PCI数据采集卡功能介绍.ppt

PCI数据采集卡成都九州阿尔泰科技有成都九州阿尔泰科技有限公司制作成都九州阿尔泰科技有限公司制作联系方式 028 85291611网址 www art PCIPCI XPCI E简介基于PCI数据采集卡的硬件构成如何选择合适的A D产品 PCI PCI是PCI是PeripheralComponentInterconnect 外设部件互连标准 的缩写 它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口 几乎所有的主板产品上都带有这种插槽 最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下 传输带宽达到133MB s 33MHz 32bit s 基本上满足了当时处理器的发展需要 随着对更高性能的要求 1993年又提出了64bit的PCI总线 后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz 目前广泛采用的是32 bit 33MHz的PCI总线 64bit的PCI插槽更多是应用于服务器产品 1991年32bit 33MHZ 1993年64bit 66MHZ 普通PCI总线带宽一般为132MB s 在32bit 33Mhz下 或者264MB s 在32bit 66Mhz下 对于普通的声卡 百兆网卡 Modem卡等扩展设备一般使用的是132MB s的传输速率 这种设备的金手指特征一般是与PCI插槽对应 长 短 而对于部分PCI显卡 千兆网卡 磁盘阵列卡 USB2 0或者火线卡等需要较高带宽的PCI设备一般可以使用264MB s的带宽 这种设备的特征是金手指一般是三段式 短 长 短 三段式 短 长 短 金手指 二段式 长 短 金手指 PCI特点 即插即用 PlugandPlay 中断共享等扩展性好多路复用地址线和数据线共用一组物理线路高速性每个PCI总线支持4个PCI插槽 即插即用是指当板卡插入系统时 系统会自动对板卡所需资源进行分配 如基地址 中断号等 并自动寻找相应的驱动程序 而不象旧的ISA板卡 需要进行复杂的手动配置 实际的实现远比说起来要复杂 在PCI板卡中 有一组寄存器 叫 配置空间 ConfigurationSpace 用来存放基地址与内存地址 以及中断等信息 以内存地址为例 当上电时 板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中 对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息 操作系统要跟据这个信息分配内存 并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址 这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了 对于中断的分配也与此类似中断共享ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的 而我们知道计算机的中断号只有16个 系统又用掉了一些 这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了 PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成 硬件上 采用电平触发的办法 中断信号在系统一侧用电阻接高 而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低 这样不管有几块板产生中断 中断信号都是低 而只有当所有板卡的中断都得到处理后 中断信号才会回复高电平 软件上 采用中断链的方法 假设系统启动时 发现板卡A用了中断7 就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR A 然后系统发现板卡B也用中断7 这时就会将中断7对应的内存区指向ISR B 同时将ISR B的结束指向ISR A 以此类推 就会形成一个中断链 而当有中断发生时 系统跳转到中断7对应的内存 也就是ISR B ISR B就要检查是不是B卡的中断 如果是 要处理 并将板卡上的拉低电路放开 如果不是 则呼叫ISR A 这样就完成了中断的共享 PCI应用领域 PCI总线的应用十分广泛 几乎每台PC及工控机均有PCI总线 且均以PCI总线为主 其他总线为辅 各种档次的服务器及相关设备 为其他PCI系列总线定义了基本的功能和电气特征 成为它们的基础 PCI X PCI X接口是并连的PCI总线 PeripheralComponentsInterconnect 的更新版本 仍采用传统的总线技术 不过有更多数量的接线针脚 同时 如前所述的所有的连接装置会共享所有可用的频宽 与原先PCI接口所不同的是 改过去的32位 PCI X采用64位宽度来传送数据 所以频宽自动就倍增两倍 而扩充槽的长度当然就不可避免的加大了 除此之外 其余的包含传输通讯协议 讯号和标准的接头格式都一并兼容 好处是3 3伏特的32位PCI适配卡可以用在PCI X扩充槽上 在技术上 PCI X并没有脱离PC体系 它仍使用64位并行总线和共享架构 但将工作频率提升到133MHz 如果四组设备并行工作 每组设备可用带宽为266MBps 如果只有两组设备并行 那么每组设备就可分得533MBps 而在连接一组设备的情况下 该设备便可以独自使用到全部的1 06GBps带宽 相对于64位PCI总线 PCI X的提升相当明显 在它的帮助下 服务器内部总线资源紧张的难题得到一定的缓解 在2002pci x发布2 0规范 它包含较低速的PCI X266及高速的PCI X533两套标准 分别针对不同的应用 同样 PCI X2 0并没有对总线架构做什么大改动 而只是将工作频率分别提升到266MHz和533MHz 以此获得更高的传输效能 PCI X266标准可提供2 1GBps共享带宽 PCI X533标准则更是达到4 2GBps的高水平 这两者最多都可以支持8组设备 扩展力相当强大 如果系统只安装4组设备 那么最高级的PCI X533标准允许每个设备获得超过1GBps的总线带宽 这完全可满足多路千兆以太网 光纤通道 SASRAID系统的需求 此外 PCI X2 0也保持良好的兼容性 它的接口与PCI X1 0完全相同 可无缝兼容之前所有的PCI X1 0设备和PCI扩展设备 很自然 PCI X2 0成功进入服务器市场并大获成功 直到现在它仍然在服务器市场占据主流地位 与PCI比较 与PCI总线不同的是 PCI总线必须频繁的于目标设备和总线之间交换数据 而PCI X则允许目标设备仅于单个PCI X设备看已进行交换 同时 如果PCI X设备没有任何数据传送 总线会自动将PCI X设备移除 以减少PCI设备间的等待周期 所以 在相同的频率下 PCI X将能提供比PCI高14 35 的性能PCI X的频率将不再是PCI那样固定的 而是可随设备的变化而变化 比如某一设备工作于66MHz 那么它就将工作于66MHz 而如果设备支持100MHz的话 PCI X就将于100MHz下工作 PCI X可以支持66 100 133MHz这些频率 而在未来 可能将提供更多的频率支持 66MHzPCI X 工作于66MHz的PCI X控制器将能访问最多4个PCI X设备 当然 如果增加PCI X至PCI X的桥接芯片可以支持更多设备 66MHZPCI X拥有533MB s的带宽 100MHzPCI X 所有PCI X设备均工作于100MHz下 此时PCI X总线将只能管理最多两个PCI X设备 在64bit总线和100MHz频率下 拥有800MB s的带宽 133MHzPCI X PCI X最豪华的版本 工作于133MHz的PCI X将能提供惊人的1066MB s带宽 当然 此时仅支持1个PCI X设备工作 不过对于一些对带宽需求很大的设备 如光纤接口 千兆以太网接口等来说 PCI X133将能提高很多优势 2000年PCI X1 0 2002年PCI x2 0 2002年PCI X3 0 64bit133MHZ1 06Gbps带宽 1066MHZ8 4Gbps带宽 64bit266MHZ2 1Gbps带宽533MHZ4 2Gbps带宽 但是并没有得到发展 PCI X发展流程图 PCI Express 英特尔公司提出3GIO ThirdGenerationI OArchitecture 第三代I O体系 总线的概念 它以串行 高频率运作的方式获得高性能 而3GIO的体系设计也十分富有前瞻性 它将被设计为满足未来十年PC系统的性能需要 3GIO计划获得广泛响应 后来英特尔将它提交给PCI SIG组织 于2002年4月更名为PCIExpress并以标准的形式正式推出 PCIExpress 以下简称PCI E 采用了目前业内流行的点对点串行连接 PCIExpress是新一代的总线接口 而采用此类接口的显卡产品 PCI E的接口根据总线位宽不同而有所差异 包括X1 X4 X8以及X16与PCI总线特点PCIExpress特点 1 是串行总线 进行点对点传输 每个传输通道独享带宽 2 PCIExpress总线支持双向传输模式和数据分通道传输模式3 与PCI总线良好的继承性 可以保持软件的继承和可靠性PCIExpress接口模式通常用于显卡网卡等 主板类接口卡 2001年春季3GIO 2002年4月更名PCI Express 8Gbps带宽 规格工作频率传输速率PCI E1X2 5GHz512MiB sPCI E4X2 5GHz2 0GiB sPCI E8X2 5GHz4 0GiB sPCI E16X2 5GHz8 0GiB s PCIExpress技术优势 PCIExpress之所以能迅速得到业界的承认 并且被大家公认为下一代10年总线标准 它具有鲜明的技术优势 它可以全面解决PCI总线技术所面临的种种问题 双通道 高带宽 传输速度快灵活扩展性低电源消耗 并有电源管理功能支持设备热拨插和热交换支持同步数据传具有数据包和层协议架构每个物理链接含有多点虚拟通道可保持端对端和链接级数据完整性具有错误处理和先进的错误报告功能使用小型连接 节约空间 减少串扰 1 在工作原理上 PCIe与并行体系并没有多大相似之处 它采用串行方式传输数据 而依靠高频率来获得高性能 因此PCIe也被称为 串行PCI 由于串行传输不存在信号干扰 总线频率不受阻碍PCI顺利达到2 5GHZ工作频率 2 其次是PCIe采用全双工工作模式 最基本的PCIe拥有4跟传输线路 其中两线用于发送数据 2线用于接收数据 发送接受数据同时进行 相比之下 pci总线与pci x在一个时钟周期内单向传输 效率只有一半 加上pcie使用8b 10b内嵌入时钟技术 时钟信号直接被写入数据流中这比PCI更节省了传输通道提高效率 3 PCI没有沿用传统的共享结构 它采用点对点的工作方式 每个PCI设备都有专用的连接 这无需向整条总线申请带宽 避免了多个设备争抢带宽的情形 而这种情况在PCI架构司空见怪了 与PCI比较 PCI PCI X1 0 PCI Express PCI X2 0 PCI X3 0 2001年春季3GIO 2002年64bit266MHZ2 1Gbps带宽533MHZ4 2Gbps带宽 1991年32bit 33MHZ1993年64bit 66MHZ 2000年64bit133MHZ1 06Gbps带宽 2002年1066MHZ8 4Gbps带宽 2002年4月8Gbps带宽 基于PCI数据采集卡的硬件构成如何选择合适的A D产品 PCI总线数据采集卡的硬件构成 基于PCI总线的数据采集卡主要由PCI总线模块 数据存储模块 AD转换模块以及CPLD逻辑控制模块组成 其基本原理是通过高速A D将外部的模拟信道的信号进行采集 先将采集的信号存在FIFO中 当FIFO半满时 会产生一个半满信号HF通知CPLD使其产生控制信号用来控制PCI9054执行DMA传送 将数据读入电脑内存中 这样就可以对电脑里面的数据进行分析 数据采集卡硬件结构简图 PCI数据采集卡功能模块介绍 数据采集的过程 从传感器出来的小信号经过信号调理转换换成标准的电压值 通过数据采集送到A D转换模块 从而将模拟信号转换成数字信号后 送到FIFO缓存起来 这些缓存起来的数据再通过PCI总线接口芯片PCI9054以主控的DMA方式送到计算机内存中 数据采集控制逻辑是由一片控制模块来完成 控制模块主要功能有两种 第一 产生分频信号 由于采样频率不同 所以通过控制模块分频产生采样信号 第二 根据FIFO模块的状态信号和接口模块的一些状态 命令信号 PCI接口模块 PCI9054是32bit 33MHZ的通用PCI总线控制器专用芯片 该芯片符合PCI总线规范的2 2版 突发传输数率132MB SPCI9054支持主模式 从模式 DAM传输方式 可以用于适配卡和嵌入式系统 其工作电压是3 3v频率是33 3MHZ 局部总线可以达到50MHZ主要功能是实现PCI总线和本地总线的数据通信 数据存储模块 在接口芯片PCI9054中用于DAM内部FIFO容量只有32位大小 运不足以满足高速大容量数据采集要求 同时为了高速连续采集信号存储模块必须有读和写同时进行的能力 满足要求的有DRMA和FIFODRMA的优点 1访问灵活 可以在任意的时间访问任意存储空间 2线号线的复杂 每片DRAM都有两套地址线和数据线 引脚过多3 价格昂贵 FIFO firstInfirstOutMemory 的优点FIFO的读取数据是依次读取的1信号线简单 没有地址线只有数据线2顺序访问 只能按先进先出的顺序读取FIFO的数据3价格便宜 4连续数据流进行缓存5防止进机和存储操作丢失数据因为数据采集和处理数据都是按照时间顺序进行 因此没有必要用DRAN存储 CPLD逻辑控制模块 在PCI高速数据采集卡的研制中 存在着大量的时序和逻辑控制的设计工作 如果产生PCI9054的时序逻辑 FIFO存储控制等等 我们采用可编程器件EPM3064 实现对FIFO芯片的接口控制和PCI9054局部总线控制 最终解释对整个系统的的逻辑控制数据采集卡的控制由计算机发出 通过PCI接口和数据采集卡通讯 主机发出采集命令 当卡上FIFO存储器数据半满时 法宗中断请求给主机 然后主机响应中断 然后再通过PCI读出 CPLD逻辑控制 CPLD的特点1它具有编程灵活2集成度高3集成度高4适用范围宽5开发工具先进6设计制造成本低7对设计者的硬件经验要求低8标准产品无需测试9保密性强 10价格大众化 AD转换模块 由于FIFO存储数据的空间很小 他只能用于数据缓存的作用 而不能存储大批量的数据 所以必须保证PCI读取数据的速度稍大于模数转换的速度 功能 A D转换是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量 最后暂时存在FIFO中 模拟量可以是电压 电流等电信号 也可以是压力 温度 湿度 位移 声音等非电信号 但在A D转换前 输入到A D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号 A D转换后 输出的数字信号可以有8位 10位 12位和16位等 如何选择合适的A D卡 根据传感器选择热电偶 热电阻 根据采样定理选择fs 2 fmax根据精度要求选择根据用户的其它要求选择同步 触发 热电偶应用的特点 热电偶 是温度测量仪表中常用的测温元件 它直接测量温度 并把温度信号转换成热电动势信号 通过电气仪表 二次仪表 转换成被测介质的温度 价格较低 坚固可承受高温可迅速感知温度的快速变化低电压输出低灵敏度 选型低电压输出 需要放大最好高增益或者加信号调理模块低灵敏度 高分辨率 例如有PCI8757PCI9622PCI8501 热电阻应用的特点 精度比热电偶高不需要冷端补偿电阻输出低灵敏度非线性输出 需要线性化2线RTDs接线 简单 但要考虑接线电阻误差3线和4线RTD接线 消除了接线电阻误差 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器 电阻输出 需要信号调理模块 PCI板卡如 热电阻信号调理模块S1102低灵敏度 高分辨率 输入信号 Pt100 Pt1000 Cu50 Cu100 输出信号 0 5V 5V 1 5V 0 10V 10V 4 20mA 0 20mA 输入 输出通道数 1 1 输入方式 三线制输入 具有长线补偿功能 精度 0 2 绝缘强度 1000V 1分钟 供电电源 24VDC 10 输入端断线检测 S1102 其它传感器 目前 越来越多出现了将传感器 变送器结合在一起的产品一般输出为电压 0 5V 电流 0 20mA或4 20mA 若输出为电压 基本所有采集卡均可选若输出为电流 必须在输入端并联一精密电阻或者加如信号调理模块将电流信号转换成电压信号 在用数据采集卡采集 根据采样定理选择采集卡 前面所讨论的信号 一般变化缓慢 不涉及采样频率的限制采样定律 fs 2 fmaxfs 采样频率fmax 信号最高频率一般最小为fs 2 5 fmax工程上一般取为fs 6 8 fmax 根据精度要求选择采集卡 用户关心的最小可测电压值输入范围 电压满量程 2n对于小信号 需要选择高增益板卡或者选择信号调理模块将小信号放大 根据用户的其它要求选择采集卡 同步要求 PCI8502 PCI8504 PCI8520 触发要求模拟触发数字量触发 PCI8504 PCI8522 PCI8757 如何选择合适的I O卡 根据点数 通道数 选择根据信号类型选择 TTL 光电隔离 继电器 集电极开路输入 输出干接 湿接点 133MS s8位2路同步模拟量输入8位AD精度 每通道130MS s同步采样频率单端2路同步模拟量输入 可支持多卡同步每通道存储器深度 128MBAD量程 1V 5 另可定制 500mV 200mV 100mV AD触发方式 多种模拟量 数字量触发方式 TRG0 TRG7信号触发支持DMA和程序查询方式 pci8520 主要指标PCI8757800KS s16位4路同步模拟量输入16位AD精度 每通道800KS s同步采样频率4路差分模拟量输入AD缓存 8K字FIFO存储器AD量程 10V 5V 2 5V 0 10V 0 5V各通道量程单独可选AD触发方式 多种模拟量 数字量触发方式4路同步采集