基于PCI總線和DSP技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)設計方案分析

傳統(tǒng)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(gòu)成的數(shù)據(jù)采集板卡和相應的軟件組成，但隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)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(shù)字信號處理，因此這種虛擬儀器不能滿足現(xiàn)實應用對數(shù)據(jù)實時處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力以及數(shù)據(jù)管理能力所提出的越來越高的要求。
　　與此同時，隨著數(shù)字信號處理器（DSP）性價比的不斷提高，其應用領(lǐng)域飛速擴展，從而使基于PCI總線和DSP技術(shù)的新型虛擬儀器應運而生。
　　系統(tǒng)的基本框架
　　筆者設計的基于PCI總線和DSP技術(shù)的虛擬儀器的基本框架如圖1所示。
　　整個系統(tǒng)是基于模塊化的設計理念來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)的開發(fā)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(tǒng)的邏輯控制單元和數(shù)據(jù)緩沖存儲芯片；2）設計數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊；3）開發(fā)PCI母板的Windows驅(qū)動程序，使PC能正常識別該板卡并分配所需系統(tǒng)資源；4）開發(fā)系統(tǒng)下位機DSP數(shù)據(jù)采集模塊的程序，實現(xiàn)對模擬信號的采集以及數(shù)據(jù)的FFT算法處理；5）開發(fā)系統(tǒng)上位機PC的控制軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)波形顯示、端口配置、內(nèi)存讀寫以及對儀器的控制功能。
　　
　　圖1 虛擬儀器系統(tǒng)的基本框架
　　系統(tǒng)的硬件設計
　　由圖1可見，本虛擬儀器系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集DSP子板，此外，該板上還有整個系統(tǒng)的邏輯控制單元以及數(shù)據(jù)緩沖存儲芯片；其他各個功能模塊都基于該擴展板來實現(xiàn)；各個模塊之間數(shù)據(jù)的存儲和傳輸可以通過雙端口RAM來實現(xiàn)，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(shù)據(jù)的高速雙向傳送。
　　1 PCI接口的實現(xiàn)
　　在PCI總線適配卡的設計中，采用專用的PCI接口芯片來實現(xiàn)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(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標接口功能，將復雜的PCI接口轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)來源是通過外擴的EEPROM來實現(xiàn)的，根據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)到PCI9052的內(nèi)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。