基于PCI总线的数据采集卡设计

0 引言
    随着计算机软硬件技术和控制、测量技术的不断发展，许多工程技术人员都将PC机作为控制、测量开发的首选平台。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外围部件互连)总线作为一种高性能、通用的局部总线，是目前计算机插卡式外设总线的事实标准。PCI总线具有32／64位总线宽度。地址线和数据线复用，支持猝发传输，传输速率高达132MB／s；系统占用率低，具有较好的兼容性；有完备的即插即用(PnP)管理体制，可同时支持多组外围设备。虽然PCI总线也经历了从PCI、PCI-X到PCI Express的发展，但PCI总线由于存在时间长，开发工具、开发资料众多，在对数据吞吐量要求不是很高的工业控制、测量领域仍有着顽强的生命力。笔者在学习了相关设计资料的基础上，设计了基于PCI总线的数据采集卡，可以完成8路数字量I／O及4路差分14位A／D采集功能。本文将根据笔者的实际经验，介绍PCI接口扩展卡的软硬件设计流程。

1 PCI总线工作方式简介
    PCI总线标准由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI规范的发展。PCI总线是一种时分复用的双向应答总线，传输发起方称为主设备，接收方称为从设备。其主要信号定义如下：
    RFAME：由主设备驱动，为低，指示一次传输的开始。
    DEVSEL：由从设备驱动，为低，指示响应传输请求。
    ADO～AD31：地址、数据复用信号。PCI总线的数据传输以帧为单位，每次传输由一个地址周期和多个数据周期组成。首先给出本次传输的首地址，后面紧跟一个或多个4字节宽的数据，连续传输多个数据时，其地址自动递增。
    C／BE0～C／BE3：这4根线在地址传送周期，传输的是总线命令，C／BE0～C／BE3的不同组合指示在AD0～AD31上将要进行何种类型的操作，其代表的总线命令见表1；在数据传送周期，传输的是字节始能信号，用来表示在整个数据期间，AD31～AD0上的哪些字节为有效数据。
    IRDY、TRDY：分别表示主设备准备好和从设备准备好。在传输过程中，只有IRDY和TRDY同时有效，传输才能继续；否则插入等待周期，用于在不同速度的设备之间协调工作。
    表1地址传送周期时。C／BE0～C／BE3所代表的总线命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板对电源的请求信息，具体含义见表2。

    将PCI接口卡插入计算机插座，加电后，BIOS会根据PCI接口卡上的配置信息，为其分配相应的I／O端口、存储器空间、中断及DMA等计算机资源。

2 PCI接口卡的硬件设计
    笔者设计的PCI数据采集卡使用的PCI接口芯片是CH365，CH365可将32位高速PCI总线转换为简便易用的类似于ISA总线的8位主动并行接口，支持240字节的I／O端口映射、32 K字节的存储器映射、扩展ROM以及中断。本数据采集卡仅使用了I／O端口映射及中断功能。本PCI数据采集卡使用MAXIM公司的4通道14位、差分、同时采样ADC：MAX1338，实现A／D转换功能，并将MAX1338的／EOLC引脚与CH365的INT_REQ引脚相连，以便在ADC转换完成后，向PC机发出中断申请。使用两片74HC273作为输出，一片用作8路I／O输出，另一片用作对MAX1338控制命令的输出。使用两片74HC373作为输入，一片用作8路I／O输入，另一片采集MAX1338的状态指示信号。使用TLP521-4对8路I／O输入、输出进行光电隔离。使用74LS138作为地址译码。
    在制作印制板时，CH365的VCC与GND间应就近放置容量为0．1 μF高频、低ESR的多层瓷片电容，连接PCI总线的电源线引脚可以自由选择，但数量不宜少于4对。CH365属于高频数字电路，应该考虑信号阻抗匹配，在设计PCB板时需要参考PCI总线规范。建议CH365的PCI信号线的长度都小于35 mm，尽量走弧线或者45度线，避免直角或者锐角走线，并且尽量将信号走线布在元件面；CH365的PCI时钟线CLK的长度尽量保持在50 mm～65 mm之间，并且不宜靠近其它信号线；在PCB背面保留大面积的接地覆铜，以减少周边信号线的干扰。虽然PCI总线规范推荐使用四层板，但考虑成本等因素，可使用双面板，双面覆铜接地。笔者做的PCI数据采集卡即为双面板，经实验验证在工业现场环境下，该卡能够稳定工作。

3 PCI接口卡驱动程序及软件设计
    在Windows系统中，为避免因不当的硬件操作而导致系统崩溃，应用程序不再具有直接的硬件访问权，如果要操作硬件，必须借助设备驱动程序。驱动程序主要功能是完成对硬件板卡的内存映像地址、I／O地址的存取，并正确处理来自板卡的硬件中断。
    Microsoft为设备驱动程序的编写提供了“Windows De-vice Drivers Kit”(简称DDK)工具，它包含了驱动开发所需的各种类型的定义和内核函数库。用DDK编制的驱动程序有很高的运行效率，但是开发难度大，测试流程繁琐。为减轻驱动开发者的负担，很多第三方厂商提供了简化驱动开发的软件。如Numega公司的DriverStudio软件，J ungo公司的WinDriver／KernelDriver软件等。尤其是WinDriver／KernelDriver不要求开发者非常熟悉操作系统平台，掌握核心开发、调试知识，即可在几分钟之内开发出相应的驱动程序。但WinDriver的运行效率较低，因此，在对运行效率较高的场合，可使用KernelDriver进行开发，以提高运行效率。
    由于本采集卡的数据吞吐量不高，因此采用WinDri-ver6．21进行驱动程序的开发，其开发过程如下：
    (1)运行Windriver程序，选择"Create a new driver pro-ject”；
    (2)在弹出的“Select Your　Device”窗口中，从列表中选择自己的硬件设备。由于CH365的默认厂商标识(Vendor－ID)为4348H，设备标识(DeviceID)为5049H，因此选中“PCI：VendorID 4348　DeviceID5049”的PCI设备(如图1)。

    (3)单击“Generate．INF file”按钮，产生采集卡的驱动安装信息文件。注意：需选中“Automatically Install the　INFfile”复选框，以便可以在(4)步中测试采集卡(如图2)。

    (4)在“Define and Test Resources for Your Device”窗口中，设置采集卡的I／O地址及变量名，对于即插即用(Plug－and－play)设备，Windriver会自动发现其所用到的硬件资源(如：I／O范围，存储器范围及中断号等)(如图3)。在此可对采集卡的I／O地址进行读写测试，以便验证硬件设计是否正确。

    (5)在“Select　Code Generation Options”窗口中，选中合适的开发语言及开发平台。在此选择“Ms Developer　Studic6，5”(即Microsoft VisualC++6／5)，以便Windriver生成合适的驱动程序框架及相应的API函数(如图4)。

    (6)保存Windriver产生的驱动开发工程后，Windriver会自动打开相应的开发环境(此处为：Microsoft VisualC++6)，以便开发人员进行后续开发。
    通过以上步骤，Windriver生成一个基于Visual C++语言的程序框架，开发人员可以在此框架的基础上进行修改，加入自己的程序，实现对硬件的操作。现以笔者编制的程序(工程文件名为ADC)为例进行介绍。
    在程序初始化阶段，先调用PCI_Get_WD_handle()，判断驱动程序windrvr6．sys是否已被加载，如果驱动程序已被加载，则调用ADC_LocateAndOpenBoard()函数，打开数据采集卡。在退出应用程序前，需先调用ADC_Close()函数，关闭数据采集卡。
    对MAX1338和8路I／O的寄存器操作可通过ADC_ReadByte()、ADC_WriteByte()两个函数完成。对CH365内部配置寄存器的读写可通过ADC_Read-PCIReg()、ADC_WritePCIReg()两个函数完成。完成应用程序的开发后，数据采集卡在其他的PC机上工作时，需提供windrvr6．sys、windrvr6．inf、wd_utils．dll、数据采集卡的，inf文件以及自己开发的应用程序或DLL。以便于PC机安装相应的驱动程序，对板卡进行配置、操作。本文根据笔者的实践经验，简要介绍了PCI扩展卡的开发流程，给出了一套快速可行的解决方案。该方案简单易行、调试方便，可使工程技术人员迅速掌握PCI总线的开发技术，从而设计出符合工程需求的PCI扩展卡。