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摘要
生活中的物理信号大都是模拟信号,然而数字技术的飞速发展要求模拟量和数字量之间的转换。
为了克服ISA总线总线对于这种大量数据转换的速度慢,易造成瓶颈效应等问题,提出了基于PCI总线的数据采集卡,这样不仅能够达到很好的效果,从而也大大简化了电路。
关键词:
ISA,PCI,数据采集卡
引言:
PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。
从结构上看,PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,具体由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口以协调数据的传送。
管理器提供了信号缓冲,使之能支持10种外设,并能在高时钟频率下保持高性能,它为显卡,声卡,网卡,MODEM等设备提供了连接接口,它的工作频率为33MHz/66MHz。
PCI是PeripheralComponentInterconnect(外设部件互连标准)的缩写,它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口,几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。
PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型,在目前流行的台式机主板上,ATX结构的主板一般带有5~6个PCI插槽,而小一点的MATX主板也都带有2~3个PCI插槽,可见其应用的广泛性。
PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。
管理器提供了信号缓冲,使之能支持10种外设,并能在高时钟频率下保持高性能。
PCI总线也支持总线主控技术,允许智能设备在需要时取得总线控制权,以加速数据传送。
方案设计
总体方案图
硬件原理图
PCI接口
在一个PCI应用系统中,如果某设备取得了总线控制权,就称其为"
主设备"
;
而被主设备选中以进行通信的设备称为"
从设备"
或"
目标节点'
'
。
对于相应的接口信号线,通常分为必备的和可选的两大类,为了进行数据处理、寻址、接口控制、仲裁等系统功能,PCI接口要求作为目标的设备至少需要47条引脚,若作为主设备则需要49条引脚。
下面对主设备与目标设备综合考虑,并按功能分组将这些信号表示在图3-1中。
其中,必要的引脚在左边,任选的引脚在右边。
PCI接口定义
基于上述原理,设计PCI接口与FPGA硬件连接,由于本系统不算大,因此不需要32位那么宽的数据位,因此本设计为8位数据总线。
设计原理图如图3-2所示。
PCI接口与FPGA连接图
FPGA系统
FPGA系统由程序下载电路,电源电路,时钟电路,配置芯片以及FPGA芯片组成,其硬件连接如图3-3所示。
其中U4为3.3V稳压芯片,将PCI提供的5V电压稳成3.3V给FPGAI/O口供电。
U3为1.2V稳压芯片,将3.3V电压稳成1.2V给FPGA内核供电。
U2为EPCS配置芯片,保存程序。
U1为FPGA芯片。
选用altera的EP2C8Q208C8N。
X1为外置100M有源晶振,给FPGA提供时钟。
J1和J2分别为JTAG和AS程序下载接口。
FPGA系统电路连接图
32路数字量输入
数字输入,通过光耦隔离后直接通过FPGA的32个I/O接口接收数字量,光耦选择TLP512-4,内置4路线性光耦,也可以用于数字量隔离。
32路数字量共需8片。
其电路图如图3-4所示。
其中P5为数字量输入接口。
图3-432路数字量输入
16路数字量输出
16路数字量直接由FPGA16个I/O口产生,通过光耦隔离后输出,光耦选择TLP512-4,内置4路线性光耦,也可以用于数字量隔离。
16路数字量共需4片。
其电路图如图3-5所示。
其中P3为数字量输出接口。
32路模拟量输入
模拟输入通过线性光耦隔离后,通过AD转换成数字量送入FPGA。
由于路数太多,不可能用32个AD,因此选用4片CD4051多路选择开关,将32路选择成4个8选1,因此需要4个CD4051,4个AD转换器。
AD选择ADS7822,12位高精度AD转换器,采用串行接口,占用FPGAI/O口少。
光耦选择TLP512-4,内置4路线性光耦,可以用于模拟量隔离。
其电路图如图3-6所示。
其中P4为模拟量输入接口。
16路模拟输出
模拟输出采用AD产生模拟量,并通过CD4015转换为8路,再通过电压保持器保持电压。
要输出十六路,需要两片CD4051,16片LF398电压保持器。
DA选用TLV5618,TLV5618是12位高精度DA,有两路输出,采用串行通信,可节约FPGAI/O口。
16路模拟输出中有4路是程控增益,因此还需要程控增益运放。
本设计采用THS7002,THS7002是双通道数字可控增益运放,因此需要2片。
其电路图如图3-7(a)(b)(c)所示。
其中P6为模拟量输出接口。
DA及CD4051电路
16路电压保持电路
4路程控增益及输出接口
16路模拟量输出
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