基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发

论文摘要

随着信息技术和电子技术的进步和日益成熟,计算机数据采集技术得到了广泛应用。由于ISA数据采集卡的固有缺陷,PCI接口的数据采集卡将逐渐取代ISA数据采集卡,成为数据采集的主流。为了简化PCI数据采集卡结构,提高数据采集可靠性,本文研究并开发了一种基于FPGA的PCI结构的数据采集卡系统。论文对PCI对目标设备数据采集卡实现的原理和方法进行了深入研究,设计了基于FPGA的PCI数据采集卡的硬件电路,通过在FPGA中嵌入了PCI目标设备的IP核与用户逻辑部分,构成了SOPC系统。使用Verilog硬件描述语言设计并实现了FPGA内部采集数据管理、数据管理寄存器和FIFO数据缓冲队列等模块电路。利用ModelSim对PCI系统进行了仿真。完成了系统硬件电路PCB板的设计,最终制作了PCI数据采集卡。论文针对PCI结构的数据采集卡系统软件需求,研究了WDM设备驱动软件、Windows环境的简易虚拟示波器以及简易虚拟逻辑仪实现原理和方法。利用DriverStudio+Windows DDK for XP+VC6的软件平台,开发了WDM设备驱动程序。实现了Windows环境的简易虚拟示波器,和简易虚拟逻辑仪。系统测试结果表明该系统设计正确,系统运行稳定,功能和指标达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 PCI数据采集卡的现状综述
• 1.3 FPGA技术的发展
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第二章 PCI目标设备实现方法的研究
• 2.1 PCI总线规范
• 2.1.1 PCI总线信号定义
• 2.1.2 总线命令编码
• 2.1.3 读写时序
• 2.1.4 配置空间定义
• 2.2 PCI数据采集卡的设计方法
• 2.3 基于FPGA的PCI数据采集卡的设计思路
• 2.4 小结
• 第三章 FPGA数据采集卡硬件设计
• 3.1 总体设计
• 3.1.1 总体硬件模块
• 3.1.2 硬件设计的特点
• 3.2 电源模块
• 3.2.1 5V滤波单元
• 3.2.2 稳压电源单元
• 3.3 PCI接口
• 3.4 电平转换模块
• 3.5 数据采集模块
• 3.5.1 12位模数转换单元
• 3.5.2 8路数字量采集缓冲器
• 3.6 FPGA模块
• 3.6.1 EP1C6T144基本性能
• 3.6.2 FPGA模块硬件原理
• 3.6.3 EP1C6T144主动下载电路
• 3.6.4 JTAG调试与下载硬件
• 3.7 ByteBlasterⅡ型下载电缆
• 3.8 小结
• 第四章 FPGA软件设计及实现
• 4.1 总体IP模块
• 4.2 PCI目标设备模块
• 4.2.1 PCI目标接口设备的实现
• 4.2.2 PCI目标接口设备IP核的移植
• 4.2.3 PCI目标接口设备仿真
• 4.3 采集数据管理模块
• 4.3.1 基本原理
• 4.3.2 数据管理寄存器
• 4.3.3 FIFO数据缓冲队列
• 4.3.4 控制逻辑单元
• 4.4 小结
• 第五章 WDM驱动程序设计
• 5.1 WDM驱动程序的框架
• 5.2 WDM格式总线PCI驱动程序的开发
• 5.2.1 KDriver类
• 5.2.2 KDevice类
• 5.2.3 KPnpLowerDevice类
• 5.3 IRP操作
• 5.3.1 IRP重要的域
• 5.3.2 KIrp类
• 5.4 WDM驱动程序的实现
• 5.4.1 驱动代码
• 5.4.2 驱动程序的INF文件
• 5.5 虚拟示波器和虚拟逻辑仪的实现
• 5.5.1 打开与关闭数据采集卡
• 5.5.2 读取数据采集卡中的数据
• 5.5.3 无闪烁显示波形
• 5.6 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果