摘   要： 一種基于PCI總線的高速數據采集傳輸系統的實現方法。概述了PCI總線控制專用芯片CH365的主要特點及其本地硬件地址的實現方法，并給出了在12通道數據采集系統中的應用實例。
關鍵詞： PCI總線  本地硬件地址  工作模式

　　PCI 總線是先進的高性能32/64位局部總線，可同時支持多組外圍設備，不受制于處理器，數據吞吐量大，并能完全兼容現有的ISA/EISA/MCA等擴充總線。PCI總線以其高性能、高效率以及與現有標準的兼容性和預置的發展空間，被計算機界認為是最具發展潛力的局部總線標準。
　　PCI總線是32位并可升級到64位的獨立于CPU的總線結構，總線速度高達33/66MHz，同步控制、猝發(burst)傳送使得數據傳送速率高達132Mbps位(32位總線)、264Mbps（64位總線）。線性猝發、成組數據傳輸是PCI總線的基本傳輸機制。一次猝發傳輸通常由1個地址周期和1個或多個數據周期組成。它解決了總線的速度問題，為PCI外設提供了一個高帶寬的數據通道，將外設從I/O總線上移下來，不需處理器的介入便可進行數據傳輸。PCI總線可進行隱式仲裁。當前主設備正在執行數據傳送時，PCI機理允許總線仲裁發生。如果仲裁器決定將下一次總線所有權授予某個主設備，而不是當前交易的主設備，則它將從當前主設備取回GNT(仲裁信號允許主設備使用總線低電平有效)并將其發給總線的下一個所有者，直到當前主設備讓總線空閑時，下一個所有者才能取得總線所有權。這樣，在執行仲裁總線周期的時間內沒有浪費總線時間，提高了總線的效率。
　　PC機中包含3種空間：存儲器空間、I/O空間和配置空間。存儲器空間主要包括內存、顯存、擴展ROM和設備緩沖區等，一般用于存放大量數據和進行數據塊交換。I/O空間主要包括設備的控制寄存器和狀態寄存器，一般用于控制和查詢設備的工作狀態以及少量數據的交換。目前PC機的存儲器空間為4GB，地址范圍是00000000H～FFFFFFFFH，而I/O空間為64KB，地址范圍是0000H～FFFFH。配置空間主要用于向系統提供設備自身的基本信息，并接受系統對設備全局狀態的控制和查詢。
1  系統結構
　　本系統是一個12路溫度數據采集控制系統。該系統具有良好的實時性，可以隨機選擇任何一路作為輸入，而不會影響到其他數據采集的結果。整個系統由1臺586工業控制計算機控制，采用基于PCI插卡的形式，輔以一系列外圍電路協同工作。系統結構框圖如圖1所示。

2  新型PCI接口芯片CH365
2.1 CH365的特點
　　PCI總線比其他總線要復雜得多，它有嚴格復雜的時序要求。為了實現自動配置和擴展需要，PCI接口有一個256字節的配置空間。所以，對于一般的PCI總線應用設計工程師，為了縮短開發設計周期，不必去設計復雜的接口模塊，甚至不必完全理解PCI規范的細節，就能進行PCI用戶設備的設計，因為可直接采用專用的PCI接口芯片。通過使用專用芯片，設計者只需要使用相關的地址線、數據線以及幾個控制信號，就能實現PCI 總線與PCI用戶設備之間的連接。目前，國外已有比較成熟的PCI專用集成電路芯片的設計技術，如美國的PLX公司的PCI90xx 系列產品已被廣泛采用。這類芯片的通用性較強，但是同時也帶來成本高和開發周期長的問題。而我們已經初步開發了基于ISA插槽的多路數據采集控制卡。在這樣的前提條件下要能使其工作在PCI總線，可采用PCI90xx芯片(每片價格一般在150元以上）或者AMCC公司的S59XX系列芯片（如常用的S5933，價格500多元/片）。這二種芯片價格都比較貴，而且雖然S5933支持DMA傳輸，但本系統中并不需要此功能即可完成工作要求。因此從降低開發成本和充分利用現有資源的角度考慮，本設計選擇了沁恒電子出品的一種新型PCI快速簡易接口芯片CH36X(價格只需24元/片)。CH36X系列PCI接口芯片不同于目前市場上運用的常規接口芯片，它是一種低成本、快速、簡易的接口芯片，能完成大部分的PCI接口工作，尤其是這種芯片具有本地硬件地址的功能，使原工作在ISA8位總線上的電路能夠平滑移植到PCI總線上而不需要非常大的硬件改動，而且底層驅動軟件的改動也較小，這將給上層控制軟件的優化提供更多的時間，而不需要再花費大量時間在底層調試上。
2.2 CH365功能簡介
　　CH365是一個連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM以及中斷；可將32位高速PCI總線轉換為簡便易用的類似于ISA總線的8位主動并行接口，用于制作低成本的基于PCI總線的計算機板卡；CH365的存儲器空間占用32KB，偏移地址0000H～7FFFH，且可以全部提供給外部設備使用(實際存儲器地址是存儲器基址加上偏移地址)；CH365的I/O空間占用256B，由于偏移地址F0～FFH是CH365芯片自身的專用寄存器，所以可以提供240B給外部設備使用，偏移地址是00H～EFH，實際的I/O地址是I/O基址加上偏移地址。
　　CH365的地址線A15～A0用于提供相對于基址的偏移地址；數據總線D7～D0在讀操作時用于輸入數據，在寫操作時用于輸出數據；IOP_RD、IOP_WR分別為I/O讀、I/O寫提供選通脈沖信號，而MEM_RD、MEM_WR分別為存儲器讀和存儲器寫提供選通脈沖信號。CH365提供的地址線、數據總線和讀寫選通信號線類似于ISA總線的信號線，而提供的讀寫選通信號只在CH365的基址映射范圍內有效，相當于經過片選之后的選通信號，所以外部設備可以省去片選信號。
　　在I/O讀寫操作期間，CH365的A7～A0輸出I/O偏移地址，提供給外部設備的有效偏移地址范圍是00H～EFH，且CH365的A15～A10保持不變，而A9～A8輸出PCI總線的地址。如果使用本地硬件定址的功能，則應該對CH365 的A9～A0進行地址譯碼，以實現與ISA 總線相兼容的000H～3FFH地址范圍內的I/O 端口定址。
　　在存儲器讀寫操作期間，CH365的A14～A0輸出存儲器偏移地址，提供給外部設備的有效偏移地址范圍是0000H～7FFFH，且CH365的A15保持不變，但可以事先設定為高電平或者低電平，用于存儲器地址線的擴展或者頁面選擇。由于擴展ROM屬于存儲器的一種，所以其操作方式以及操作時序與存儲器相同。
CH365支持PC機程序以單字節、雙字節（字）、4字節（雙字）為單位對I/O端口或者存儲器進行讀寫。在多字節連續讀寫操作期間，CH365 每讀寫完1個字節數據，就會自動將偏移地址加1，以指向下一字節的偏移地址。
3  硬件實現
3.1 采集部分
　　當8255接收到計算機的采集控制數據后，即將數據傳輸給4線/16線譯碼器(此處選擇了HCF4514BEY作為譯碼器)，譯碼器輸出1路選擇信號選中12路達林頓管（MC1413）驅動的一路，之后MC1413一路繼電器吸合，將溫度數據傳輸給下一步驟。在對12路溫度數據采集時，雖然可以考慮采用比電磁繼電器體積小得多的集成塊式的模擬數據選擇器，但考慮到工業現場電磁干擾比較強烈，為了使系統能更加穩定地工作，所以選擇了電磁繼電器進行選擇測量。
3.2 斷偶檢測、冷端補償及放大
　　熱電偶在工業現場使用中有可能發生斷線故障，因此很有必要設置斷偶保護電路。冷端補償采用的是半導體PN結補償法，采用了美國NS公司的LM335作為二端齊納管工作。LM335是結構精密、容易校準的集成溫度傳感器，在+10mV/°K下，具有一個與絕對溫度直接成正比的擊穿電壓，其動態阻抗低于1Ω，工作在400?滋A～5mA的電流范圍時，其性能并無變化。對微弱熱電偶信號進行處理之前應將其放大，并根據K型熱電偶的特性，放大倍數可選40，此時放大后的電壓為52mV×40=2V，符合A/D轉換器MC14433的輸入電壓要求。
3.3 A/D轉換電路
　　A/D轉換主要有二大接口：模擬輸入端和數據輸出端。在A/D數據轉換系統的設計中，其很大程度上依賴于內部或外部的DC電壓基準所建立的電壓精度。因此設計基準電壓最關鍵的問題是精度要高和溫漂要小。本設計選擇了ADI公司的ADR29X系列的基準電壓源。
3.4 基于PCI接口的傳輸
　　本系統采用PCI總線，利用其高達33MHz(32 位)的傳輸速率完成連續采樣。并從快速方便，且能盡最大可能降低成本的角度考慮，本系統選擇了沁恒電子公司的CH36X系列芯片。該芯片完全可滿足系統的要求。
3.5 CH365及外圍輔助工作電路的實現原理框圖
　　CH365外圍輔助工作電路具體接線框圖如圖2所示。圖2中用了2塊型號為ATF16LV8C-10PC的16V8。一塊用來實現本地硬件地址，另一塊用來設置板卡ID。

3.6 本地硬件地址的實現
　　CH365提供了一種可以由產品制造商選定PCI設備I/O 地址的方法，即本地硬件定址。其原理是將PCI設備的部分I/O 地址譯碼通過外圍的二級譯碼電路實現。外圍的二級譯碼電路比較簡單，與ISA總線的I/O地址譯碼類似。CH365將PCI總線I/O操作的地址同步提供給外圍電路，當外圍電路對地址譯碼匹配后，則向CH365請求本地硬件定址， 再由CH365請求PCI總線在該I/O地址進行I/O 操作。
　　CH365 內部已經限定了本地硬件定址的地址范圍是03FFH～0000H，它對應于ISA板卡的I/O地址范圍。當PC機進行I/O操作時，CH365的A9～A0總是同步輸出操作地址，外圍的二級譯碼電路只需要對地址A9～A0進行匹配比較。CH365要求外圍的二級譯碼延時不超過20ns，也就是說，外圍電路對地址譯碼比較后產生本地硬件定址請求的時間不能超過20ns。實際的外圍譯碼電路通常選用可編程器件16V8。在本例中選擇了ATF16LV8C-10PC，可以自行對ATF16LV8C-10PC的編程數據進行修改，使CH365定位到指定的I/O端口地址。使用本地硬件定址功能后，CH365不僅在該硬件定址范圍響應I/O操作，同時也在計算機自動分配的I/O地址范圍內響應I/O操作。
3.7 CH365的工作模式的指定
　　為了在不增加引腳的前提下提供更多可用功能，CH365對部分引腳進行復用，通過“工作模式設定”進行功能選擇。“工作模式設定”的具體方法是：將本地端8 位數據信號線D7～D0采用上拉或下拉的方式設定為所需的高電平或低電平，CH365被復位后則根據這些信號線的默認狀態設定工作模式及參數。而這些信號線在作為8位數據總線被驅動時，因為一般外部設備的驅動電流不小于1mA，所以上拉或下拉都不會影響其對數據總線的驅動。另外，CH365僅在被復位后的1?滋s內一次性設定工作模式以及參數。所以，如果外部設備的驅動能力很小或者是OC集電極開路驅動，則只可以在復位后的短時間內實現下拉，而在其余時間屏蔽下拉或者轉換成上拉。CH365的具體設定工作模式如表1所示。

4  軟件實現
　　CH365提供了CH365DLL.H和CH365DLL.LIB 2個文件來設計Windows下的應用程序。對于一般的VC編譯環境，將上述2個文件放置在應用程序同一目錄下，然后將CH365DLL.LIB添加到應用程序的鏈接庫中。當應用程序被編譯時就會自動鏈接。
4.1 初始化CH365的源代碼
　　#include <windows.h>
　　#include <stdlib.h>
　　#include <stdio.h>
　　#include <conio.h>
　　#include <winioctl.h>
　　#include″CH365DLL.H″　　//如果在DOS下使用，請
　　　　　　　　　　　　　　　　//使用DOS庫
　　#define DIN_PORT 0xef//數據輸入端口
　　mPCH365_IO_REG mIoBase；//I/O基址
　　UCHAR Read_data( )；　　//讀（上傳）1個字節數據的
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//子程序
　　void Write_data(UCHAR data)；//寫（下傳）1個字
　　　　　　　　　　　　　　　　//節數據的子程序和主程序
　　void main( ) {
　　UCHAR data，Input_data；
　　int i；
　　　　　　　　　　　　　　　//若要使用DLL則需要先加載
　　if (LoadLibrary(″CH365DLL.DLL″)==NULL ) return；
　　　　　　　　　　　　　　　//加載DLL失敗
　　if(CH365OpenDevice(FALSE，FALSE)==INVALID_HANDLE_
　　VALUE ) return；　　　　//打開CH365設備
　　CH365GetIoBaseAddr(&mIoBase)；
　　　　　　　　　　　　　//使用系統為CH365自動分配的I/O基址
　　for (i=0；i<=30；i++) {　//測試
　　Input_data=rand( )%0x0100；　//隨機數0～255
　　printf(″*****WRITE DATA=%2x″，Input_data)；
　　Write_data(Input_data)；
　　　　　　　　　　　　　//少量延時，等待處理1個字節的數據
　　data=Read_data( )；
　　　　　　　　　　　　　//少量延時，等待處理1個字節的數據
　　printf(″*****READ DATA=%2x″，data)；
　　if(data==Input_data) printf(″*****test correct!\n″)；
　　else printf(″*****test wrong!\n″)；
　　}
　　}
4.2 I/O端口讀寫程序的編寫
　　CH365 的輸入、輸出信號與TTL電平和CMOS電平兼容，可以連接ADC/DAC/MCU等芯片。輸出引腳的驅動電流大于10mA，可以在串接限流電阻后直接驅動LED顯示。CH365提供了用于I/O 地址譯碼的8 根地址線A7～A0，有效偏移地址范圍是0EFH～00H，長度不超過240 字節。一般情況下，外部電路無需片選線或者直接強制片選。
　　基于CH365的通用驅動程序WDM和動態鏈接庫DLL，則上述操作的C 語言程序如下：
　　UCHAR mByte；//數據單元，用于保存從I/O端口中
　　　　　　　　　　　　//讀出的數據或者準備寫入I/O的數據
　　mPCH365_IO_REG mIoBase；//I/O端口基址，實際數據
　　　　　　　　　　　　//單元的地址等于基址加上偏移地址
　　CH365GetIoBaseAddr(&mIoBase)；//獲取I/O端口的基址，
　　　　　　　　　　　　//這是可選操作，不必執行；如果不獲取I/O基址則可以
　　　　　　　　　　　　//在I/O操作中只指定偏移地址，相當于I/O 基址為0；
　　　　　　　　　　　　//在調用CH365的DLL后，DLL會自動將偏移地址加上
　　　　　　　　　　　　//基址再進行I/O操作；存儲器與此類似，如果存儲器操
　　　　　　　　　　　　//作中只指定偏移地址，則DLL會自動加上存儲器基址
　　CH365ReadIoByte(& mIoBase -> mCh365IoPort[0x00]，&mByte)；
　　　　　　　　　　　　//上述操作從I/O端口的00H偏移地址讀取1個字節的
　　　　　　　　　　　　//數據，即讀入第1組緩沖輸入
　　CH365WriteIoByte(& mIoBase -> mCh365IoPort[0x01]，0x47)；
　　　　　　　　　　　　//上述操作將數據47H寫到I/O端口的01H偏移地址，即
　　　　　　　　　　　　//作為第2組鎖存輸出
　　CH365SetA15_A8(0x24)；　//設置A13為高電平，A10為高
　　　　　　　　　　　　　　　//電平，其余引腳為低電平
5  結束語
　　本系統采用新型PCI接口芯片CH365完成采集卡的設計，并采用了本地硬件地址的快速實現方法。CH365以其強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發提供了一種簡潔快速的方法。設計者只需設計出本地接口硬件外圍電路，就可以通過CH365快速掛接到PCI總線上。系統經測試能夠高速地進行數據的采集和傳送，可應用于高速數據采集卡、網卡及視頻采集卡等設備的研發中。隨著PCI總線的普及，基于PCI總線的采集傳輸系統將有十分廣闊的應用前景。
參考文獻
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2   Shanley T，Anderson D.PCI系統結構.北京：電子工業出版社，2000
3   WinChiphead Corp.PCI Bus Interface Chip CH365  UserBook（Ver.1）.2003
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