基于PCI总线数据采集系统的研究与设计

论文摘要

随着计算机和数据通信技术的发展,数据采集技术已经在各个领域中得到广泛的应用。在数据采集和信号控制系统中,良好的数据采集功能以及快速的数据传输处理控制功能无疑成为数据采集系统的主要关注点。在很多现场环境中,保证数据高效快速的传输成为非常重要的因素,特别是在自然环境复杂的海洋工程中,实时性能成为研究的主要课题。目前国内使用的数据采集卡的总线数据传输速率和实时性等方面性能都很难让人满意。因此,研制一款高速高效的数据采集卡成为了当今主要研究方向。本文以大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的造波机为应用背景,设计开发一款基于PCI总线的数据采集卡,通过与本地端控制器FPGA配合,实现数据采集。本文首先提出了一款基于PCI总线数据采集卡的设计方案,对设计方案进行详细分析和可行性验证。然后根据设计方案对数据采集卡各部分模块进行器件选型并完成系统硬件电路设计,采用两片16路多路开关配合差分输入放大器芯片实现可偏移的单端32路和可偏移的差分16路输入方式电路设计。利用Verilog HDL语言实现程序代码的编写工作,完成FPGA内部逻辑控制模块程序编写。根据数据采集系统功能要求,利用Windriver完成数据采集卡的PCI总线驱动程序开发,主要实现实时读取方式、中断方式以及DMA方式三种数据传输工作模式。最后完成数据采集系统整体功能调试工作,利用SignalTap对FPGA内部硬件逻辑功能设计模块进行调试,观测各模块时序图并给出仿真结果同时利用PCI总线驱动程序测试三种工作方式下系统总线数据传输速率。实验结果证明基于PCI总线数据采集卡研制成功,系统工作正常并且具有非常高的数据传输速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 数据采集系统的发展及国内外研究现状
• 1.3 本论文主要的研究内容
• 2 基于PCI总线数据采集卡的总体设计架构
• 2.1 系统组成及工作原理
• 2.2 基于PCI总线数据采集卡的实现方案
• 2.3 数据传输接口方案选择
• 3 硬件构成与电路设计
• 3.1 数据采集卡输入接口芯片选型及电路设计
• 3.1.1 多路开关器件选型及电路设计
• 3.1.2 信号输入部分放大器器件选型及电路设计
• 3.1.3 A/D器件选型及电路设计
• 3.2 数据采集卡输出接口芯片选型及电路设计
• 3.2.1 电压输出电路设计
• 3.2.2 电流输出电路设计
• 3.3 PCI总线
• 3.3.1 PCI总线简介
• 3.3.2 PCI总线信号
• 3.3.3 PCI总线信号类型说明
• 3.4 PCI总线设备选型
• 3.5 PCI9054电路设计
• 3.5.1 PCI9054接口电路设计
• 3.5.2 PCI9054外围配置电路设计
• 3.5.3 PCI9054与FPGA接口电路设计
• 3.6 FPGA器件选型及电路设计
• 3.6.1 FPGA配置接口电路设计
• 3.6.2 FPGA系统时钟及PLL电路设计
• 3.6.3 FPGA与多路开关ADG1206接口电路设计
• 3.6.4 FPGA与可编程放大器接口电路设计
• 3.6.5 FPGA与AD7276接口电路设计
• 3.6.6 FPGA与DAC7625接口电路设计
• 3.7 外部扩展存储器选型及电路设计
• 3.8 I/O输入输出电路设计
• 3.9 系统电源设计
• 4 基于PCI总线数据采集卡的软件程序实现
• 4.1 FPGA逻辑控制设计
• 4.1.1 FPGA全局系统时钟
• 4.1.2 PCI9054本地总线逻辑控制
• 4.1.3 信号输入通路上A/D多路开关和放大器的逻辑控制
• 4.1.4 信号输出D/A的逻辑控制
• 4.1.5 SDRAM控制器的逻辑控制
• 4.2 PCI总线驱动模型及驱动程序设计工具简介
• 4.2.1 WDM简介
• 4.2.2 驱动程序开发工具选择
• 4.2.3 Windriver简介
• 4.3 PCI9054驱动程序实现
• 4.3.1 PCI9054设备驱动安装
• 4.3.2 PCI9054设备资源及寄存器配置
• 4.3.3 PCI9054驱动程序实现
• 5 PCI总线数据采集卡系统调试及测试结果
• 5.1 FPGA内部逻辑时序测试
• 5.1.1 本地总线仲裁时序测试
• 5.1.2 本地总线读写时序测试
• 5.1.3 数据采集模块时序测试
• 5.1.4 SDRAM控制器时序测试
• 3.1.5 DMA方式下总线传输时序测试
• 5.2 PCI总线性能测试
• 5.3 基于PCI总线数据采集卡整体性能测试
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢