一种基于Compact PCI总线的数据采集系统设计

引言

　　数据采集的实时性和可靠性是关系工业控制系统性 能的重要因素，数据采集系统的速率主要取决于A/D转换、通信接口和总线传输的速率。 TI公司推出的DSP芯片TMS320F2812具有很高的工作频率和丰富的外设资源，能够满足采集系统的实时性要求，同时又降低了系统设计的成本。Compact PCI总线作为PCI总线向工业控制领域的拓展，除了 具备高速的传输速率，还具备优良的机械特性和电气特性。本文研制了一种基于Compact PCI总线的数据采集系统，系统以DSP作为控制核心，可以进行模拟信号采集、并行接口和串行接口的数据信号的采样。

1 Compact PCI总线简介

　　Compact PCI总线与PCI标准完全兼容，但作为开放的工业计算机标准，Compact PCI总线与PCI总线有很多不同。主要体现在：

　　(1) Compact PCI总线具有热切换能力，可以使整个系统在不断电的情况下，更换损坏的插板，这对于有高可靠性要求的系统是至关重要的。

　　(2) Compact PCI总线采用欧式插卡(Eurocard)，具有更好的机械特性。欧式插卡的组装技术目前已经十分成熟，插卡垂向而平行的插入机箱，有利于通风散热;采用插入式电源模块，便于维修，适合于安装在标准化工业机架上。

　　(3) 使用高密度针孔总线连接器，完全气密，比台式机的PCI插槽具有更高的抗震性能和可靠性。

　　(4) Compact PCI底板可以容纳8块插卡，比原有的PCI规范增加了一倍，更能满足工业系统的需要。

2 采集系统硬件结构设计

　　在工业控制系统中，采集系统一方面需要把电机转速、电流环等模拟参数传送到监控主机，另一方面需要对下位机的各种参数和图像数据进行采集，同时监控主机还要对下位机发送各种控制信号。为了兼顾各种需要，设计中集合了模拟和数字两种采集方式，可以实现8路A/D采样，2路串行数据采集和2路并行数据采集，系统的结构框图如图1所示。

　　图1 采集系统结构框图

　　采集系统以数字信号处理芯片TMS320F2812作为控制核心，F2812最高工作频率可达150MHz，除了丰富的内部存储器资源外，还具有 ADC，SCI、SPI等多种外设资源，设计中利用了其ADC和SCI模块来进行模拟信号和串行数字信号的采集。对并行数据的采集则不通过DSP而直接与 主机进行数据交换。由于主机与外设速度不匹配，选用双口RAM芯片IDT70V24作为数据缓存，它是一种高速度、低功耗的双口RAM，存储量为8k字 节。系统的逻辑控制采用CPLD芯片XC95108完成，它主要负责的功能是PCI局部总线仲裁和地址译码。三种采集模块的实现如下：

　　(1) A/D采集模块。对模拟信号的采样使用了F2812自带的数模转换模块ADC，该ADC具有16路模拟输入通道，带有两路内置S/H(抽样保 持器)，转换精度为12bit，最大转换速率为12.5MSPS，支持范围在0～3 V的数据输入。16路输入通道在ADC内部共用1个模数转换器，它们 被分位两组，每组8路通道，使用排序器Sequencer来设定每路通道占用模数转换器的顺序。设计中使用了其中8路通道 (ADCIN0～ADCIN7)。

　　(2) 串行数据采集模块。F2812的SCI模块具有两路串行通信接口，可配置成65536种不同的波特率，具有奇偶校验标志，可工作于半双工或者全双工模式，可设置成中断或者查询方式。另外，SCI还具有两个增强性能：①发送、接收都具有独立的FIFO，FIFO深度为16个字，触发级可以配置为 16以内的任何数。这种灵活的设置对实际使用非常方便，因为下位机采集的数据长度往往不是16的整数倍，根据其数据长度设定FIFO触发级，可以使一帧数 据及时被传输和处理;②可以实现波特率自动检测，这在未知通信终端波特率或者需要更换通信终端的情况下非常适用。下位机与监控主机的通信采用RS-422 接口，传输距离远，抗干扰能力强。RS-422传输使用的是差分电平，而SCI的输入输出管脚是TTL电平，需要进行电平转换，设计种选用了符合RS- 422标准的电平转换芯片MAX3461。

　　(3) 并口通信模块。对于图像信号等数据传输量大的信号，需要使用并口通信的方式。本采集系统提供两路并口，数据宽度为8位，地址宽度为8位，它们通过双口RAM与主机进行数据交换。

3 Compact PCI接口设计

　　3.1 CPCI桥接芯片

　　目前，很多PCI协议芯片同时也支持热交换，使得原有的基于PCI总线的硬件系统可以很容易地移植到CPCI构架下，而不需要在硬件和软件上做大的修改。本设计选用的是PLX公司推出的PCI9054，符合PCI 2.2规范和CPCI 2.1热交换规范。

　　针对CPCI的热交换规范，PCI9054提供了管脚ENUM#和LEDon/LEDin，ENUM#的激活表明板卡的插拔状态即将发生改变，LEDon/LEDin管脚用于驱动外部LED，指示当前系统软件层连接和断开的情况。PCI9054还提供了热交换控制寄存器HS_CSR用来记录 板卡插拔状态并控制指示灯状态。HS_CSR的定义表1所示。[page]

　　当板卡插入时，HS_CSR[3]被置为1，点亮蓝灯，PCI9054置HS­­_CSR[7]为1，激活ENUM#信号引起中断，直到设备驱动程序被安装后，中断被清除，HS_CSR[3]被置为0，熄灭蓝灯。当板卡拔出时，HS_CSR[6]被置为1，激活ENUM#信号引起中断，主机卸载驱动程序后，HS_CSR[3]被置为1，点亮蓝灯，表明板卡可以安全地被拔出。

　　3.2 热插拔电源管理

　　CPCI规范中用于热插拔控制的信号主要有：BD_SEL#，HEALTHY和PCI_RST#。CPCI总线的接插件J1的插针分为长针、中长针和 短针。长针是电源和地信号，中长针是PCI总线信号，短针是BD_SEL#和IDSEL。当板卡插入时，电源信号最先接触，将PCI总线信号预充电至 1V，这是为了减小热插拔过程中对PCI总线信号的冲击，然后是PCI总线信连接，最后是BD_SEL#信号连接，BD_SEL#有效表示板卡已经插好， 可以上电工作。卡拔出过程正好相反。HEALTHY#是反映板卡电源状态是否良好的信号。PCI­_RST#是主机复位信号，它和HEALTHY#信号共 同作用，控制PCI局部总线的复位信号。

　　LTC1646是Linear公司针对CPCI接口推出的热插拔电源管理芯片。LTC1646需要外接两个N沟道晶体管作为开关控制3.3V和5V电 源对板卡的供电。LTC1646的OFF/ON#管脚与BD_SEL#相连，当BD_SEL#为低时，晶体管导通，3.3V和5V电源按一定速率上电。 PWRGD#与HEALTHY#连接，当板卡电源在容差范围内时，此信号为低。PCI_RST#与LTC1646的RESETIN#管脚相连，它与 HEALTHY信号进行或运算得到输出信号RESETOUT#，此信号与PCI9054的RST#管脚相连作为CPCI板卡的复位信号。LTC1646提 供一个输出管脚PRECHARGE，它与PCI9054的总线信号相连接，在板卡插入和拔出的过程中，对总线信号进行预充电。需要预充电的信号需要经过 10kΩ的电阻上拉至预充电电压(1V±10%)。

4 软件接口

　　由于工业现场外设种类多，采集到的信号特性各异，如果硬件系统内部程序固定为一种模式，必定不能达到最佳传输效果。而硬件板卡在交付使用后，再修改其内部程序便十分麻烦，所以本系统给应用程序开发人员提供了软件接口，使得对硬件配置的修改不需要通过仿真器，而可以直接在应用程序界面下修改。

　　对硬件工作参数的修改是通过中断方式实现的。自定义一个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。当应用程序通过 PCI总线向User_CSR写入数据时，CPLD通过译码逻辑向F2812的外部中断管脚XINT2发出中断信号，F2812响应中断后，读取 User_CSR的值，根据其命令字判断需要修改的是哪种参数，再根据其控制字得到新的参数值，将其写入相应的寄存器，即可完成修改。由于篇幅所限，仅以修改SCIA的设置为例，说明具体实现方法。User_CSR对SCIA修改的定义如下：

　　表2 User_CSR的部分定义

　　通过该接口可修改的硬件配置有SCI的波特率、收发FIFO的触发级别和各采集通道占用双口RAM空间的大小。

5 结束语

　　本设计以TMS320F2812作为数据采集系统的控制核心，满足了系统的实时性要求，又节省了外设资源，提高了系统的性价比。把 Compact PCI总线应用到采集系统中，使系统具有了带电插拔的能力，提高了整个系统的可靠性，更能适应工业工作环境的需要。本文的创新点是结合了 Compact PCI总线和DSP芯片的优势，大大提高了系统的可靠性和实时性，同时又给应用程序开发人员提供了良好的接口，方便了硬件工作参数的修改，提高了系统的灵活性。