引言

　　數據采集的實時性和可靠性是關系工業控制系統性 能的重要因素，數據采集系統的速率主要取決于A/D轉換、通信接口和總線傳輸的速率。 TI公司推出的DSP芯片TMS320F2812具有很高的工作頻率和豐富的外設資源，能夠滿足采集系統的實時性要求，同時又降低了系統設計的成本。Compact PCI總線作為PCI總線向工業控制領域的拓展，除了 具備高速的傳輸速率，還具備優良的機械特性和電氣特性。本文研制了一種基于Compact PCI總線的數據采集系統，系統以DSP作為控制核心，可以進行模擬信號采集、并行接口和串行接口的數據信號的采樣。

1 Compact PCI總線簡介

　　Compact PCI總線與PCI標準完全兼容，但作為開放的工業計算機標準，Compact PCI總線與PCI總線有很多不同。主要體現在：

　　(1) Compact PCI總線具有熱切換能力，可以使整個系統在不斷電的情況下，更換損壞的插板，這對于有高可靠性要求的系統是至關重要的。

　　(2) Compact PCI總線采用歐式插卡(Eurocard)，具有更好的機械特性。歐式插卡的組裝技術目前已經十分成熟，插卡垂向而平行的插入機箱，有利于通風散熱;采用插入式電源模塊，便于維修，適合于安裝在標準化工業機架上。

　　(3) 使用高密度針孔總線連接器，完全氣密，比臺式機的PCI插槽具有更高的抗震性能和可靠性。

　　(4) Compact PCI底板可以容納8塊插卡，比原有的PCI規范增加了一倍，更能滿足工業系統的需要。

2 采集系統硬件結構設計

　　在工業控制系統中，采集系統一方面需要把電機轉速、電流環等模擬參數傳送到監控主機，另一方面需要對下位機的各種參數和圖像數據進行采集，同時監控主機還要對下位機發送各種控制信號。為了兼顧各種需要，設計中集合了模擬和數字兩種采集方式，可以實現8路A/D采樣，2路串行數據采集和2路并行數據采集，系統的結構框圖如圖1所示。

　　圖1 采集系統結構框圖

　　采集系統以數字信號處理芯片TMS320F2812作為控制核心，F2812最高工作頻率可達150MHz，除了豐富的內部存儲器資源外，還具有 ADC，SCI、SPI等多種外設資源，設計中利用了其ADC和SCI模塊來進行模擬信號和串行數字信號的采集。對并行數據的采集則不通過DSP而直接與 主機進行數據交換。由于主機與外設速度不匹配，選用雙口RAM芯片IDT70V24作為數據緩存，它是一種高速度、低功耗的雙口RAM，存儲量為8k字 節。系統的邏輯控制采用CPLD芯片XC95108完成，它主要負責的功能是PCI局部總線仲裁和地址譯碼。三種采集模塊的實現如下：

　　(1) A/D采集模塊。對模擬信號的采樣使用了F2812自帶的數模轉換模塊ADC，該ADC具有16路模擬輸入通道，帶有兩路內置S/H(抽樣保 持器)，轉換精度為12bit，最大轉換速率為12.5MSPS，支持范圍在0～3 V的數據輸入。16路輸入通道在ADC內部共用1個模數轉換器，它們 被分位兩組，每組8路通道，使用排序器Sequencer來設定每路通道占用模數轉換器的順序。設計中使用了其中8路通道 (ADCIN0～ADCIN7)。

　　(2) 串行數據采集模塊。F2812的SCI模塊具有兩路串行通信接口，可配置成65536種不同的波特率，具有奇偶校驗標志，可工作于半雙工或者全雙工模式，可設置成中斷或者查詢方式。另外，SCI還具有兩個增強性能：①發送、接收都具有獨立的FIFO，FIFO深度為16個字，觸發級可以配置為 16以內的任何數。這種靈活的設置對實際使用非常方便，因為下位機采集的數據長度往往不是16的整數倍，根據其數據長度設定FIFO觸發級，可以使一幀數 據及時被傳輸和處理;②可以實現波特率自動檢測，這在未知通信終端波特率或者需要更換通信終端的情況下非常適用。下位機與監控主機的通信采用RS-422 接口，傳輸距離遠，抗干擾能力強。RS-422傳輸使用的是差分電平，而SCI的輸入輸出管腳是TTL電平，需要進行電平轉換，設計種選用了符合RS- 422標準的電平轉換芯片MAX3461。

　　(3) 并口通信模塊。對于圖像信號等數據傳輸量大的信號，需要使用并口通信的方式。本采集系統提供兩路并口，數據寬度為8位，地址寬度為8位，它們通過雙口RAM與主機進行數據交換。

3 Compact PCI接口設計

　　3.1 CPCI橋接芯片

　　目前，很多PCI協議芯片同時也支持熱交換，使得原有的基于PCI總線的硬件系統可以很容易地移植到CPCI構架下，而不需要在硬件和軟件上做大的修改。本設計選用的是PLX公司推出的PCI9054，符合PCI 2.2規范和CPCI 2.1熱交換規范。

　　針對CPCI的熱交換規范，PCI9054提供了管腳ENUM#和LEDon/LEDin，ENUM#的激活表明板卡的插拔狀態即將發生改變，LEDon/LEDin管腳用于驅動外部LED，指示當前系統軟件層連接和斷開的情況。PCI9054還提供了熱交換控制寄存器HS_CSR用來記錄 板卡插拔狀態并控制指示燈狀態。HS_CSR的定義表1所示。