的定義如下：

表2 User_CSR的部分定義

通過(guò)該接口可修改的硬件配置有SCI的波特率、收發(fā)FIFO的觸發(fā)級(jí)別和各采集通道占用雙口RAM空間的大小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以TMS320F2812作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，又節(jié)省了外設(shè)資源，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。把Compact PCI總線應(yīng)用到采集系統(tǒng)中，使系統(tǒng)具有了帶電插拔的能力，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，更能適應(yīng)工業(yè)工作環(huán)境的需要。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是結(jié)合了Compact PCI總線和DSP芯片的優(yōu)勢(shì)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)又給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供了良好的接口，方便了硬件工作參數(shù)的修改，提高了系統(tǒng)的靈活性。

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