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pci

基于PCI总线的数据

采集卡的设计

彭正林0906050425

贺奎0906050509

徐慧0906050508

摘要

生活中的物理信号大都是模拟信号，然而数字技术的飞速发展要求模拟量和数字量之间的转换。

为了克服ISA总线总线对于这种大量数据转换的速度慢，易造成瓶颈效应等问题，提出了基于PCI总线的数据采集卡，这样不仅能够达到很好的效果，从而也大大简化了电路。

关键词：

ISA,PCI,数据采集卡

引言：

　PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。

从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。

管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。

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。

PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。

从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。

管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。

PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。

方案设计

总体方案图

硬件原理图

PCI接口

在一个PCI应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为"主设备"；而被主设备选中以进行通信的设备称为"从设备"或"目标节点''。

对于相应的接口信号线，通常分为必备的和可选的两大类，为了进行数据处理、寻址、接口控制、仲裁等系统功能，PCI接口要求作为目标的设备至少需要47条引脚，若作为主设备则需要49条引脚。

下面对主设备与目标设备综合考虑，并按功能分组将这些信号表示在图3-1中。

其中，必要的引脚在左边，任选的引脚在右边。

PCI接口定义

基于上述原理，设计PCI接口与FPGA硬件连接，由于本系统不算大，因此不需要32位那么宽的数据位，因此本设计为8位数据总线。

设计原理图如图3-2所示。

PCI接口与FPGA连接图

FPGA系统

FPGA系统由程序下载电路，电源电路，时钟电路，配置芯片以及FPGA芯片组成，其硬件连接如图3-3所示。

其中U4为3.3V稳压芯片，将PCI提供的5V电压稳成3.3V给FPGAI/O口供电。

U3为1.2V稳压芯片，将3.3V电压稳成1.2V给FPGA内核供电。

U2为EPCS配置芯片，保存程序。

U1为FPGA芯片。

选用altera的EP2C8Q208C8N。

X1为外置100M有源晶振，给FPGA提供时钟。

J1和J2分别为JTAG和AS程序下载接口。

FPGA系统电路连接图

32路数字量输入

数字输入，通过光耦隔离后直接通过FPGA的32个I/O接口接收数字量，光耦选择TLP512-4，内置4路线性光耦，也可以用于数字量隔离。

32路数字量共需8片。

其电路图如图3-4所示。

其中P5为数字量输入接口。

图3-432路数字量输入

16路数字量输出

16路数字量直接由FPGA16个I/O口产生，通过光耦隔离后输出，光耦选择TLP512-4，内置4路线性光耦，也可以用于数字量隔离。

16路数字量共需4片。

其电路图如图3-5所示。

其中P3为数字量输出接口。

16路数字量输出

32路模拟量输入

模拟输入通过线性光耦隔离后，通过AD转换成数字量送入FPGA。

由于路数太多，不可能用32个AD，因此选用4片CD4051多路选择开关，将32路选择成4个8选1，因此需要4个CD4051,4个AD转换器。

AD选择ADS7822,12位高精度AD转换器，采用串行接口，占用FPGAI/O口少。

光耦选择TLP512-4，内置4路线性光耦，可以用于模拟量隔离。

32路数字量共需8片。

其电路图如图3-6所示。

其中P4为模拟量输入接口。

32路模拟量输入

16路模拟输出

模拟输出采用AD产生模拟量，并通过CD4015转换为8路，再通过电压保持器保持电压。

要输出十六路，需要两片CD4051,16片LF398电压保持器。

DA选用TLV5618，TLV5618是12位高精度DA，有两路输出，采用串行通信，可节约FPGAI/O口。

16路模拟输出中有4路是程控增益，因此还需要程控增益运放。

本设计采用THS7002，THS7002是双通道数字可控增益运放，因此需要2片。

其电路图如图3-7（a）（b）（c）所示。

其中P6为模拟量输出接口。

DA及CD4051电路

16路电压保持电路

4路程控增益及输出接口

16路模拟量输出