基于PCI总线的高速噪声检测系统

前言
　　
噪声检测系统用于对环境噪声进行样本采集和频谱分析，确定噪声中的频率分量是否对人体造成伤害。该系统分为高速数据采集卡和频谱分析两部分。数据采集卡将采样采集到的数据送入计算机内，由应用程序完成快速频谱分析功能。由于环境噪声是实时变化的，因此需要采集电路的高速采样和数据的高速传输。鉴于传统总线无法满足高速传输的要求，采用了PCI总线作为噪声检测系统的底层平台。

PCI总线是Intel公司推出的一种微机扩展槽接口标准，时钟频率为0～33MHz，其最大数据传输速率为132～264Mbps，有效克服了传统总线进行高速数据传输时的瓶颈现象，使数据的实时高速采集和传输成为可能。

数据采集卡结构说明
　　
数据采集卡具有高速和速率可调节的特点。其前端采用声波传感器采集模拟噪声信号，采集到的模拟信号经过A/D变换器转换为数字信号，数字信号再经PCI总线传输到计算机内。该数据采集卡主要包括数据采集电路、PCI接口电路和逻辑控制电路三部分，采集卡结构如图1所示。下面分别介绍各个部分的功能。



1. 数据采集电路　　

数据采集电路是由声波传感器和A/D变换器组成的，传感器将采集到的噪声信号送入A/D变换器，转换成数字信号输出。A/D变换器采用的是MAXIM公司的MAX 1446。MAX 1446有一路模拟信号输入，10位数字信号输出，工作频率可达60MHz。实际的数据转换时间为：转换时间+各种延迟=5+0.5=5.5个时钟周期，由此可知MAX 1446的转换时间最低可达0.1μs，即采样速率可达到100Mbps，为高速数据采集提供了最基本的硬件条件。

2. PCI接口电路
　　
考虑到PCI总线规范的复杂性，本设计采用了PLX公司的PCI 9052作为PCI总线接口芯片，以简化硬件设计。PCI 9052是作为PCI总线和局部总线一端的设备的桥梁，保证了局部总线一端的设备在符合PCI总线的规范后连接到PCI总线上。PCI 9052提供了多个内部寄存器，以尽量提高总线接口设计的灵活性和传输速率。所有的寄存器可分为PCI总线配置寄存器和局部总线配置寄存器两类。PCI总线配置寄存器是为符合PCI规范所设置的，局部总线配置寄存器用于设定局部总线的工作方式。

对于PCI 9052，需要一个EEPROM存储配置信息，当主机启动时，EEPROM完成对PCI 9052内部的PCI总线配置寄存器和局部总线配置寄存器的初始化。在设计中采用Microchip公司93LC46作为EEPROM存储配置信息。

3. 逻辑控制电路
　　
逻辑控制电路的作用是用于产生目标设备准备好信号LRDYi#。在MAX 1446完成一个A/D转换后，使目标设备准备好信号LRDYi#有效，表明数据已经在数据线上，通知主设备可以从数据线上读取数据了。

由于MAX 1446的数据转换时间需要5.5个时钟周期，因此采用一个模6计数器作为控制电路，以保证在数据转换完成后，才产生LRDYi#。

数据采集卡原理图
　　
数据采集卡原理图如图2所示。
　　

　　

对原理图有以下几点说明。

(1)设计中采用9052的非复用模式，因此将MODE接地，所以9052的LAD[31..0]上只有数据信息，而其地址信息在LA[27..0]上，又由于MAX1446的转换位数为10bit，因此将该10位输出数据D[9..0]连接到PCI 9052的LAD[9..0]，而LAD[31..10]接地。

(2)A/D变换器MAX 1446的时钟频率可高达60MHz。在设计中将PCI总线时钟(33MHz)作为A/D的时钟信号，从而简化了A/D的时钟电路。为了保证LRDYi#信号的产生同MAX 1446的转换同步，模6计数器的时钟信号也采用PCI总线的时钟信号。

(3)数据采集的速率的控制是通过上层的软件完成的。在设计中，将PCI 9052的局部总线端的输出信号CS0#作为A/D的使能信号，驱动A/D的转换功能。CS0#是PCI 9052局部总线端的一个通用片选信号，它是在配置寄存器编程指定的。通过上层软件对CS0#低电平产生的时间间隔的控制，即可实现实现对A/D采样速率的控制。由于A/D转换需要5.5个时钟周期，在A/D转换期间，使能信号OE#应当始终保持有效，但是CS0#的低电平信号保持时间小于A/D转换时间，因此，使CS0#经过一脉冲展宽电路后再连接到OE#端，以保证A/D的有效转换。

(4)系统采用的时钟频率为33MHz，由于LRDYi#信号的产生是6个时钟周期，所以数据采集速率可高达55Mbps，可实现对噪声信号的高速实时采样。

结束语
　　
以上仅针对硬件电路的设计思路和原理作了详细的说明。在Win2000、Win NT操作系统下，应用程序不能对I/O端口直接进行操作，因此将A/D转换的数据读进内存中就要由驱动程序来完成。驱动程序作为下层硬件和上层应用程序的纽带，实现应用程序对底层硬件的访问。在Windows平台上，WDM将代替VxD成为主流的驱动模式，因此选择DriverWorks作为驱动程序的开发工具，开发WDM。

数据采集卡、驱动程序和频谱分析程序三部分的数据流程如图3所示。