基于PCI總線和DSP技術的虛擬儀器系統設計

傳統的虛擬儀器由一塊基于PCI總線的直接利用A/D和D/A芯片構成的數據采集板卡和相應的軟件組成，但隨著計算機網絡技術的迅速發展，越來越多的數據需要由計算機處理、存儲和傳輸，由于通用計算機本身的特點，它們通常不適于進行實時性要求很高的數字信號處理，因此這種虛擬儀器不能滿足現實應用對數據實時處理能力、數據傳輸能力以及數據管理能力所提出的越來越高的要求。
與此同時，隨著數字信號處理器（DSP）性價比的不斷提高，其應用領域飛速擴展，從而使基于PCI總線和DSP技術的新型虛擬儀器應運而生。
系統的基本框架
筆者設計的基于PCI總線和DSP技術的虛擬儀器的基本框架如圖1所示。
整個系統是基于模塊化的設計理念來實現的，該系統的開發主要有以下幾步：1）設計一塊基于PCI總線的母板，該板上有自己定義的總線接插件，以及整個系統的邏輯控制單元和數據緩沖存儲芯片；2）設計數據采集模塊和數據輸出模塊；3）開發PCI母板的Windows驅動程序，使PC能正常識別該板卡并分配所需系統資源；4）開發系統下位機DSP數據采集模塊的程序，實現對模擬信號的采集以及數據的FFT算法處理；5）開發系統上位機PC的控制軟件，實現數據波形顯示、端口配置、內存讀寫以及對儀器的控制功能。

圖1 虛擬儀器系統的基本框架

系統的硬件設計
由圖1可見，本虛擬儀器系統首先要有一塊基于PCI總線的母板，該板上有自定義的總線接插件，可以插接其他基于該總線的數據采集DSP子板，此外，該板上還有整個系統的邏輯控制單元以及數據緩沖存儲芯片；其他各個功能模塊都基于該擴展板來實現；各個模塊之間數據的存儲和傳輸可以通過雙端口RAM來實現，我們選用Cypress公司8K×16b高速雙口RAM芯片CY7C025V，因為它的時序與DSP時序相配，特別適用于DSP與PC之間大量數據的高速雙向傳送。

1 PCI接口的實現
在PCI總線適配卡的設計中，采用專用的PCI接口芯片來實現PCI接口，設計者不需要將精力投入到復雜的PCI接口功能設計和驗證測試上。專用的接口芯片可以實現完整的PCI主控模塊和目標接口功能，將復雜的PCI接口轉換為簡單的接口。在本設計中選用PLX公司通用接口芯片PCI9052，它包含讀和寫FIFO，以便將32bit、33MHz的PCI總線與總線寬度有可能比它窄或總線速度有可能比它慢的局部總線進行匹配。PCI9052有最大5個局部地址空間和4個片選支持，圖2為PCI9052的信號接口模塊圖。

圖2 PCI9052信號接口

PCI分配資源的數據來源是通過外擴的EEPROM來實現的，根據PCI9052接口芯片的要求，選用Microchip公司支持三線串行接口的EEPROM。在電源上電期間，PCI的RST#信號復位PCI9052內部寄存器。而PCI9052也輸出局部復位信號（LRESET#）并檢查是否存在外部EEPROM，如果存在并且第一個16位字不是FFFFH，則PCI9052加載EEPROM中的數據到PCI9052的內部寄存器中；否則默認值被使用。PCI9052配置寄存器僅能由EEPROM或PCI主機處理器寫。在EEPROM初始化期間，PCI9052用RETRY信號來響應PCI目標訪問。圖3給出了本設計中EEPROM(93CS46)和PCI9052的連接電路圖。

圖3 EEPROM和PCI9052的連接電路圖

EEPROM中配置的主要信息包括：設備識別號、供應商代號、四個局部總線空間的大小以及空間的基地址等。可以事先通過編程器將配置信息寫入配置EEPROM中，也可在系統啟動后用PLXMon對EEPROM進行操作。