基于PCI總線的數據采集卡設計

0 引言
隨著計算機軟硬件技術和控制、測量技術的不斷發展，許多工程技術人員都將PC機作為控制、測量開發的首選平臺。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外圍部件互連)總線作為一種高性能、通用的局部總線，是目前計算機插卡式外設總線的事實標準。PCI總線具有32／64位總線寬度。地址線和數據線復用，支持猝發傳輸，傳輸速率高達132MB／s；系統占用率低，具有較好的兼容性；有完備的即插即用(PnP)管理體制，可同時支持多組外圍設備。雖然PCI總線也經歷了從PCI、PCI-X到PCI Express的發展，但PCI總線由于存在時間長，開發工具、開發資料眾多，在對數據吞吐量要求不是很高的工業控制、測量領域仍有著頑強的生命力。筆者在學習了相關設計資料的基礎上，設計了基于PCI總線的數據采集卡，可以完成8路數字量I／O及4路差分14位A／D采集功能。本文將根據筆者的實際經驗，介紹PCI接口擴展卡的軟硬件設計流程。

1 PCI總線工作方式簡介
PCI總線標準由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI規范的發展。PCI總線是一種時分復用的雙向應答總線，傳輸發起方稱為主設備，接收方稱為從設備。其主要信號定義如下：
RFAME：由主設備驅動，為低，指示一次傳輸的開始。
DEVSEL：由從設備驅動，為低，指示響應傳輸請求。
ADO～AD31：地址、數據復用信號。PCI總線的數據傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個地址周期和多個數據周期組成。首先給出本次傳輸的首地址，后面緊跟一個或多個4字節寬的數據，連續傳輸多個數據時，其地址自動遞增。
C／BE0～C／BE3：這4根線在地址傳送周期，傳輸的是總線命令，C／BE0～C／BE3的不同組合指示在AD0～AD31上將要進行何種類型的操作，其代表的總線命令見表1；在數據傳送周期，傳輸的是字節始能信號，用來表示在整個數據期間，AD31～AD0上的哪些字節為有效數據。
IRDY、TRDY：分別表示主設備準備好和從設備準備好。在傳輸過程中，只有IRDY和TRDY同時有效，傳輸才能繼續；否則插入等待周期，用于在不同速度的設備之間協調工作。
表1地址傳送周期時。C／BE0～C／BE3所代表的總線命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板對電源的請求信息，具體含義見表2。

將PCI接口卡插入計算機插座，加電后，BIOS會根據PCI接口卡上的配置信息，為其分配相應的I／O端口、存儲器空間、中斷及DMA等計算機資源。

2 PCI接口卡的硬件設計
筆者設計的PCI數據采集卡使用的PCI接口芯片是CH365，CH365可將32位高速PCI總線轉換為簡便易用的類似于ISA總線的8位主動并行接口，支持240字節的I／O端口映射、32 K字節的存儲器映射、擴展ROM以及中斷。本數據采集卡僅使用了I／O端口映射及中斷功能。本PCI數據采集卡使用MAXIM公司的4通道14位、差分、同時采樣ADC：MAX1338，實現A／D轉換功能，并將MAX1338的／EOLC引腳與CH365的INT_REQ引腳相連，以便在ADC轉換完成后，向PC機發出中斷申請。使用兩片74HC273作為輸出，一片用作8路I／O輸出，另一片用作對MAX1338控制命令的輸出。使用兩片74HC373作為輸入，一片用作8路I／O輸入，另一片采集MAX1338的狀態指示信號。使用TLP521-4對8路I／O輸入、輸出進行光電隔離。使用74LS138作為地址譯碼。