基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)
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2．2．1 總線讀寫設(shè)計(jì)
總線讀寫設(shè)計(jì)是FPGA設(shè)計(jì)的頂層模塊，主要完成PCI9054與本地的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。PCI9054單周期讀、寫和DMA讀的VHDL語言時(shí)序控制狀態(tài)機(jī)如圖3所示。狀態(tài)0為空閑狀態(tài)，狀態(tài)1為總線保持狀態(tài)，狀態(tài)2為DMA讀狀態(tài)，狀態(tài)3為單周期寫狀態(tài)，狀態(tài)4為讀寫操作完成狀態(tài)。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/189530.htm
2．2．2 控制信號說明
ADS#：地址選通信號，雙向。表示地址有效及新的總線訪問周期的開始，在總線訪問周圍的第一個(gè)時(shí)鐘周期有效。BLAST#：突發(fā)傳輸結(jié)束信號，雙向。由當(dāng)前本地總線主動(dòng)方驅(qū)動(dòng)，用來表明總線傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)傳輸。LW／R#：寫／讀信號，雙向。低位讀，高為寫。LHOL D：保持總線請求，輸出。請求使用本地總線。當(dāng)控制可以實(shí)現(xiàn)時(shí)，本地總線仲裁回應(yīng)LHOLDA。
2．2．3 A／D控制設(shè)計(jì)
A／D控制是數(shù)據(jù)采集卡的主要部分，設(shè)計(jì)主要包括：A／D采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生，分組采集控制，觸發(fā)設(shè)置及FIFO讀寫控制等。
(1)A／D采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生。采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生主要是根據(jù)設(shè)定的采樣頻率產(chǎn)生具有一定低脈寬的信號，這是為了在轉(zhuǎn)換完成時(shí)能正確地讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。值得注意的是，在FIFO溢出的情況下及分組采集的組間間隔時(shí)間段內(nèi)要停止輸出采集脈沖。
(2)分組采集控制。分組采集是按照內(nèi)外時(shí)鐘源分別進(jìn)行設(shè)計(jì)的。首先根據(jù)組循環(huán)次數(shù)及首末通道設(shè)置計(jì)算出一組內(nèi)總共要采集的點(diǎn)數(shù)，即：一組內(nèi)總共要采集的點(diǎn)數(shù)=(末通道-首通道+1)*組循環(huán)次數(shù)。
在內(nèi)時(shí)鐘模式下，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換后，在每次轉(zhuǎn)換完成后采集點(diǎn)數(shù)加1，直至加到一組內(nèi)總共要采集點(diǎn)數(shù)為止，此時(shí)停止輸出轉(zhuǎn)換脈沖，而后進(jìn)入組問間隔時(shí)間，開始對基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)到設(shè)定的組間間隔值后輸出轉(zhuǎn)換脈沖，再次進(jìn)入轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)周期，依此重復(fù)下去。
在外時(shí)鐘模式下，當(dāng)檢測到外時(shí)鐘下降沿時(shí)開始輸出轉(zhuǎn)換脈沖并在轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至加到一組內(nèi)總共要采集的點(diǎn)數(shù)為止，此時(shí)停止輸出轉(zhuǎn)換脈沖，當(dāng)再次出現(xiàn)外時(shí)鐘的下降沿時(shí)，便開始新的一組分組采集。
(3)觸發(fā)設(shè)置。觸發(fā)設(shè)置是根據(jù)板卡控制字中的觸發(fā)源、觸發(fā)方向及觸發(fā)類型共同決定的。
(4)FIFO讀寫控制。FIFO的讀是由PCI9054發(fā)起的，在PCI9054讀周期，在滿足地址條件的情況下，產(chǎn)生FIFO的讀信號，將A／D數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)。
FIFO的寫信號是由A／D芯片的STS信號控制的，當(dāng)STS信號由高變?yōu)榈蜁r(shí)表示本次轉(zhuǎn)換完成，且數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)有效，而FIFO是在下降沿啟動(dòng)寫周期，上升沿將數(shù)據(jù)打入FIFO中，因此只需將STS信號取反后賦給FIFO的寫信號。
3 硬件設(shè)計(jì)的測試
在板卡的設(shè)計(jì)過程中，硬件設(shè)計(jì)的測試是按如下步驟進(jìn)行的：首先通過功能仿真及時(shí)序仿真排除設(shè)計(jì)上的大部分錯(cuò)誤；其次通過PCItr ee軟件進(jìn)行測試，通過簡單的功能測試，如開關(guān)量輸入輸出；然后通過簡易演示程序測試；最后通過高級程序的全面測試。在不同的測試階段會發(fā)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)問題，再將設(shè)計(jì)回歸到功能仿真及時(shí)序仿真，反復(fù)修改完善程序，直到最終滿足功能設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié)束語
本文完成了基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)，板卡實(shí)現(xiàn)了查詢、中斷和DMA等多種方式讀取數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的緩存，有效地解決對數(shù)據(jù)高速采集和傳輸?shù)男枨?。可直接插在PC機(jī)或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)任一PCI插槽中，構(gòu)成各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。
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