CompactPCI总线实现并行数据采集系统

针对产业控制系统的要求，先容了一种基于Compact PCI总线的数据采集系统，可以实现对模拟信号、串行数字信号和并行数字信号的采集。结合DSP芯片TSM320F2812和PCI接口芯片PCI9054的性能特点，具体讨论了采集系统的硬件结构和Compact PCI接口的实现。

本文的创新点是结合了Compact PCI总线和DSP芯片的上风，大大进步了系统的可靠性和实时性，同时又给应用程序开发职员提供了良好的接口，方便了硬件工作参数的修改，进步了系统的灵活性。

引言

数据采集的实时性和可靠性是关系产业控制系统性能的重要因素，数据采集系统的速率主要取决于A/D转换、通讯接口和总线传输的速率。本文研制了一种基于Compact PCI总线的数据采集系统，系统以DSP作为控制核心，可以进行模拟信号采集、并行接口和串行接口的数据信号的采样。

1 Compact PCI总线简介

Compact PCI总线与PCI标准完全兼容，但作为开放的产业计算机标准，Compact PCI总线与PCI总线有很多不同。主要体现在：

(1) Compact PCI总线具有热切换能力，可以使整个系统在不断电的情况下，更换损坏的插板，这对于有高可靠性要求的系统是至关重要的。

(2) Compact PCI总线采用欧式插卡(Eurocard)，具有更好的机械特性。欧式插卡的组装技术目前已经十分成熟，插卡垂向而平行的插进机箱，有利于透风散热;采用插进式电源模块，便于维修，适合于安装在标准化产业机架上。

(3) 使用高密度针孔总线连接器，完全气密，比台式机的PCI插槽具有更高的抗震性能和可靠性。

(4) Compact PCI底板可以容纳8块插卡，比原有的PCI规范增加了一倍，更能满足产业系统的需要。

2 采集系统硬件结构设计

在产业控制系统中，采集系同一方面需要把电机转速、电流环等模拟参数传送到监控主机，另一方面需要对下位机的各种参数和图像数据进行采集，同时监控主机还要对下位机发送各种控制信号。为了兼顾各种需要，设计中集合了模拟和数字两种采集方式，可以实现8路A/D采样，2路串行数据采集和2路并行数据采集，系统的结构框图如图1所示。

图1 采集系统结构框图

采集系统以数字信号处理芯片TMS320F2812作为控制核心，F2812最高工作频率可达150MHz，除了丰富的内部存储器资源外，还具有ADC，SCI、SPI等多种外设资源，设计中利用了其ADC和SCI模块来进行模拟信号和串行数字信号的采集。对并行数据的采集则不通过DSP而直接与主机进行数据交换。由于主机与外设速度不匹配，选用双口RAM芯片IDT70V24作为数据缓存，它是一种高速度、低功耗的双口RAM，存储量为8k字节。系统的逻辑控制采用CPLD芯片XC95108完成，它主要负责的功能是PCI局部总线仲裁和地址译码。三种采集模块的实现如下：

(1) A/D采集模块。对模拟信号的采样使用了F2812自带的数模转换模块ADC，该ADC具有16路模拟输进通道，带有两路内置S/H(抽样保持器)，转换精度为12bit，最大转换速率为12.5MSPS，支持范围在0～3 V的数据输进。16路输进通道在ADC内部共用1个模数转换器，它们被分位两组，每组8路通道，使用排序器Sequencer来设定每路通道占用模数转换器的顺序。设计中使用了其中8路通道(ADCIN0～ADCIN7)。

(2) 串行数据采集模块。F2812的SCI模块具有两路串行通讯接口，可配置成65536种不同的波特率，具有奇偶校验标志，可工作于半双工或者全双工模式，可设置成中断或者查询方式。另外，SCI还具有两个增强性能：①发送、接收都具有独立的FIFO，FIFO深度为16个字，触发级可以配置为16以内的任何数。这种灵活的设置对实际使用非常方便，由于下位机采集的数据长度往往不是16的整数倍，根据其数据长度设定FIFO触发级，可以使一帧数据及时被传输和处理;②可以实现波特率自动检测，这在未知通讯终端波特率或者需要更换通讯终真个情况下非常适用。下位机与监控主机的通讯采用RS-422接口，传输间隔远，抗干扰能力强。RS-422传输使用的是差分电平，而SCI的输进输出管脚是TTL电平，需要进行电平转换，设计种选用了符合RS-422标准的电平转换芯片MAX3461。

(3) 并口通讯模块。对于图像信号等数据传输量大的信号，需要使用并口通讯的方式。本采集系统提供两路并口，数据宽度为8位，地址宽度为8位，它们通过双口RAM与主机进行数据交换。3 Compact PCI接口设计

3.1 CPCI桥接芯片

目前，很多PCI协议芯片同时也支持热交换，使得原有的基于PCI总线的硬件系统可以很轻易地移植到CPCI构架下，而不需要在硬件和软件上做大的修改。本设计选用的是PLX公司推出的PCI9054，符合PCI 2.2规范和CPCI 2.1热交换规范。

针对CPCI的热交换规范，PCI9054提供