基于CompactPCI总线和DSP技术的数据采集板的设计

王凯 海军装备部 710043

基于CompactPCI总线和DSP技术的数据采集板的设计

王凯 海军装备部 710043

本文是工程实践中，利用TI高性能DSP器件TMS320LF2407实现对控制系统中转塔角度的采集、转速采集，是伺服系统控制中的重要环节，并基于Compact总PCI线迁入控制计算机中，与主机完成实时通讯功能。

Compact；PCIDSP；数据采集；CPLD

绪言

并行总线技术的发展，使CompactPCI的优势很快在电信行业独树一帜，其优良的结构规范以及电器特性也正为工业控制、航空、航天领域逐步接受。信息化的发展使人们认识到其基础是数字化，而数字化的核心技术之一是数字信号处理。数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP器件来完成。同时，DSP在各个领域日益增长的应用带动了DSP自身的发展， DSP在其他领域的潜力也是巨大的。

1 背景介绍

数据采集板作为某型号计算机中一块嵌入式控制板，与伺服控制板、通讯控制板以及CPU板构建成一套高性能整机，处于控制系统的核心控制地位，完成实时采集陀螺、旋转变压器的数据，采集系统探测信息，通过伺服软件的PID算法，由D/ A变换输出模拟校正量到伺服电子箱，实现伺服系统的闭环控制。

2 硬件设计

数据采集板采用TI公司的高性能DSP器件TMS320LF2407为核心，通过Compact PCI总线受主控计算机的控制，对系统提供的信息，经过数据采集软件处理，输出模拟量给伺服电子箱。高性能D S P器件TMS320LF2407是TI公司2x系列中的高端产品，主频最高为50MHz，并采用低功耗设计，工作电压为3.3V，外围器件工作电压以3.3V为多，大大降低了数据采集板的功耗。在实际设计中，外部程序可烧入片上FlashRAM 器件（256K×32bit），实现了在线编程的特点，大大提高了系统的可操作性和可维护性。角度采集器件选用高分辨率（19bit）高精度（±2lsb）器件，数据存储空间选用高速RAM（256x32bit）挂接在DSP的本地总线上，3.3V信号与5V信号采用74LVCC16245A隔离，大容量可编程器件完成DSP对外部资源控制的译码以及两路同步同步串口数据采集变换。

TMS320LF2407 DSP器件采用双端口RAM 实现与伺服控制板以及与主机通讯，DSP器件分别以5和2、1m s（可选）为采样和处理周期，实时采集转塔的位置信息，以及陀螺、旋转变压器的数据，并把采集结果发送给主机及伺服控制板。硬件看门狗电路实现对模板软件监控，在程序跑飞情况下，实现对DSP以及外部电路的软复位并向主机报错。主机每隔20m s读取双端口RAM中的数据，DSP在完成每次处理5m s（包含2m s或1m s），在双端口RAM 中写入相应的处理结果或工作状态信息，供主机查询，避免了DSP与主机之间的中断处理时间。

图1 数据采集板功能框图

PCI桥选用PLX公司的PCI9052桥芯片，工作模式为Lacal方式，PCI9052是PLX公司继PCI9050之后推出的低成本PCI总线接口芯片,低功耗，PQFP160p in s封装，可以使局部总线快速转换到PCI总线上。其主要特点如下：

符合PCI2.1规范，支持低成本从属适配器

包括一个64Byte的写FIFO和一个32Byte的读FIFO，通过读写FIFOs，可实现高性能的突发式数据传输；

支持两个来自局部总线的中断，可生成一个PCI中断，利用软件写内部寄存器位也可以达到同样的目的；

PCI9052的局部总线与PCI总线的时钟相互独立运行，局部总线的时钟频率范围为0～40MHz，TTL电平，PCI的时钟频率范围为0～33MHz。两种总线的异步运行方便了高低速设备的兼容；

可编程的局部总线配置，支持复用或非复用模式的8、16或32位的局部总线；

4个局部设备片选信号，各设备的基址和地址范围及其映射可由串行EEPROM或主机编程实现；

支持Big/Little Endian 编码字节的转换；

局部总线等待状态，除了用于握手的等待信号LRDYI# 外，PCI9052还有一个内部等待产生器(包括地址到数据周期、数据到数据周期和数据到地址周期的等待)；

可编程实现读写信号选通的延迟和写周期的保持；

可编程器件逻辑设计

在CPLD内部逻辑设计上，我们在本文中主要对同步串口的设计进行比较详细的描述，其余为控制译码逻辑设计，在此不再赘述。

3 软件设计

本模板的软件设计包括TMS320LF2407相关软件的编写，Vxworks嵌入式操作系统下的驱动程序和测试软件的编写。

3.1 TMS320LF2407相关软件

TMS320LF2407软件的编写相信大家也比较熟悉，在此主要强调对.cm d文件的编写：

C编译器对C语言程序编译后生成六个可以重新定位的代码和数据块，这些块可以用不同的方式分配至存储器以符合不同系统配置的要求。这六个块可以分为两种类型：已初始化块和未初始化块。已初始化主要包括数据表和可执行代码。C编译器共创建三个已初始化块：.text块（包括可执行代码和字符串）、.cinit块（包含初始化变量和常数表）和.const块（字符串和. swith表）。未初始化块用于保留存储器空间，程序运行时利用这些空间创建和存储变量。C编译器创建三个未初始化块：.bss块（用于保留全局和静态变量空间）和. stack块（为系统堆栈分配存储器）和. system块（为动态存储器函数分配存储空间）。

依据C33的系统资源分配，构建系统的CMD文件代码，在生成COFF（*.out）文件过程中，依据CMD内容把六个代码和数据段定位到RAM区的不同地址段上。

以下是本模板的.cmd 文件：

在程序调试完毕后就可把最终的COFF（.out）可执行文件用文件转换程序HEX30制作成可写入FlashRAM 的16进制BOOT文件，烧写入Flash RAM 中即可。

3.2 VxWorks驱动程序

该模板实际使用时工作在VxWorks操作系统下，因此，必须为它编写VxWorks操作系统下的驱动程序。

VxWorks中对PCI设备的操作，首先应在系统中找到所需的PCI设备，然后从它的配置空间中将所需的资源信息取出来，如内存基地址、I/O 基地址、中断号等，再根据这些信息及设备的特性对其进行初始化。

3.2.1 查找PCI设备

在系统中查找PCI设备所必需的是设备的vendor ID和device ID。有了这两个信息，就可以调用pciFind Device()函数进行查找，pciFind Device()的原型为：这个函数寻找与指定的vendorId和deviceId相同的第index个设备。

该函数若成功执行，则返回OK，此时在pBusNo,pDeviceNo和pFuncNo中存的是找到的PCI设备的总线号、设备号及功能号，这些信息在后面的操作中将会用到。若函数执行不成功，则返回ERROR。

3.2.2 获取PCI设备信息

找到PCI设备后，下一步就是要将它的资源信息从配置空间中读出来。对配置空间的读写操作一般使用下面的这些函数：

还有一些其它的函数可进行对PCI配置空间的操作，具体内容可以参看VxWorks帮助。

获取PCI设备的I/O基地址或内存基地址

可以使用下面的函数来获取PCI设备所分配的内存资源：

其中pActualRes是一个结构体，里面保存与PCI设备相关的信息，定义如下：

pActualRes.pciBus，pActualRes. pciDevice，pActualRes.pciFunc分别是执行pciFindDevice()函数时获得的pBusNo，pDeviceNo， pFuncNo 。PCI_CFG_BASE_ADDRESS_0 是要读取的数据在PCI配置空间中的偏移量，它们在文件pciConfigLib.h中定义，BaseAddress为读出的I/O空间的基地址或内存空间基地址，具体是哪一类空间由读出数据的最低位来判断，若最低位为0，则为内存空间，为1，则是I/O空间。

若读出的是I/O空间基地址，在使用前，需先将它和PCI_IOBASE_MASK 进行与运算，以屏蔽最低两位。PCI_IOBASE_MASK 也在pciConfigLib.h中定义。

得到基地址后，可用下面的函数进行内存或I/O的读写操作：

还有一些其它的相关函数，它们的定义在syslib.h中。

获取PCI设备的IRQ：

对分配有中断的设备，可以用下面的函数来得到系统为它分配的中断资源：

irq中是读出的PCI设备的IRQ。知道了IRQ后，还需要知道中断向量，X86平台的机器上中断向量为IRQ+0X20。得到中断向量后，就可以将中断与中断服务程序连接起来。一般设备将中断与中断服务程序连接时用intConnect()函数，而对于PCI设备则需用pciIntConnect,如：

pciIntConnect (INUM_TO_IVEC(ivec), isr,0)

其中ivec为中断向量，isr为中断服务程序，最后是传给中断服务例程的参数。

3.3 测试程序的编写

驱动程序编写完成后，进行编译，连接后生成驱动程序目标代码，将其拷贝到相应bsp目录下，并在config.h文件中加入对该设备的声明。

创建一个新的工程文件，在builds-＞macros-＞Extra MODULES-＞Value 中添入生成的驱动程序文件，具体路径需根据实际情况改变。

使用时驱动程序时，必须先调用先对驱动程序进行安装，例：

从设备中读取数据时，使用read()函数，其调用格式如下：

向设备中写入数据时，使用w rite()函数，其调用格式如下：

其中fd为打开的设备句柄，inbuf为接收缓冲区，outbut为输出缓冲区，len为输入输出的长度。

[1]苏涛，蔡建隆，何学辉.DSP接口电路设计与编程.西安：西安电子科技大学出版社.2003

[2]http://focus.ti.com/dsp

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.074