第六章PCI接口技术.ppt

PCIPCI接口技术开发介绍接口技术开发介绍虚拟仪器课题组虚拟仪器课题组Tel:8502473TEMTEM应用应用目录目录l什么是什么是PCI总线总线?lPCI体系结构及体系结构及协议介绍。协议介绍。l如何进行如何进行PCI总总线开发？线开发？l实例介绍。实例介绍。一、了解一、了解PCI总线总线什么是什么是PCI总线？总线？lPCI总线的英文全称为：总线的英文全称为：Peripheral Component Interconnect,即外设部即外设部件互连。是由件互连。是由Intel公司公司提出的。提出的。PCISlotsPCIPCIBUSBUS总线性能比较总线性能比较512MB/sPCI总线的应用范围总线的应用范围便携机便携机便携机便携机中档台式系统中档台式系统中档台式系统中档台式系统高档台式系统高档台式系统高档台式系统高档台式系统服务器服务器服务器服务器64位升级位升级5V3.3VX86 AlphaAXP X86 AlphaAXP 未来未来CPUCPU多种平台多种平台多种体系结构多种体系结构未来系统要求未来系统要求二、二、PCI体系结构及体系结构及 总线协议总线协议 计算机计算机多总线结构多总线结构 P C I P C I 总总 线线桥路控制器桥路控制器CPUCacheDram扩展总线桥扩展总线桥ISA/EISA/MCA基本基本I/O功能功能图形加速器图形加速器PCI-PCIPCI SlotsSCSI第一级总线第一级总线第二级第二级总线总线第三级第三级总线总线PCI总线信号总线信号AD31:0C/BE3:0PARFRAME#TRDY#IRDY#STOP#DEVSEL#IDSEL#PERR#SERR#REQ#GNT#CLKRST#PCI总线协议总线协议lPCI总线传输协议总线传输协议lPCI配置空间配置空间lPCI总线仲裁机制总线仲裁机制lPCI总线访问延迟总线访问延迟l其他其他 PCI总线传输协议总线传输协议(读传输读传输)主设备启动主设备启动传输，发出传输，发出帧信号帧信号等待状态等待状态 主设备停止主设备停止命令，启动命令，启动字节使能字节使能数据传输数据传输从设备发出从设备发出请求响应请求响应 在最后一个数据在最后一个数据阶段前结束帧信号阶段前结束帧信号一本有关一本有关PCI协议介绍的协议介绍的很好参考书很好参考书售价售价：8.5元元PCI配置空间配置空间配置空间是实现配置空间是实现PNP的关键的关键 PCI PCI规范定义了规范定义了规范定义了规范定义了256256字节的配置字节的配置字节的配置字节的配置空间，前空间，前空间，前空间，前6464字节为预定义域，每字节为预定义域，每字节为预定义域，每字节为预定义域，每个个个个PCIPCI设备都必须支持！后设备都必须支持！后设备都必须支持！后设备都必须支持！后192192字节字节字节字节用户自定义。用户自定义。用户自定义。用户自定义。配置空间配置空间存储器存储器设备设备设备设备IDID厂商厂商厂商厂商IDID基址存储器基址存储器基址存储器基址存储器中断寄存器中断寄存器中断寄存器中断寄存器其他其他其他其他必必必必须须须须用户设备用户设备需要的地需要的地址资源址资源中断共享，配置中中断共享，配置中断引脚，单功能卡断引脚，单功能卡只能是只能是INTA三三.如何进行如何进行PCI总线开发？总线开发？第一步：选择总线控制器第一步：选择总线控制器 开发一个开发一个PCI设备总线控制器是必不可少设备总线控制器是必不可少的，实现总线控制器一般说来有三种方法：的，实现总线控制器一般说来有三种方法：1。FPGA实现实现 2。集成总线控制器实现。集成总线控制器实现 3。IP核或特殊核或特殊FPGA实现实现 采用采用采用采用FPGAFPGA实现总线控制器的前提是开发者必实现总线控制器的前提是开发者必实现总线控制器的前提是开发者必实现总线控制器的前提是开发者必须对须对须对须对PCIPCI协议相当了解，在系统的开发过程中，调协议相当了解，在系统的开发过程中，调协议相当了解，在系统的开发过程中，调协议相当了解，在系统的开发过程中，调试试试试PCIPCI接口将成为开发外围设备的重点，开发周期接口将成为开发外围设备的重点，开发周期接口将成为开发外围设备的重点，开发周期接口将成为开发外围设备的重点，开发周期变长！优点是可以拥有自主的知识产权。变长！优点是可以拥有自主的知识产权。变长！优点是可以拥有自主的知识产权。变长！优点是可以拥有自主的知识产权。熟悉熟悉PCI协议协议下载下载下载下载 采用可编程逻辑器件厂商提供的采用可编程逻辑器件厂商提供的采用可编程逻辑器件厂商提供的采用可编程逻辑器件厂商提供的IPIP核或特殊核或特殊核或特殊核或特殊FPGAFPGA实现是不错的选择，既可以缩短开发周期又可以将整实现是不错的选择，既可以缩短开发周期又可以将整实现是不错的选择，既可以缩短开发周期又可以将整实现是不错的选择，既可以缩短开发周期又可以将整个系统集成，增强系统性能！但是，个系统集成，增强系统性能！但是，个系统集成，增强系统性能！但是，个系统集成，增强系统性能！但是，IPIP核和开发系统核和开发系统核和开发系统核和开发系统都很贵。都很贵。都很贵。都很贵。集成集成集成集成PCIPCI控制器控制器控制器控制器局局局局部部部部总总总总线线线线 利用利用AMCC、PLX等公司提供的总线控制器配合等公司提供的总线控制器配合CPLD实现实现PCI总线操作，大大减少了外围设备的开发总线操作，大大减少了外围设备的开发周期，开发者可以将主要精力放在设备功能上。但是周期，开发者可以将主要精力放在设备功能上。但是设备设备PCB制作难度较大，性能不如前者好。制作难度较大，性能不如前者好。性价比高！性价比高！性价比高！性价比高！总线控制器选择参考总线控制器选择参考AMCC AMCC 接口简单接口简单接口简单接口简单 有有有有DOSDOS驱动例子驱动例子驱动例子驱动例子 昂贵昂贵昂贵昂贵 较全面较全面较全面较全面 公司公司公司公司 特点特点特点特点 驱动开发驱动开发驱动开发驱动开发 价格价格价格价格 资料资料资料资料TI TI 与与与与DSPDSP易连接易连接易连接易连接 评估程序评估程序评估程序评估程序 很便宜很便宜很便宜很便宜 评估模块评估模块评估模块评估模块Cypress Cypress 内置内置内置内置DPRAM VXD DPRAM VXD 便宜便宜便宜便宜 较全面较全面较全面较全面PLX PLX 型号众多型号众多型号众多型号众多 评估程序评估程序评估程序评估程序+SDK +SDK 一般一般一般一般 评估模块评估模块评估模块评估模块第二步：实现配置空间第二步：实现配置空间 实现实现实现实现PCIPCI配置空间需要对配置空间需要对配置空间需要对配置空间需要对PCIPCI运作机理运作机理运作机理运作机理及协议有所了解，如果这个空间没有及协议有所了解，如果这个空间没有及协议有所了解，如果这个空间没有及协议有所了解，如果这个空间没有配置好，那么配置好，那么配置好，那么配置好，那么PCIPCI设备卡将无法被识别！设备卡将无法被识别！设备卡将无法被识别！设备卡将无法被识别！所以在开发设备卡时一定要注意配置空所以在开发设备卡时一定要注意配置空所以在开发设备卡时一定要注意配置空所以在开发设备卡时一定要注意配置空间的正确配置。间的正确配置。间的正确配置。间的正确配置。常用常用常用常用93S6693S66作为配置存储器。作为配置存储器。作为配置存储器。作为配置存储器。设备卡无法识别？设备卡无法识别？设备卡无法识别？设备卡无法识别？PCPC无法启动？无法启动？无法启动？无法启动？配置错！配置错！配置错！配置错！第三步：开发驱动程序第三步：开发驱动程序驱动程序驱动程序驱动程序驱动程序应用软件应用软件应用软件应用软件WDMWDMVXDVXD驱动程序工作在驱动程序工作在驱动程序工作在驱动程序工作在核心态下，介于核心态下，介于核心态下，介于核心态下，介于应用软件和设备应用软件和设备应用软件和设备应用软件和设备硬件之间硬件之间硬件之间硬件之间DAQDAQ驱动程序模型驱动程序模型NewNew改进改进改进改进Win98 WinNT 98/NT/2000/XP支持支持支持支持PNPPNP、电源管、电源管、电源管、电源管理、理、理、理、WMIWMIWDM特点特点1 1、即插即用、即插即用、即插即用、即插即用查找设备查找设备查找设备查找设备INFINF安装安装安装安装驱动程序驱动程序驱动程序驱动程序2 2、适合、适合、适合、适合Win98Win98Win2000/xpWin2000/xp1 1、驱动程序、驱动程序、驱动程序、驱动程序查找设备，查找设备，查找设备，查找设备，安装程序安装程序安装程序安装程序2 2、适合于、适合于、适合于、适合于Win98/NTWin98/NT1 1、IRPIRP结构结构结构结构2 2、电源管理、电源管理、电源管理、电源管理3 3、分层驱动模型、分层驱动模型、分层驱动模型、分层驱动模型4 4、WindowsWindows管理管理管理管理诊断诊断诊断诊断(WMI)(WMI)WDM驱动程序驱动程序 NT驱动程序驱动程序WDM模模型型介介绍绍System ServicesSystem ServicesI/O ManagerI/O Manager用户态用户态用户态用户态核心态核心态核心态核心态介绍一本驱动入门书介绍一本驱动入门书 适合初涉设备适合初涉设备驱动程序的驱动程序的开发人员开发人员驱动开发工具选择驱动开发工具选择难！难！方法二方法二方法二方法二 方法方法方法方法 一一一一寄生寄生PCI驱动模块驱动模块开发开发开发开发PCIPCI驱动主要解决三个问题：驱动主要解决三个问题：驱动主要解决三个问题：驱动主要解决三个问题：1 1。硬件访问。硬件访问。硬件访问。硬件访问2 2。中断处理。中断处理。中断处理。中断处理3 3。DMADMA传输传输传输传输采用采用IO通信对硬件进行通信对硬件进行访问。访问。KIoRegister KMemoryRegister等类等类对中断进行响应、对中断进行响应、处理。处理。KInterruptDMA初始化初始化DMA传输传输控制等。控制等。KdmaAdapter硬件访问硬件访问硬件访问硬件访问DMADMA中断处理中断处理中断处理中断处理第四步：应用软件开发第四步：应用软件开发 采用采用采用采用Win32 APIWin32 API函数和驱动程序建立联系，函数和驱动程序建立联系，函数和驱动程序建立联系，函数和驱动程序建立联系，实现上层应用软件的相应功能。常用访问硬件实现上层应用软件的相应功能。常用访问硬件实现上层应用软件的相应功能。常用访问硬件实现上层应用软件的相应功能。常用访问硬件的的的的APIAPI函数有：函数有：函数有：函数有：CreatFile()CreatFile()：打开驱动程序，获取设备句柄：打开驱动程序，获取设备句柄：打开驱动程序，获取设备句柄：打开驱动程序，获取设备句柄ReadFile()ReadFile()：获取数据：获取数据：获取数据：获取数据WriteFile()WriteFile()：向设备写数据：向设备写数据：向设备写数据：向设备写数据ControlIoDevice()ControlIoDevice()：实现与外围设备之间的读写操作：实现与外围设备之间的读写操作：实现与外围设备之间的读写操作：实现与外围设备之间的读写操作CloseFile()CloseFile()：关闭设备：关闭设备：关闭设备：关闭设备 应用软件开发工具选择应用软件开发工具选择Graphical ProgrammingGraphical ProgrammingMFC+APILABVIEW编程编程调用调用调用调用访问访问访问访问 用户态用户态用户态用户态核心态核心态核心态核心态LabviewCINCIN接口接口接口接口控件控件控件控件VC开发环境开发环境 VC VC开发环境使用相对复杂，需要花大量时间开发应用开发环境使用相对复杂，需要花大量时间开发应用开发环境使用相对复杂，需要花大量时间开发应用开发环境使用相对复杂，需要花大量时间开发应用程序界面，界面开发远不如程序界面，界面开发远不如程序界面，界面开发远不如程序界面，界面开发远不如LabviewLabview便捷、美观，但是对于便捷、美观，但是对于便捷、美观，但是对于便捷、美观，但是对于理解应用程序工作机理大有好处。理解应用程序工作机理大有好处。理解应用程序工作机理大有好处。理解应用程序工作机理大有好处。采用采用采用采用VCVC开发的应用程序界面开发的应用程序界面开发的应用程序界面开发的应用程序界面注意注意 在在这儿只给了一个开发这儿只给了一个开发PCI过程的思过程的思路，该做些什么事情？该学些什么东西？路，该做些什么事情？该学些什么东西？该采用哪些开发工具？而一些更具体、更该采用哪些开发工具？而一些更具体、更细节的东西需要自己努力去学习。一个细节的东西需要自己努力去学习。一个PCI控制器的英文资料有控制器的英文资料有300多页，学习多页，学习PCI协议得看一本书。所以，开发协议得看一本书。所以，开发PCI设备设备最重要的应该还是对开发接口设备的热爱最重要的应该还是对开发接口设备的热爱和兴趣！只有这样，才能不断的克服所遇和兴趣！只有这样，才能不断的克服所遇到的困难。到的困难。四，基于四，基于PCI总线数据采集卡总线数据采集卡总体设计方案总体设计方案基于基于PCI总线数据采集卡实物图总线数据采集卡实物图 8通道模拟输入、通道模拟输入、3级程控放大、级程控放大、高速高速AD采集、大容量数据存储采集、大容量数据存储PCI数据采集卡硬件系统框图数据采集卡硬件系统框图模模拟拟开开关关信号预信号预处理处理高速高速ADCFIFO存储器存储器采样控制及接口逻辑时序采样控制及接口逻辑时序PCI总线接口总线接口扩扩展展IOPCI BUS多通道信多通道信号输入号输入通用通用I/O数据采集卡硬件部分设计数据采集卡硬件部分设计l采集模块设计采集模块设计l信号调理模块设计信号调理模块设计lPCI总线接口设计总线接口设计l时序控制逻辑的实现时序控制逻辑的实现采集模块设计采集模块设计 根据测试系统要求，采集模块的核根据测试系统要求，采集模块的核心器件采用心器件采用MAXIM公司的公司的MAX1201。l采样频率可达采样频率可达2.2MHzl分辨率为分辨率为14bit l全采样率时具有全采样率时具有14位的线性度、良好的位的线性度、良好的信噪比和谐波失真信噪比和谐波失真 l接口电路简单接口电路简单,便于与便于与FIFO连接连接 MAX1201工作时序图工作时序图 采集模块具体电路采集模块具体电路 信号调理模块设计信号调理模块设计 信号调理模块实现信号调理模块实现模拟通道选择模拟通道选择、信号程控放大信号程控放大和和差分转换差分转换，这部分电路，这部分电路对整个系统至关重要，在设计的过程中对整个系统至关重要，在设计的过程中应该着重注意降低信号失真，减少系统应该着重注意降低信号失真，减少系统噪声。噪声。模拟通道选择模拟通道选择采用采用CPLD和和BB公司生产的模公司生产的模拟开关拟开关MPC508A实现，实现，CPLD发送命令控制字，发送命令控制字，控制控制MPC508A实现实现8选选1功能。功能。MPC508具有具有70Vpp的过压保护，的过压保护，15V的信号输入范围，静态的信号输入范围，静态功耗仅有功耗仅有7.5mW，工作于工业级的温度范围。其，工作于工业级的温度范围。其外围电路连接简单，外围电路连接简单，8个输入端直接和外部模拟信个输入端直接和外部模拟信号相连，号相连，A0、A1和和A2为通道控制信号，兼容为通道控制信号，兼容TTL电平。电源电压采用电平。电源电压采用12V供电模式。供电模式。MPC508A 命令字命令字 程控放大部分程控放大部分采用采用CPLD EMP7127和和PGA103加以实现。加以实现。PGA103是美国是美国BB公司生产公司生产的集成程控放大器，能够实现的集成程控放大器，能够实现1倍、倍、10倍、倍、100倍倍三级放大，控制简单三级放大，控制简单。值得注意的一点是值得注意的一点是PGA103和后级电路相连和后级电路相连时需要设计阻抗匹配电路，否则，信号将大大衰时需要设计阻抗匹配电路，否则，信号将大大衰减。减。PGA103程控放大电路程控放大电路 PGA103命令字命令字 系统采用系统采用差分输入差分输入方式，通过信号转换方式，通过信号转换电路将单端输入转换成差分输入。利用低噪声、电路将单端输入转换成差分输入。利用低噪声、宽频带运算放大器宽频带运算放大器MAX4108可以保证可以保证MAX1201输入信号在全功率范围的信号纯净。输入信号在全功率范围的信号纯净。减小了信号调理模块的频率失真，抑制了器件减小了信号调理模块的频率失真，抑制了器件噪声。噪声。差分转换电路差分转换电路PCI总线接口设计总线接口设计PCI接口原理图接口原理图 PLX9054CPLDFIFO扩扩展展I/O93S66SCLKSCLKSOESOEDI/ODI/OLCLKLCLKADS#ADS#BLAST#BLAST#READY#READY#LWRLWRLINTLINTLA5:0LA5:0 LD15:0LD15:0RCLKRCLKDEDEWCLKWCLKI/OI/O时序控制逻辑的实现时序控制逻辑的实现 时序控制逻辑设计是系统设计重点：时序控制逻辑设计是系统设计重点：l第一，第一，PCI9054本地总线时序完全由本地总线时序完全由CPLD实现；实现；l第二，采集系统部分时序也需要第二，采集系统部分时序也需要CPLD实实现。现。所以，时序电路是整个系统的重要组所以，时序电路是整个系统的重要组成部分。成部分。l本地总线仲裁本地总线仲裁lI/O读写操作读写操作lDMA数据传输逻辑数据传输逻辑PCI9054本地总线逻辑设计总线仲裁时序图总线仲裁时序图CPLD仿真波形仿真波形本地总线仲裁本地总线仲裁从模式写时序从模式写时序(16(16位位)I/O读写操作读写操作CPLD I/O实现电路 A/D转换部分逻辑设计包括转换部分逻辑设计包括AD的时序控制、功能命令的译码两部的时序控制、功能命令的译码两部分，分，AD时序逻辑控制完成模数转换时序逻辑控制完成模数转换的控制，选择采样频率，启动采集的控制，选择采样频率，启动采集等功能。功能命令译码实现模拟通等功能。功能命令译码实现模拟通道的选择、通道增益选择等功能。道的选择、通道增益选择等功能。A/D转换逻辑控制设计转换逻辑控制设计采样时钟生成逻辑采样时钟生成逻辑 MAX1201MAX1201需要外加一个稳定的时钟频率作为流水线需要外加一个稳定的时钟频率作为流水线需要外加一个稳定的时钟频率作为流水线需要外加一个稳定的时钟频率作为流水线ADAD采样时钟。考虑到系统采样率并不是太高，因此采用采样时钟。考虑到系统采样率并不是太高，因此采用采样时钟。考虑到系统采样率并不是太高，因此采用采样时钟。考虑到系统采样率并不是太高，因此采用CPLDCPLD分频的方式提供可变的采样频率。通过功能命令译码逻辑和分频的方式提供可变的采样频率。通过功能命令译码逻辑和分频的方式提供可变的采样频率。通过功能命令译码逻辑和分频的方式提供可变的采样频率。通过功能命令译码逻辑和选择逻辑实现采样率的切换选择逻辑实现采样率的切换选择逻辑实现采样率的切换选择逻辑实现采样率的切换 。系统软件原理框图系统软件原理框图总总线线驱驱动动设设设设备备备备驱驱驱驱动动动动软软件件平平台台PCI局部局部总线总线用户用户内核态内核态用户态用户态硬硬件件描描述述层层采集系统软件设计采集系统软件设计l设备驱动程序设计设备驱动程序设计l设备卡动态连接库开发设备卡动态连接库开发上层过滤器驱动程序上层过滤器驱动程序总线驱动程序总线驱动程序FiDOFDOFiDOPDO下层过滤器驱动程序下层过滤器驱动程序功能驱动程序功能驱动程序IRP驱动程序层次结构驱动程序层次结构引起中断引起中断YDMA中断中断延时调用执延时调用执行行Continue()ReadFile发出IRP结束结束IRP生命期生命期启动DMA传输NOnDmaReady检检测有数测有数据否据否DMA驱动程序流程驱动程序流程PCI采集卡测试软件采集卡测试软件五、实例介绍五、实例介绍基于基于PCIPCI总线的总线的4848道道集中式地震仪的研制集中式地震仪的研制一、认识地震仪一、认识地震仪 地震勘探的基本原理地震勘探的基本原理是由激励源发射一个弹性是由激励源发射一个弹性波，经地层反射后的信号波，经地层反射后的信号经过检波器阵列接收，然经过检波器阵列接收，然后经过数据处理，可以得后经过数据处理，可以得到地下的地层信息。到地下的地层信息。目前地震勘探技术已经目前地震勘探技术已经相当成熟，也有相应的地相当成熟，也有相应的地震仪产品出现。震仪产品出现。地震仪的应用地震仪的应用l地质构造勘查地质构造勘查 如城市活断层的勘查、矿产资源勘查等如城市活断层的勘查、矿产资源勘查等l地基、路基与基础工程检测地基、路基与基础工程检测 如地基、路基空洞调查及溶岩勘探如地基、路基空洞调查及溶岩勘探l隧道工程检测隧道工程检测 包括隧道路线勘查以及洞室围岩分类包括隧道路线勘查以及洞室围岩分类l大中型水库的运行检测大中型水库的运行检测 如堤坝隐患检测、水库淤积测量及排淤效果检查如堤坝隐患检测、水库淤积测量及排淤效果检查l桥梁工程检测桥梁工程检测 如桥梁振动监测、桥墩基础类型调查如桥梁振动监测、桥墩基础类型调查l集中式地震仪的核心集中式地震仪的核心 我们研制的集中式地震仪的核心部我们研制的集中式地震仪的核心部分是一个分是一个基于基于PCIPCI总线总线的、的、高分辨率高分辨率的、的、低噪声低噪声的的多通道数据采集系统多通道数据采集系统。地震仪的主要功能是地震仪的主要功能是尽可能无失真地尽可能无失真地记录地震信号记录地震信号。二、集中式地震仪的研制二、集中式地震仪的研制1 1、集中式地震仪的结构、集中式地震仪的结构集中式地震仪主要包括以下几个部分：集中式地震仪主要包括以下几个部分：平板电脑（提供平板电脑（提供PCIPCI插槽，接受和插槽，接受和处理数据）处理数据）PCIPCI数据采集卡数据采集卡 前级信号调理卡前级信号调理卡 触发单元（用于触发采集系统）触发单元（用于触发采集系统）检波器（传感器）检波器（传感器）2、多通道数据采集的解决方案、多通道数据采集的解决方案l分时采集：分时采集：5050通道进行轮流采集，只用一个通道进行轮流采集，只用一个A/DA/D实现多个通道的数据采集。实现多个通道的数据采集。每通道的采样率每通道的采样率 A/DA/D采样率采样率 /通通道数道数3 3、硬件设计、硬件设计123N检波器检波器阵阵 列列通道转换模块差分转换模数转换（ADS8412）浮点放大时序、逻辑控制PCI总线总线平板电脑平板电脑前置滤波放大集中式地震仪的结构框图集中式地震仪的结构框图PLX90543-1、PCI数据采集卡的设计数据采集卡的设计 要设计采集卡首先要根据具体情况确定数据采集卡的技术指标，然后根据技术指标来进行设计。我们为地震仪中的数据采集卡设定的技术指标是：采样率：1.5MHZ 采样精度：24位（8位浮点）动态范围：120DB 采样长度：（512k16k）48 3-1-1 模数转换（模数转换（A/D）选取选取A/DA/D时，首先要考虑的两个方面：时，首先要考虑的两个方面：A/DA/D芯片的技术指标和性价比，芯片的技术指标和性价比，因为在仪器设计中，成本也是很重要的一个因素。因为在仪器设计中，成本也是很重要的一个因素。综上，我们在设计中选用了综上，我们在设计中选用了TITI公司的公司的ADS8412ADS8412芯片来进行芯片来进行A/DA/D转换。它转换。它的精度的精度1616位；最高采样率位；最高采样率2M2M；具有双极性输入特性；具有双极性输入特性；4848脚贴片封装。脚贴片封装。ADS8412ADS8412ADS8412ADS8412管脚图管脚图管脚图管脚图ADS8412ADS8412连接方式原理图连接方式原理图连接方式原理图连接方式原理图3-1-2 差分转换差分转换lA/DA/D的输入级经常使用差分转换电路来进行驱动。的输入级经常使用差分转换电路来进行驱动。l使用差分输入的优点是提高共模抑制比，可以任意使用差分输入的优点是提高共模抑制比，可以任意调制输入的直流偏置。在地震仪中，我们需要直流调制输入的直流偏置。在地震仪中，我们需要直流偏置为偏置为0 0，利用差分电路可以消除直流偏置。，利用差分电路可以消除直流偏置。l在本设计中，使用在本设计中，使用TITI的的THS4503THS4503把单端信号转换成差把单端信号转换成差分信号，然后输入分信号，然后输入ADS8412ADS8412进行数据采集。进行数据采集。差分转换差分转换 电路：电路：3-1-3 PCI3-1-3 PCI接口的实现接口的实现l在设计中，采用了在设计中，采用了CPLD+PLX9054CPLD+PLX9054来实现来实现PCIPCI接口。接口。lPLX9054PLX9054与计算机的与计算机的PCIPCI总线相连，总线相连，PCIPCI协议协议和时序由和时序由PLX9054PLX9054接口芯片完成，我们只需接口芯片完成，我们只需关注关注PLX9054PLX9054的提供的接口就可以，而不需的提供的接口就可以，而不需更深入的了解更深入的了解PCIPCI协议就可以进行设计。协议就可以进行设计。lCPLDCPLD为为PLX9054PLX9054提供时序控制逻辑。提供时序控制逻辑。3-1-4 DMA3-1-4 DMA传输传输lDMA传输能瞬间完成大数据量的传输，传输能瞬间完成大数据量的传输，在地震仪的数据采集中有着很重要的意在地震仪的数据采集中有着很重要的意义。地震仪采集的数据量一般都是很大义。地震仪采集的数据量一般都是很大的，使用的，使用DMA传输可以避免传输等待，传输可以避免传输等待，提高工作效率。这是它优于分布式地震提高工作效率。这是它优于分布式地震仪的地方。仪的地方。lPLX9054自带自带DMA控制器和两个控制器和两个DMA通通道，进行道，进行DMA操作方便。操作方便。3-1-5 浮点放大浮点放大 由于地震信号的动态范围很大，所以在地震仪中通常使用浮点放大技术来提高由于地震信号的动态范围很大，所以在地震仪中通常使用浮点放大技术来提高地震仪采集信号的动态范围。浮点放大的基本原理是经过预采样来确定信号的放地震仪采集信号的动态范围。浮点放大的基本原理是经过预采样来确定信号的放大倍数，使信号进入大倍数，使信号进入A/D时的幅度约为时的幅度约为A/D输入范围的一半。这样就提高了采集输入范围的一半。这样就提高了采集数据的精度。数据的精度。3 32 2、信号调理卡的设计、信号调理卡的设计总体框图总体框图放放放放大大大大器器器器前级信号放大前级信号放大前级信号放大前级信号放大信号输入信号输入信号输入信号输入通道切换通道切换通道切换通道切换逻辑控制逻辑控制逻辑控制逻辑控制信号输入信号输入信号输入信号输入给采集卡给采集卡给采集卡给采集卡前级放大器前级放大器l由于地震信号一般都很由于地震信号一般都很小，而且周围存在噪声，小，而且周围存在噪声，所以，应选取低噪声，所以，应选取低噪声，高共模抑制比的放大器高共模抑制比的放大器来进行前级放大。来进行前级放大。lOPA4227是一款高性能，是一款高性能，低噪声的放大器，它内低噪声的放大器，它内部有部有4个放大器。在设计个放大器。在设计中选用了中选用了OPA227来进行来进行前级放大。前级放大。OPA4227OPA4227管脚图管脚图通道切换l通道切换采用通道切换采用8 8通道模拟开关进通道模拟开关进行级连，在设计中使用了行级连，在设计中使用了1111片片MPC508MPC508进行级连。一共构建了进行级连。一共构建了7272道模拟输入，可选用其中任道模拟输入，可选用其中任意连续的意连续的5050道使用，其中道使用，其中2 2道为道为辅助通道。辅助通道。l模拟开关的转换速度直接影响模拟开关的转换速度直接影响地震仪的采样率，因此，应选地震仪的采样率，因此，应选用转换速度快的模拟开关。在用转换速度快的模拟开关。在以后系统的改进中，应选比以后系统的改进中，应选比MPC508MPC508转换速率更高的模拟开转换速率更高的模拟开关。关。l模拟开关的功能是：通过逻辑模拟开关的功能是：通过逻辑控制，选择从控制，选择从8 8路输入中选择一路输入中选择一路输入。所以，路输入。所以，8 8通道模拟开关通道模拟开关有有8 8个输入端，一个输出端个输入端，一个输出端MPC508MPC508管脚图管脚图MPC508MPC508的控制逻辑的控制逻辑MPCMPC508508MPCMPC508508MPCMPC508508MPCMPC508508MPCMPC5085086464道道8 8道道信号输出信号输出通道的架构逻辑控制逻辑控制（A2A0A2A0）(A5A3)(A5A3)(A6)(A6)通过时序控制，可实现通道的切换。通过时序控制，可实现通道的切换。从而实现从从而实现从1 15050道的轮流采集。也道的轮流采集。也就是所说的分时采集。就是所说的分时采集。4、集中式地震仪软件的开发 我们知道，对于仪器来说，做好我们知道，对于仪器来说，做好硬件只是一个方面。要想仪器有更硬件只是一个方面。要想仪器有更高的使用价值，必须有一个优秀的高的使用价值，必须有一个优秀的软件来配合它使用。集中式地震仪软件来配合它使用。集中式地震仪的软件要具有以下特点：的软件要具有以下特点：1、具有友好、操作方便的界面。、具有友好、操作方便的界面。2、对采集到的数据有图形显示的、对采集到的数据有图形显示的功能，并能根据用户的需要进行调功能，并能根据用户的需要进行调整，如放大，压缩等整，如放大，压缩等 3、具有数据存储功能、具有数据存储功能 4、具有叠前相关功能（可控震、具有叠前相关功能（可控震源的要求）源的要求）操作系统底层WDM驱动上层应用程序操作设备进行数据采集、DMA传输等数据存储数字滤波相关处理图形化显示软件基本结构三、系统初步测试结果l我们在实验室对集中式地震仪的核心部分多通道PCI数据采集系统和应用程序进行了初步测试。l测试中利用信号发生器产生的信号进行测试。l地震信号的幅度多集中在10mv附近，当然也有1mv左右的信号以及上百mv的信号。在测试的时候选取了10mv和2mv的信号进行测试。输入信号幅度：输入信号幅度：10mv 10mv 输入信号频率：输入信号频率：100hz 100hz 输入通道：输入通道：5 58 8道道输入信号幅度：输入信号幅度：10mv 10mv 输入信号频率：输入信号频率：100hz 100hz 输入通道：输入通道：1 12525道道 为了便于观察，应用软件实现了抽取部分通道进行放大显示的功能。为了便于观察，应用软件实现了抽取部分通道进行放大显示的功能。下图便是从上图中从抽取其中的下图便是从上图中从抽取其中的5 58 8道进行放大显示的结果。道进行放大显示的结果。从图中可以看出，输入信号从图中可以看出，输入信号10mv10mv时，噪声被压制，图中基本上看不到噪声。时，噪声被压制，图中基本上看不到噪声。输入信号幅度：输入信号幅度：10mv 10mv 输入信号频率：输入信号频率：100hz 100hz 输入通道：输入通道：26265050道道输入信号幅度：输入信号幅度：2mv 2mv 输入信号频率：输入信号频率：100hz 100hz 输入通道：输入通道：1 12525道道从上图中抽取其中的几道放大后进行显示从上图中抽取其中的几道放大后进行显示抽取的通道为抽取的通道为13131616道。道。从图中可以看到噪声还没有完全被信号压制。从图中可以看到噪声还没有完全被信号压制。小小 结结l经过初步测试，集中式地震仪的功能已经完全实现，能进行1-50通道任意可选的多通道数据采集。l集中式地震仪每通道的采样率为500Hz，1k，2k，4k，8k可选。选用转换速度更快的模拟开关后采样率可达16k，24k。l采样精度为16位，完成浮点放大后可达24位精度。l输入噪声为500微伏。完成浮点放大后预计噪声可降至10微伏以内。课堂作业课堂作业l基于计算机的数据采集有哪些接口方式？l设计一个数据采集系统应该考虑哪些问题？l如何设计一个PCI总线的数据采集卡？l给你一个PCI总线的数据采集卡，你可以用其设计一台数字存储示波器/频谱分析仪吗？Thank You for Your Attentions！