摘 要：針對工業控制系統的要求，介紹了一種基于Compact PCI總線的數據采集系統，可以實現對模擬信號、串行數字信號和并行數字信號的采集。結合DSP芯片TSM320F2812和PCI接口芯片PCI9054的性能特點，詳細討論了采集系統的硬件結構和Compact PCI接口的實現。

關鍵詞：Compact PCI;數據采集;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

數據采集的實時性和可靠性是關系工業控制系統性能的重要因素，數據采集系統的速率主要取決于A/D轉換、通信接口和總線傳輸的速率。 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資源，能夠滿足采集系統的實時性要求，同時又降低了系統設計的成本。Compact PCI總線作為PCI總線向工業控制領域的拓展，除了具備高速的傳輸速率，還具備優良的機械特性和電氣特性。本文研制了一種基于Compact PCI總線的數據采集系統，系統以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據信號的采樣。

1 Compact PCI總線簡介

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

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

（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目前已經十分成熟，插卡垂向而平行的插入機箱，有利于通風散熱;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規范增加了一倍，更能滿足工業系統的需要。

2 采集系統硬件結構設計

在工業控制系統中，采集系統一方面需要把電機轉速、電流環等模擬參數傳送到監控主機，另一方面需要對下位機的各種參數和圖像數據進行采集，同時監控主機還要對下位機發送各種控制信號。為了兼顧各種需要，設計中集合了模擬和數字兩種采集方式，可以實現8路A/D采樣，2路串行數據采集和2路并行數據采集，系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 采集系統結構框圖

采集系統以數字信號處理芯片TMS320F2812作為控制核心，F2812最高工作頻率可達150MHz，除了豐富的內部存儲器資源外，還具有ADC，SCI、SPI等多種外設資源，設計中利用了其ADC和SCI模塊來進行模擬信號和串行數字信號的采集。對并行數據的采集則不通過DSP而直接與主機進行數據交換。由于主機與外設速度不匹配，選用雙口RAM芯片IDT70V24作為數據緩存，它是一種高速度、低功耗的雙口RAM，存儲量為8k字節。系統的邏輯控制采用CPLD芯片XC95108完成，它主要負責的功能是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自帶的數模轉換模塊ADC，該ADC具有16路模擬輸入通道，帶有兩路內置S/H（抽樣保持器），轉換精度為12bit，最大轉換速率為12.5MSPS，支持范圍在0～3 V的數據輸入。16路輸入通道在ADC內部共用1個模數轉換器，它們被分位兩組，每組8路通道，使用排序器Sequencer來設定每路通道占用模數轉換器的順序。設計中使用了其中8路通道（ADCIN0～ADCIN7）。

（2） 串行數據采集模塊。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，可設置成中斷或者查詢方式。另外，SCI還具有兩個增強性能：①發送、接收都具有獨立的FIFO，FIFO深度為16個字，觸發級可以配置為16以內的任何數。這種靈活的設置對實際使用非常方便，因為下位機采集的數據長度往往不是16的整數倍，根據其數據長度設定FIFO觸發級，可以使一幀數據及時被傳輸和處理;②可以實現波特率自動檢測，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，需要進行電平轉換，設計種選用了符合RS-422標準的電平轉換芯片MAX3461。

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

3 Compact PCI接口設計

3.1 CPCI橋接芯片

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

針對CPCI的熱交換規范，PCI9054提供了管腳ENUM#和LEDon/LEDin，ENUM#的激活表明板卡的插拔狀態即將發生改變，LEDon/LEDin管腳用于驅動外部LED，指示當前系統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并控制指示燈狀態。HS_CSR的定義表1所示。 　　表1 熱交換控制狀態寄存器HS_CSR

當板卡插入時，HS_CSR[3]被置為1，點亮藍燈，PCI9054置HS­­_CSR[7]為1，激活ENUM#信號引起中斷，直到設備驅動程序被安裝后，中斷被清除，HS_CSR[3]被置為0，熄滅藍燈。當板卡拔出時，HS_CSR[6]被置為1，激活ENUM#信號引起中斷，主機卸載驅動程序后，HS_CSR[3]被置為1，點亮藍燈，表明板卡可以安全地被拔出。

3.2 熱插拔電源管理

CPCI規范中用于熱插拔控制的信號主要有：BD_SEL#，HEALTHY和PCI_RST#。CPCI總線的接插件J1的插針分為長針、中長針和短針。長針是電源和地信號，中長針是PCI總線信號，短針是BD_SEL#和IDSEL。當板卡插入時，電源信號最先接觸，將PCI總線信號預充電至1V，這是為了減小熱插拔過程中對PCI總線信號的沖擊，然后是PCI總線信連接，最后是BD_SEL#信號連接，BD_SEL#有效表示板卡已經插好，可以上電工作。卡拔出過程正好相反。HEALTHY#是反映板卡電源狀態是否良好的信號。PCI­_RST#是主機復位信號，它和HEALTHY#信號共同作用，控制PCI局部總線的復位信號。

LTC1646是Linear公司針對CPCI接口推出的熱插拔電源管理芯片。LTC1646需要外接兩個N溝道晶體管作為開關控制3.3V和5V電源對板卡的供電。LTC1646的OFF/ON#管腳與BD_SEL#相連，當BD_SEL#為低時，晶體管導通，3.3V和5V電源按一定速率上電。PWRGD#與HEALTHY#連接，當板卡電源在容差范圍內時，此信號為低。PCI_RST#與LTC1646的RESETIN#管腳相連，它與HEALTHY信號進行或運算得到輸出信號RESETOUT#，此信號與PCI9054的RST#管腳相連作為CPCI板卡的復位信號。LTC1646提供一個輸出管腳PRECHARGE，它與PCI9054的總線信號相連接，在板卡插入和拔出的過程中，對總線信號進行預充電。需要預充電的信號需要經過10kΩ的電阻上拉至預充電電壓（1V±10%）。

4 軟件接口

由于工業現場外設種類多，采集到的信號特性各異，如果硬件系統內部程序固定為一種模式，必定不能達到最佳傳輸效果。而硬件板卡在交付使用后，再修改其內部程序便十分麻煩，所以本系統給應用程序開發人員提供了軟件接口，使得對硬件配置的修改不需要通過仿真器，而可以直接在應用程序界面下修改。

對硬件工作參數的修改是通過中斷方式實現的。自定義一個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。當應用程序通過PCI總線向User_CSR寫入數據時，CPLD通過譯碼邏輯向F2812的外部中斷管腳XINT2發出中斷信號，F2812響應中斷后，讀取User_CSR的值，根據其命令字判斷需要修改的是哪種參數，再根據其控制字得到新的參數值，將其寫入相應的寄存器，即可完成修改。由于篇幅所限，僅以修改SCIA的設置為例，說明具體實現方法。User_CSR對SCIA修改的定義如下：

表2 User_CSR的部分定義

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

5 結束語

本設計以TMS320F2812作為數據采集系統的控制核心，滿足了系統的實時性要求，又節省了外設資源，提高了系統的性價比。把Compact PCI總線應用到采集系統中，使系統具有了帶電插拔的能力，提高了整個系統的可靠性，更能適應工業工作環境的需要。本文的創新點是結合了Compact PCI總線和DSP芯片的優勢，大大提高了系統的可靠性和實時性，同時又給應用程序開發人員提供了良好的接口，方便了硬件工作參數的修改，提高了系統的靈活性。

參考文獻：

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[5]劉英，羅家融，孟月東，一種基于Compact PCI總線監控系統的設計，微計算機信息，2004年，第1期