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PCI数据采集卡 所在： 题 目： 作 者：方 威 二零一年月 摘要 ISA总线接口连接方式传输数据信息，但由于ISA总线传输速率低．易造成瓶颈效应．而PCI总线独立于处理器，传输速度快等诸多的优点，已是Pc机主板配置的主流。研究的主要任务是把ISA接口的采集卡改成PCI接口的采集卡，取代一些元器件，精简了电路。本设计有32路模拟输入、32路数字输入、16路数字输出、16路模拟输出，并且4路可程控增益。同时板卡上采用FPGA技术，取代一些元器件，精简了电路。 关键词：数据采集 FPGA 1引言 CPU运行速度的提高、多处理器结构的出现、高速缓冲存储器的广泛采用等，都要求有高速的总线来传输数据，从而出现了多总线结构。多总线结构是指CPU与存储器、z／o等设备之间有两种以上的总线，这样可以将慢速的设备和快速的设备挂在不同的总线上，减少总线竞争现像，使系统的效率大大提高。在多总线结构中，局部总线的发展令人瞩目。局部总线是指来自处理器的延伸线路。与处理器同步操作的PCI是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备，支持64位数据传送，多总线主控和线性突发方式，其数据的传输搴为133MB／s。本文研究的是基于PCI的数据采集卡，所谓的数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转化成数字量后，再由计算机进行存贮、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应用尽可能高的采集速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 2方案设计 2.1总体方案描述 本系统包括 图2-1总体方案 3硬件系统设计 3.1 PCI应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为主设备；而被主设备选中以进行通信的设备称为从设备或目标节点。对于相应的接口信号线，通常分为必备的和可选的两大类，为了进行数据处理、寻址、接口控制、仲裁等系统功能， PCI接口要求作为目标的设备至少需要47条引脚，若作为主设备则需要49条引脚。下面对主设备与目标设备综合考虑，并按功能分组将这些信号表示在图3-1中。其中，必要的引脚在左边，任选的引脚在右边。 图-1PCI接口定义 基于上述原理，设计PCI接口与FPGA硬件连接，由于本系统不算大，因此不需要32位那么宽的数据位，因此本设计为8位数据总线。设计原理图如图3-2所示。 图-2 PCI接口与FPGA连接图 3.2 FPGA系统 FPGA系统由程序下载电路，电源电路，时钟电路，配置芯片以及FPGA芯片组成，其硬件连接如图3-3所示。其中U4为3.3V稳压芯片，将PCI提供的5V电压稳成3.3V给FPGAI/O口供电。U3为1.2V稳压芯片，将3.3V电压稳成1.2V给FPGA内核供电。U2为EPCS配置芯片，保存程序。U1为FPGA芯片。选用altera的EP2C8Q208C8N。X1为外置100M有源晶振，给FPGA提供时钟。J1和J2分别为JTAG和AS程序下载接口。 图3-3.3 32路数字量输入 数字输入，通过光耦隔离后直接通过FPGA的32个I/O接口接收数字量，光耦选择TLP512-4，内置4路线性光耦，也可以用于数字量隔离。32路数字量共需8片。其电路图如图3-4所示。其中P5为数字量输入接口。 图3-3.4 16路数字量输出 16路数字量直接由FPGA16个I/O口产生，通过 图3-3.6 32路模拟量输入 模拟输入通过线性光耦隔离后，通过AD转换成数字量送入FPGA。由于路数太多，不可能用32个AD，因此选用4片CD4051多路选择开关，将32路选择成4个8选1，因此需要4个CD4051,4个AD转换器。AD选择ADS7822,12位高精度AD转换器，采用串行接口，占用FPGA I/O口少。光耦选择TLP512-4，内置4路线性光耦，可以用于模拟量隔离。32路数字量共需8片。其电路图如图3-6所示。其中P4为模拟量输入接口。 图3-3.6 16路模拟输出 模拟输出采用AD产生模拟量，并通过CD4015转换为8路，再通过电压保持器保持电压。要输出十六路，需要两片CD4051,16片LF398电压保持器。DA选用TLV5618，TLV5618是12位高精度DA，有两路输出，采用串行通信，可节约FPGA I/O口。16路模拟输出中有4路是程控增益，因此还需要程控增益运放。本设计采用THS7002，THS7002是双通道数字可控增益运放，因此需要2片。其电路图如图3-7(a)(b)(c)所示。其中P6为模拟量输出接口。 (a) DA及CD4051电路 (b) 1