摘 要：在闡述相關(guān)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，介紹了一種用于測(cè)試目的、基于PCI總線的模擬高速CCD數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)，著重對(duì)設(shè)計(jì)思路和方法做了詳細(xì)介紹。 關(guān)鍵詞：PCI總線 PCI 9054 WinDriver [b][align=center]High Speed Data Outputting System Based on PCI Bus Pi Hai-feng Li Zi-tian Xu Xiu-zhen Xue Li-jun[/align][/b] Abstract: Followed the expatiation of design requirement, the development process for a system based on PCI bus is expounded, which is assumed as CCD high speed data outputting system and used for testing. The design idea and method is emphasized. Key words: PCI bus PCI9054 WinDriver 　　光譜成像儀是集光學(xué)、光譜學(xué)、精密機(jī)械、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的新型探測(cè)儀器。其中，CCD（charge coupled device）成像系統(tǒng)，將采集到的光譜信息轉(zhuǎn)換為可處理、存儲(chǔ)的電信號(hào)。由于數(shù)據(jù)量龐大，CCD成像系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)之前通常都要經(jīng)過(guò)壓縮處理。在光譜成像儀的研制過(guò)程中，需要這樣一種測(cè)試設(shè)備，它模擬光譜成像儀CCD成像系統(tǒng)，對(duì)外持續(xù)輸出已知數(shù)據(jù)及時(shí)序信號(hào)。通過(guò)將已知的發(fā)送數(shù)據(jù)，和經(jīng)過(guò)壓縮后接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以量化地檢測(cè)數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 0. 系統(tǒng)要求及設(shè)計(jì)思路 　　本文中高速數(shù)據(jù)輸出卡的功能是完成對(duì)光譜成像儀CCD系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出過(guò)程的模擬。光譜成像儀CCD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出格式如下： [align=center] 圖1 光譜成像儀CCD系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出格式[/align] 　　其中，圖象數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)分時(shí)共用數(shù)據(jù)線，在幀正程傳送256（行） x 512（列） x 12bit圖像數(shù)據(jù)，在幀逆程傳送128x12bit輔助數(shù)據(jù)，一幀周期的數(shù)據(jù)共有131200x12bit，而一幅完整的光譜圖象要包含512幀數(shù)據(jù)。系統(tǒng)輸出時(shí)鐘為8.9M Hz，全部輸出信號(hào)為L(zhǎng)VDS電平接口。 　　為達(dá)到模擬效果，要求數(shù)據(jù)輸出卡以相同的數(shù)據(jù)格式及接口，持續(xù)不間斷地對(duì)外輸出數(shù)據(jù);同時(shí)，為測(cè)試后續(xù)數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)所采用壓縮算法針對(duì)不同特性圖像數(shù)據(jù)的有效性，還要求數(shù)據(jù)輸出卡能夠較為方便的更換輸出數(shù)據(jù)。 　　針對(duì)以上系統(tǒng)要求，選用了基于PCI總線的設(shè)計(jì)方案：將要輸出的圖像數(shù)據(jù)文件放置于特定內(nèi)存區(qū)中，作為為數(shù)據(jù)源，根據(jù)計(jì)算機(jī)控制，循環(huán)對(duì)該數(shù)據(jù)文件所在內(nèi)存區(qū)進(jìn)行讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)向外發(fā)送。從而達(dá)到模擬CCD系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出的效果。如果要更換輸出數(shù)據(jù)，只需將新的數(shù)據(jù)重新置入內(nèi)存區(qū)，具有較強(qiáng)的靈活性，使測(cè)試過(guò)程更為簡(jiǎn)潔。 1. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 　　高速數(shù)據(jù)輸出卡的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，PCI總線設(shè)備接口選用專(zhuān)用接口芯片PCI 9054，系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)分別來(lái)自計(jì)算機(jī)所提供的PCI時(shí)鐘和卡自身所帶的8.9M Hz晶振。整個(gè)過(guò)程的時(shí)序控制由可編程邏輯器件完成，由其控制對(duì)PCI 9054產(chǎn)生定時(shí)中斷，PCI 9054響應(yīng)這個(gè)外部中斷，并在PCI總線上對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)出PCI中斷信號(hào)，當(dāng)上位機(jī)檢測(cè)到PCI 9054這個(gè)中斷信號(hào)后，就立即控制PCI 9054以連續(xù)DMA方式從上位機(jī)指定的內(nèi)存區(qū)域讀取數(shù)據(jù)，并向外發(fā)送至大容量FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖。FIFO中的12位的圖象數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)時(shí)鐘、幀同步兩個(gè)時(shí)序信號(hào)經(jīng)過(guò)LVDS驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，發(fā)送至后續(xù)設(shè)備進(jìn)行處理。 [align=center] 圖2 高速數(shù)據(jù)輸出卡硬件結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　在本系統(tǒng)中，將PCI 9054設(shè)定為C工作模式，即32位地址、32位數(shù)據(jù)、總線非復(fù)用工作模式。由于PCI 9054從上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)均發(fā)送到FIFO一個(gè)設(shè)備，因此其Local端地址線不起任何作用，而數(shù)據(jù)線僅選用高12位。此外，在本設(shè)計(jì)中采用串行EEPROM 93LC56B對(duì)PCI 9054進(jìn)行配置，在上電后，PCI 9054自動(dòng)讀取93LC56B中的數(shù)據(jù)，設(shè)置相關(guān)寄存器，完成初始化操作。 　　鑒于本系統(tǒng)高速，大數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，一般常用的FIFO無(wú)法適應(yīng)要求，因此選用了384K x 8 bit的視頻幀存儲(chǔ)器AL422B，作為數(shù)據(jù)緩沖。AL422B由3M位的DRAM組成，工作頻率最高可達(dá)50 MHz，有獨(dú)立的輸入、輸出接口及讀寫(xiě)時(shí)鐘，可同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作;/RE，/WR，/REST及/WRST四個(gè)輸入信號(hào)分別控制AL422B的讀、寫(xiě)與讀指針、寫(xiě)指針復(fù)位操作。本系統(tǒng)中，將兩片AL422B并聯(lián)，擴(kuò)展為384K x 16 bit的FIFO存儲(chǔ)器。 　　整個(gè)過(guò)程的時(shí)序控制由可編程邏輯器件完成，它的工作包括：向PCI 9054發(fā)出定時(shí)中斷信號(hào)，由其向上位計(jì)算機(jī)申請(qǐng)中斷;控制數(shù)據(jù)緩沖器AL422B的讀寫(xiě)時(shí)序，包括其初始化復(fù)位操作;產(chǎn)生PCI 9054所需的時(shí)序信號(hào)。 2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā) 　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括PCI 9054驅(qū)動(dòng)程序與上位機(jī)應(yīng)用程序，圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理（格式轉(zhuǎn)換）程序及可編程邏輯器件CPLD的VHLD程序。在此，僅對(duì)PCI 9054驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)作以簡(jiǎn)要介紹。 　　WinDriver是Jungo公司出品的開(kāi)發(fā)工具包，它支持的總線結(jié)構(gòu)包括PCI/CardBus/ISA/ISAPnP/EISA/CompactPCI和USB，可大大簡(jiǎn)化生成硬件驅(qū)動(dòng)程序和開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的過(guò)程。本次開(kāi)發(fā)使用的是WinDriver 6.03版。 　　WinDriver已經(jīng)內(nèi)置了包括PCI 9054在內(nèi)的多種PCI/USB接口芯片的驅(qū)動(dòng)程序，因此只需將設(shè)計(jì)完成的PCI卡插入計(jì)算機(jī)，然后運(yùn)行Windriver的向?qū)С绦?，并在列表中選擇相應(yīng)的PCI接口芯片，只要硬件接口連接正確，即可生成相應(yīng)的 .inf文件。inf文件包含了設(shè)備類(lèi)型、生產(chǎn)廠商、型號(hào)及拷貝文件的路徑等PCI硬件設(shè)備的信息，通過(guò)inf文件，Windows才可以找到PCI卡并完成對(duì)其驅(qū)動(dòng)程序的安裝。 [align=center] 圖3 使用WinDriver生成PCI卡硬件設(shè)備信息文件（.inf文件）界面[/align] 　　上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)采用用戶模式，其流程圖如圖4所示： [align=center] 圖4 上位機(jī)軟件流程圖[/align] 　　由于AL422B并不象其它通用FIFO那樣能提供數(shù)據(jù)空、半滿、全滿等邏輯信號(hào)，因此只能根據(jù)其數(shù)據(jù)發(fā)送速率、FIFO容量及PCI總線速率，來(lái)設(shè)定一個(gè)定時(shí)中斷。這個(gè)定時(shí)中斷設(shè)定為數(shù)據(jù)輸出卡向外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，約為14.8ms，即數(shù)據(jù)輸出卡每向外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，必定會(huì)從上位機(jī)緩沖區(qū)中讀入一幀數(shù)據(jù)。由于在啟動(dòng)定時(shí)中斷前，數(shù)據(jù)輸出卡已經(jīng)預(yù)先讀取一幀，因此，即便上位機(jī)對(duì)定時(shí)中斷的響應(yīng)有一定延遲，也不會(huì)出現(xiàn)FIFO被讀空的情況。同時(shí)，由于FIFO的深度為384K，近似于3幀的數(shù)據(jù)量，因此也不可能出現(xiàn)FIFO被寫(xiě)滿，而造成數(shù)據(jù)丟失的情況。定時(shí)中斷由卡上的CPLD根據(jù)輸入時(shí)鐘精確產(chǎn)生，在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，程序依次讀取一幅完整光譜圖像中的一幀數(shù)據(jù)，若全部512幀數(shù)據(jù)被讀完，則指針歸零，從頭再次開(kāi)始，以此保證光譜圖像數(shù)據(jù)的循環(huán)發(fā)送。下面給出了中斷服務(wù)程序的部分源代碼。WinDriver針對(duì)PCI 9054芯片，提供了大量API函數(shù)可供調(diào)用，因此使對(duì)PCI 9054的編程操作非常方便。 　　void WINAPI PLX_IntHandlerRoutine（P9054_HANDLE hPlx, P9054_INT_RESULT ＊intResult） ——中斷服務(wù)程序 　　｛ DWORD dwIntStatus; 　　P9054_DMAReadWriteBlock（hPlx,0x0,（PVOID）pBuffer,SEND_BLOCK_SIZE,FALSE,P9054_MODE_WORD,P9054_DMA_CHANNEL_0）; 　　—— 控制PCI 9054以DMA方式從上位機(jī)緩沖區(qū)讀取1幀數(shù)據(jù) 　　if（block_num 　?。?pBuffer=pBuffer+SEND_BLOCK_SIZE; 　　block_num++; 　?。?——每發(fā)送1幀數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)指針向后移動(dòng)一幀的數(shù)據(jù)量，已發(fā)送幀計(jì)數(shù)加1 　　else 　　｛ pBuffer=Buffer; block_num=0; ——512幀發(fā)送完后，指針回零，從而實(shí)現(xiàn)512幀數(shù)據(jù)的循環(huán)讀取 　　｝ 　　…… 　　dwIntStatus = P9054_ReadReg （hPlx, P9054_INTCSR）; 　　P9054_WriteReg （hPlx, P9054_INTCSR, dwIntStatus | 0x00000d00）; 　　——開(kāi)中斷,中斷服務(wù)程序結(jié)束，等待下一次中斷 　?。? 3. 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論 　　將高速數(shù)據(jù)輸出卡安裝在計(jì)算機(jī)上，運(yùn)行應(yīng)用程序，即可使數(shù)據(jù)輸出卡進(jìn)行工作。下圖是通過(guò)示波器采集的數(shù)據(jù)輸出卡上部分信號(hào)的時(shí)序圖。 [align=center] 圖5 PCI高速數(shù)據(jù)輸出卡部分信號(hào)時(shí)序圖[/align] 　　其中，LINTi#為PCI 9054的局域端中斷輸入，由CPLD的定時(shí)中斷信號(hào)產(chǎn)生;INTA為PCI 9054在PCI總線上輸出的中斷請(qǐng)求信號(hào);WE\為數(shù)據(jù)輸出卡上FIFO的寫(xiě)使能信號(hào)，當(dāng)其有效時(shí)，向FIFO寫(xiě)入數(shù)據(jù);INT_EN\為定時(shí)中斷使能信號(hào)，由它控制CPLD開(kāi)始產(chǎn)生定時(shí)中斷。有圖中可看出，在預(yù)讀取一幀數(shù)據(jù)后，定時(shí)中斷使能信號(hào)有效，CPLD開(kāi)始向PCI 9054發(fā)出定時(shí)中斷信號(hào);PCI 9054接收到此信號(hào)后，隨即通過(guò)PCI總線向上位計(jì)算機(jī)請(qǐng)求中斷;在經(jīng)過(guò)延時(shí)后，中斷被響應(yīng);在中斷服務(wù)程序中，數(shù)據(jù)輸出卡從計(jì)算機(jī)內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)，讀取一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間是14.6 ms。 　　由時(shí)序圖中可以看到，數(shù)據(jù)輸出卡讀取一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間（即WE\信號(hào)有效時(shí)間），小于向外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間（即定時(shí)中斷間隔），由此可保證FIFO內(nèi)數(shù)據(jù)不會(huì)被讀空。根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果，可以充分說(shuō)明高速數(shù)據(jù)輸出卡已實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。 　　在高速數(shù)據(jù)輸出卡的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用了專(zhuān)用PCI接口芯片PCI 9054和總線軟件開(kāi)發(fā)工具包WinDriver，能使我們從繁瑣復(fù)雜的PCI協(xié)議和底層驅(qū)動(dòng)程序中擺脫出來(lái)，將更多的精力投入硬件電路設(shè)計(jì)及軟件功能的實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期。目前此卡已用于實(shí)際的測(cè)試工作中，圓滿完成了設(shè)計(jì)要求。 參考文獻(xiàn): 　　[1]. 李貴山，陳金鵬. 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