焊縫檢測系統中PCI總線高速數據采集卡設計

２．５ ＰＣＩ接口芯片

ＰＣＩ總線協議２．１版出現以后，集成芯片商們紛紛推出了與其兼容的總線接口芯片。其中，ＡＭＣＣ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｃｏｒｐｅｒａｔｉｏｎ）公司的Ｓ５９３３接口方便、控制靈活，軟件配置簡單，在高速網絡接口、數字通信、高速成像等領域有著廣泛應用。Ｓ５９３３S8593最突出的優點是能夠作為ＰＣＩ主控設備發起ＤＭＡ操作，即Ｓ５９３３完全具備雙字ＤＭＡ控制器的功能。

圖３是結合系統應用而繪制的Ｓ５９３３結構框圖。由圖３可知，Ｓ５９３３內部具有配置寄存器組和操作寄存器組，配置寄存器組用于控制Ｓ５９３３在ＰＣＩ總線系統中的運作方式（訪問延遲、能否發起主控ＤＭＡ操作等）以及記錄系統分配給Ｓ５９３３的資源信息（如中斷引腳、Ｉ／Ｏ等），而ＰＣＩ總線和外加電路之間的數據交換則通過操作寄存器組實現。以Ｉ／Ｏ資源為例，計算機上電后，系統將分配給Ｓ５９３３的Ｉ／Ｏ資源首地址填入基地址寄存器，此值決定了操作寄存器組在Ｉ／Ｏ空間中的映射位置（Ｓ５９３３的操作寄存器組缺省地映射到Ｉ／Ｏ地址空間，便于軟件操作），見圖３。之后，ＣＰＵ只需執行簡單的Ｉ／Ｏ操作就可以讀寫操作寄存器組，隱含的地址譯碼工作由Ｓ５９３３完成。外加電路控制邏輯則保證操作寄存器組與外加電路的正常通信。Ｓ５９３３提供了三種形式的外加電路接口，高速數據采集卡使用信箱（Ｍａｉｌｂｏｘ）寄存器實現雙字輸出，用ＦＩＦＯ方式實現高速ＤＭＡ寫操作。

３ 高速數據采集卡的軟件設計

３．１ 虛擬設備驅動程序的設計

系統的控制軟件工作在ＷＩＮＤＯＷＳ９８操作系統下，為此開發了高速數據采集卡的虛擬設備驅動程序（ＶＸＤ）。由Ｓ５９３３的結構可知，ＶＸＤ需要實現雙字Ｉ／Ｏ操作和物理內存管理。雙字Ｉ／Ｏ的操作相對簡單，調用虛擬機管理器（ＶＭＭ）的ＳＩＭＵＬＡＴＥ＿ＶＭ＿ＩＯ例程即可，較困難的是物理內存管理。由于Ｓ５９３３發起的ＤＭＡ操作需要物理內存的起始地址，因此必須涉及頁面級的物理內存操作，故采用下述內存管理策略：

應用程序加載ＶＸＤ；
加載成功后發送申請緩沖區的事件給ＶＸＤ；
ＶＸＤ使用ＰＡＧＥＡＬＬＯＣＡＴＥ例程得到地址連續的適當長度（如四頁即１６Ｋ字節）的物理內存；
鎖定緩沖區并將物理地址逆映射為線性地址；
將物理首地址填入Ｓ５９３３的寫ＲＡＭ地址寄存器；
允許Ｓ５９３３進行主控ＤＭＡ傳輸；
傳輸完畢時，應用程序請求ＶＸＤ釋放上述物理內存。
３．２ 應用ＶＸＤ設計數據采集程序

將ＶＸＤ放在應用程序的同級目錄下，則以下ＶＣ++代碼就能動態加載（ＶＸＤＶＩＥＷＥＲ可驗證）一個ＶＸＤ：

ＨＡＮＤＬＥ ｈＤＥＶＩＣＥ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ("＼＼＼＼．＼＼ｐａｔｈｎａｍｅ",０,０,ＮＵＬＬ,０,ＦＩＬＥ＿ＦＬＡＧ＿ＤＥＬＥＴＥ＿ＯＮ＿ＣＬＯＳＥ,ＮＵＬＬ)；
編好的ＶＸＤ為應用程序提供了若干服務例程，應用程序執行下面的代碼即可調用服務例程ＺＨＣ１：

ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ(ＨＤＥＶＩＣＥ,ＺＨＣ１,ｌｐｉｎｂｕｆｆｅｒ,ｎｉｎｓｉｚｅ,ｌｐｏｕｔｂｕｆｆｅｒ,ｎｏｕｔｓｉｚｅ,ＮＵＬＬ,ＮＵＬＬ)；

數據采集算法如下：
ＤＯ {讀取寫ＲＡＭ字節計數器；
再次讀取寫ＲＡＭ字節計數器；
ＩＦ 計數器內容為零 ＴＨＥＮ
跳出循環進行后續數據處理；
ＥＬＳＥＩＦ 兩次讀取的結果不同 ＴＨＥＮ
不做任何處理而進入下一次循環；
ＥＬＳＥ
清相應的狀態標志并設置有關寄存器以從斷點處續傳；
ＥＮＤＩＦ
 }

調試表明，應用ＶＸＤ的數據采集程序能夠穩定、高速地采集外部數據。對焊縫缺陷自動超聲檢測系統的實際測試表明，該高速數據采集卡能滿足缺陷回波的檢測要求。圖４(ａ)為實際測試時用示波器觀測到的模擬放大電路的輸出信號，圖４(ｂ)是Ａ／Ｄ轉換后、截掉始波并經半波整流后得到的信號。

高速數據采集卡具有體積小、可靠性高、控制邏輯更改方便、可擴展性強等優點。對于檢測厚度為１０～１００ｍｍ的鋼板，一次采集的數據最多為４ＫＢ，至多只需０．１３ｍｓ就可將數據從卡上ＦＩＦＯ經ＰＣＩ總線傳入內存。