基于可编程器件实现的PCI数据采集卡的研究

论文摘要

随着数字化时代的到来,数字技术得到越来越广泛的应用。数据采集作为实现数字化的前提,在整个数字系统中处于举足轻重的地位,其应用已经深入到数字化系统的各个领域。随着采集速度的不断提高,传统的数据总线已无法满足高速传输的要求,而PCI总线以其速度快、可靠性高、成本低、兼容性好等优点成为相关项目开发中的优先选择。本文通过对数据采集卡各功能模块工作原理进行研究,提出了一种基于可编程逻辑器件的PCI总线数据采集卡的设计方案。通过硬件描述语言在单片FPGA中实现PCI总线主模式接口逻辑、FIFO缓冲存储器和A/D的控制逻辑等功能模块的设计,并在QuartusⅡ中进行了项目的综合与仿真。在确定硬件设计方案之后,完成系统的硬件设计,包括器件选型、硬件原理图与PCB图的绘制,最后制作了PCB板。根据PCI总线数据采集卡对软件的要求,本文研究了在Windows环境下WDM设备驱动程序的原理与开发方法。利用WinDriver开发PCI设备的驱动程序,实现了数据采集卡的中断和DMA传输功能,并开发了控制台应用程序,经过测试系统设计正确,并且运行稳定。由于采用了硬件描述语言与FPGA技术,使数据采集卡不但在结构上产生了变化,而且丰富了它的功能。利用这种技术不仅可以将原来需要多个芯片才能实现的功能定制在单片FPGA中,而且只需通过更改设计程序就能够实现新功能,大大提高了系统的集成性和灵活性,使系统具有很大的升级空间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 本领域的研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 PCI 数据采集卡的实现基础
• 2.1 数据采集的基本理论
• 2.1.1 信号采样
• 2.1.2 量化
• 2.1.3 编码
• 2.2 PCI 总线概述
• 2.3 PCI 总线信号定义
• 2.3.1 PCI 总线信号类型
• 2.3.2 PCI 总线信号线定义
• 2.4 PCI 总线的操作
• 2.4.1 总线命令
• 2.4.2 PCI 总线数据传输
• 2.4.3 PCI 总线的仲裁方式
• 2.5 PCI 总线配置空间
• 2.6 小结
• 第3章 PCI 总线接口模块的 VHDL 设计及实现
• 3.1 PCI 总线接口的实现方案
• 3.2 现场可编程门阵列与硬件描述语言简介
• 3.2.1 FPGA 简介
• 3.2.2 硬件描述语言概要
• 3.2.3 QuartusⅡ集成开发环境综述
• 3.3 PCI 接口核逻辑设计
• 3.3.1 PCI 配置空间的设计实现
• 3.3.2 校验电路模块
• 3.3.3 retry 计数器模块
• 3.3.4 总线命令译码模块
• 3.3.5 仲裁器模块的设计
• 3.3.6 DMA 数据传输模块
• 3.3.7 PCI 控制器状态机设计
• 3.4 小结
• 第4章 数据采集卡的硬件设计
• 4.1 总体设计方案
• 4.2 A/D 转换模块
• 4.2.1 AD9240 功能简介
• 4.2.2 A/D 转换器的电路设计
• 4.3 FPGA 模块
• 4.3.1 FIFO 存储器单元
• 4.3.2 PCI 总线接口逻辑单元
• 4.3.3 EP1C6Q240C8 的外围电路
• 4.4 电平转换模块
• 4.5 电源模块
• 4.5.1 1.5V 和3.3V 电源的退耦单元
• 4.5.2 稳压电源单元
• 4.6 PCB 制板
• 4.7 元件的焊接
• 4.8 小结
• 第5章 WDM 驱动程序与应用程序的开发
• 5.1 WDM 驱动程序设计
• 5.1.1 设备驱动程序模型
• 5.1.2 驱动开发工具
• 5.1.3 使用WinDriver 开发PCI 板卡驱动程序
• 5.1.4 驱动程序的安装
• 5.2 应用程序的设计
• 5.3 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 设计总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录A 硬件原理图
• 附录B 数据采集卡的 PCB 图
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果