基于PCI总线的激光打标控制卡的研制Word文件下载.docx
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通过实际测试,该控制卡顺利完成了FIFO的数据缓冲、模拟量输出、定时脉冲信号、数字量输入输出等功能,并与通用PCI模拟量输出卡进行了比较,验证了本次设计的合理正确性,达到了预期的设计效果。
关键词:
激光打标;
PCI总线;
VxD;
FIFO;
可编程逻辑器件
Abstract
Lasermarkingisamostadvancedtechnologyandmoreandmorebecomeaneffectivemethodforindustrialproductmarkatpresenttime.ThePCILocalBusisahighperformance,32-bitor64-bitbuswithmultiplexedaddressanddatalines.ThedesigncombinedthelasermarkingtechnologywithPCILocalBusinalasermarkercontrollercard,whichplaysanimportantroleinacomputercontrolledlasermarkersystem.
ThedesignofalasermarkercontrollercardbasedonPCIbus,includinghardwaredevelopmentanddriveprogram,isdiscussedinthepaper.ThebasicconfigurationofPCIbusisintroduced,aswellasPCI9052,thecorecomponentinthecard,whichperformsthecontrolofPCIinterface.Theaccessionofadata-bufferstorageisaneffectivemeasuretoimprovethereliabilityofdatatransfer.Inthispaper,thedataistransferredviathePCI9052directdatatransfer,toaFIFO.Theinterfacecircuitandtimelogicofotherchipsthatcomposethecardarealsoinferred.CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice),whichisdesignedtocontrolthetimelogicofthewholecard,isdescribedwiththeschematicsorVHDLsourceprogram.Attheendofthepaper,thedesignofPCBandthedevelopmentofdriverprogramVxDarementioned.
Inthepracticalmeasurement,thedesignedcardhasachievedthesefunctionssuchasdatabuffer,D/Aoutput,timepulseoutputanddigitalinput/output.ComparedwiththegeneralD/AoutputcardbasedonPCIbus,thedesignisprovedtobeasuccessandtheperformancemeetstheexpectations.
Keywords:
Lasermarker;
PCIbus;
VxD;
FIFO;
CPLD
目录
摘要i
Abstractii
第一章引言1
1.1激光打标概述1
1.2激光打标系统的一般组成1
1.3目前激光打标的几种控制方式2
1.3.1单片机控制的激光打标系统2
1.3.1计算机和单片机相结合控制的激光打标系统3
1.3.3计算机控制的激光打标系统4
1.4项目背景、任务和实现4
第二章PCI局部总线6
2.1PCI总线的特点6
2.2PCI总线信号定义7
2.2.1系统信号定义7
2.2.2地址和数据信号8
2.2.3接口控制信号8
2.2.4仲裁信号9
2.2.5错误报告信号9
2.2.6中断信号9
2.2.7其它可选信号9
2.3PCI总线协议基础10
2.3.1PCI的编址10
2.3.2PCI总线的管理规则11
2.4PCI总线的操作11
2.4.1总线上的读操作11
2.4.2总线上的写操作12
2.5PCI配置空间13
2.5.1PCI配置空间的组成13
2.5.2预定义区域的结构14
2.5.3设备定义区域的若干功能15
第三章PCI总线接口芯片PCI905217
3.1PCI9052的功能描述17
3.2PCI9052的信号描述18
3.3寄存器设置20
3.3.1PCI配置寄存器组20
3.3.2LOCAL总线配置寄存器组20
3.4配置21
3.5直从操作(DirectSlaveOperate)23
第四章控制卡的配置与设计24
4.1控制卡的总体设计24
4.1.1激光打标机的基本要求24
4.1.2控制卡的配置25
4.1.3数据实时传输思想25
4.2PCI9052的接口设计25
4.2.1NV存储器接口及配置25
4.2.2I/O引脚的连接26
4.3高速FIFOIDT7228527
4.3.1IDT7228527
4.3.2FIFO电路设计28
4.4并口数模转换芯片DAC774128
4.4.1DAC7741的特点29
4.4.2DAC7741的电路设计29
4.5可编程逻辑器件EPM7128S30
4.5.1EPM7128S功能概述30
4.5.2JTAG接口及程序下载31
4.6数字量输入输出电路31
4.6.1光电隔离输入31
4.6.2数字量输出电路32
第五章逻辑控制电路的设计33
5.1时钟发生器33
5.2PCI9052局部总线接口设计33
5.2.1地址锁存器设计33
5.2.2地址信号译码设计34
5.2.3LRDYi#信号设计34
5.3FIFO和数模转换的控制36
5.3.1FIFO的写控制36
5.3.2FIFO的读和DAC的写控制37
5.4数字量的输入输出38
5.4.1数字量输入38
5.4.2数字量的输出39
5.5中断发生器39
5.6打标速度和光强控制39
第六章控制卡的PCB设计41
6.1高速数字电路设计41
6.1.1传输线效应41
6.1.2高速电路设计技术42
6.2控制卡的PCB设计43
6.2.1PCI卡的引脚分配43
6.2.2电源要求44
6.2.3物理要求45
6.2.4控制卡的PCB设计45
第七章控制卡驱动程序设计46
7.1VxD简介46
7.1.1VxD的文件结构46
7.1.2VxD的数据结构47
7.1.3VxD的消息处理47
7.1.4VxD的运行机制48
7.2PCI控制卡驱动程序VxD的设计49
7.2.1即插即用(PnP)49
7.2.2VxD与应用程序间的通信51
7.2.3中断处理52
7.3设备信息文件52
第八章硬件测试及结果分析54
8.1测试程序设计54
8.2测试结果对比54
8.3结果分析55
结论56
参考文献58
研究生期间发表的论文61
致谢62
第一章引言
1.1激光打标概述
二十世纪七十年代末八十年代初,一项崭新的激光加工应用技术-激光打标技术在国际上悄然兴起。
激光打标是目前国际上工业产品标记的最先进技术,已经日益成为一种有效的标记加工方法,在各行各业正得到越来越广泛的运用。
它是利用高能量密度的激光束在金属、非金属表面打出各种文字、符号、图案及条形码,以制作永久性商标、标记、工艺品等。
它与传统的加工方法(腐蚀、电火花加工、机械刻划、印刷等)相比,具有应用范围广、打标速度快、性能稳定、质量高、运行成本低、环境污染小、易于用计算机控制及与其它设备实现同步运转等优点[1]。
因此,激光打标已经成为激光的重要应用领域之一。
1.2激光打标系统的一般组成
激光打标系统是综合激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于一体的机电一体化设备。
它主要是由激光器、光学系统和插补器、执行机构-步进电机、打标图形输入设备-计算机等组成[2]。
图1-1激光打标系统的组成
1)图形输入设备
激光打标的标记符号或图形等,要通过图形输入设备来完成。
输入方式可以来源于计算机的作图软件,也可以是用户输入的各种图形指令。
2)插补器
打标就是将激光束按一定的轨迹移动,形成所需要的图形、图像。
激光束的移动就是靠插补器的计算来完成的。
插补计算就是按给定的基本数据(如直线端点的坐标)来插补中间坐标数据,从而把线条形状描述出来的一种计算。
目前插补计算多由计算机来完成,计算机数控已成为控制系统发展的主流。
3)步进电机
在激光打标中,插补器的输出直接或间接地控制步进电机转动,步进电机的角位移最后转换为激光束在两轴、三轴或多轴上移动。
步进电机在系统中是打标这个开环系统的执行机构,但步进电机本身的特性-启动频率和运行频率等会影响打标精度,所以在应用程序的编程上需要优化,以减少或消除这些因素的影响。
4)激光器
由于激光具有单色性、相干性、方向性和高光性等性质,可以形成高能量密度的细光束,于是将激光应用在打标上。
目前激光打标主要是使用CO2和掺钕的钇铝石榴石(Nd:
YAG)激光器两种。
激光器在使用时要考虑激光的单色波长、时间特性、功率因素。
波长越短,聚焦越细,激光的能量就越集中[3]。
5)光学系统
激光器输出的激光需经光学系统传输和处理,以满足不同的加工要求。
光学系统主要由聚焦系统和导光系统组成。
步进电机和光学系统组成示意图如图1-2[4]所示。
图1-2步进电机和光学系统示意图
1.3目前激光打标的几种控制方式
1.3.1单片机控制的激光打标系统
单片机控制模式的结构如图1-3所示,主要由单片机控制器、步进电机驱动电路、输入显示电路等组成[5],该模式主要是利用单片机来控制激光打标。
矢量的插补控制、点阵打标都由单片机完成,并输出激光器的控制信号。
打标内容的输入只能通过键盘以指令的形式输入,或将要打标的内容作为常用数据随程序写入到程序存储器中固化下来。
这种控制模式虽然价格低廉,但因为打标标记的图形输入困难,打标仅限于简单的直线、圆、椭圆等较规则的图形,或者是一些固定的字符和汉字。
由于单片机不论是运算能力、运算速度还是内部资源都明显比不上计算机,所以对于矢量图形的打标只能采用简单的插补算法[6]-[7],这样打标精度降低,如果采用复杂的算法,则打标速度降低。
图1-3单片机控制的激光打标系统
1.3.1计算机和单片机相结合控制的激光打标系统
为了解决单片机控制的打标系统的打标标记的图形输入困难的问题,出现了一种单片机和计算机结合控制的激光打标系统。
该模式的结构如图1-4所示。
其基本结构与单片机控制的打标系统一致,只是增加了作为图形输入设备的计算机,计算机和单片机之间通过串口或其它通信方式传递图形文件。
这种激光打标系统与单片机控制的打标系统相比,增加了计算机图形输入,可以输入较复杂的图形。
而且图形输入只是打标前进行串口传输,打标时同单片机控制的打标系统完全一致。
所以多台打标机只需共用一台计算机,这是这种模式的最大优点。
但是它同单片机控制的系统一样,仍存在打标精度不高、打标速度较慢的不足。
图1-4单片机和计算机控制的激光打标系统
1.3.3计算机控制的激光打标系统
采用计算机控制激光打标这种模式,系统主要由计算机、接口电路卡、驱动电路等组成,其结构如图1-5[8]-[13]所示。
计算机的功能是:
完成打标内容的输入和打标控制算法,产生步进电机转动所需的电信号和激光器出光控制信号,这些信号送到计算机主板上的接口卡,以实现信号的锁存、速度的匹配、传输的驱动等。
该模式的好处是:
可以充分利用计算机的强大功能,在计算机上用制图软件(如AutoCAD)制作精密、复杂的图形、图像;
由于计算机速度快、运算能力强,可以采用复杂且精度高的插补算法;
控制过程比较容易。
当然,该模式每个系统需要配备一台计算机,同前两种打标模式相比,增加了计算机的成本,但是,从打标机在工作中的效率来看,因为打标速度更快,单位时间的打标工件的数量多,在高速自动化打标系统中,其占有更大的优势。
而且打标精度高,对提高产品的质量上产生好的影响。
从长远来看,计算机控制的激光打标系统具有更低的投资成本。
本论文讨论的激光打标系统就是采用了计算机控制的打标系统。
图1-5计算机控制的激光打标系统
1.4项目背景、任务和实现
激光打标控制系统是湖北光通公司的一个项目。
该系统主要是解决原系统中存在的一些问题。
原系统由计算机、ISA控制卡以及激光打标机组成。
现ISA逐渐被PCI所取代,很多计算机主板已经不再有ISA插槽,原来板卡需要向PCI总线卡升级。
激光打标系统已经有PCI总线板卡方面的研究[4][14],但它实际上还是计算机和单片机相结合控制的激光打标系统,只不过把单片机或DSP放到板卡之上了。
另外原板卡存在一个技术问题:
在Windows多任务操作系统运行中,容易出现数据非实时传输,这在某些实时要求很高的应用场合,可能导致非常严重后果,比如雷管打标情况下,其打标要求非常高[15],如果实时性不好会出现定点打标导致雷管爆炸。
为了维护客户的利益,在产品升级中达到可部分替换的要求,设计中尽量只修改扩展板卡及部分与之的接口。
所以本设计的主要任务,一是对板卡进行升级,把ISA卡升级为PCI卡,以便于适用于计算机主板插槽的要求。
二是解决数据传输实时性的问题。
在实现时,依据打标机的信号要求设计PCI板卡,同时考虑到数据实时性传输,在PCI板卡上设置数据缓冲器,板卡上的定时器以设置的速度把缓冲器的数据向打标机传输,这样实际的传输数据是由板卡上的定时器控制,解决了Windows多任务系统的数据传输的非实时问题。
设计中采用FIFO作为缓冲器,以CPLD实现时序逻辑控制FIFO的数据写入和读出并传输给打标机。
对于PCI扩展板,需要相应的设备驱动程序来实现PCI板设备与操作系统、应用程序之间的通信。
本设计编写了基于Windows98操作系统的设备驱动程序VxD。
第二章PCI局部总线
PCI的英文全称为:
PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup,简称PCISIG,即外设部件互连。
PCI总线支持64位数据传送、多总线主控和线性突发方式(Burst),是微机系统上处理器/存储器与外围控制部件,外围附加板之间的互连机构。
从1993年PCI局部总线标准推出到现在,PCI总线以优异的性能逐步取代了ISA、EISA等总线,成为当今总线发展中的主流。
2.1PCI总线的特点
1、突出的数据传输性能
PCI局部总线以33MHz的时钟频率操作、采用32位数据总线,可支持多组外围部件及附加卡。
数据传送率可高达132MB/s,远远超过标准ISA总线的5MB/s速率。
支持64位地址/数据多路复用,可将系统的数据传输速率提高到264MB/s。
PCI支持线性突发传输的数据模式,可确保总线不断满载数据。
外围设备一般会由内存某个地址顺序接收数据。
线性突发传输能够更有效地运用总线的带宽去传输数据。
2、兼容性强
由于PCI的设计是要辅助现有的扩展总线标准,因此它与ISA、EISA及MCA总线完全兼容。
PCI总线部件和插卡的设计独立与处理器,形成了一种独特的中间缓冲设计方式,将中央处理器子系统与外围设备分开,所有现在和将来的处理器都能被很好的支持。
PCI局部总线不只是为标准的台式电脑提供合理的局部总线设计,同时也适用于便携式电脑和服务器。
PCI总线定义了3.3V和5V两种信号环境,5~3.3V的组件技术可以使得电压平稳过渡。
3、即插即用
每个PCI设备上都有配置空间能实现自动配置,使得系统BIOS和操作系统的系统层软件能自动配置PCI总线部件和插卡。
4、总线主控和同步操作
PCI总线接口芯片可以主控总线,任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线,以执行高优先级的任务。
独特的同步操作功能可以保证CPU和总线主控同时操作,不必等待后者的完成。
5、是放眼未来的标准
PCI局部总线既迎合了当今的技术要求,又能满足未来的需要。
其高性能、高效率及与现有标准的兼容性使得它还具有充裕的发展潜力。
PCI的潜力为我们将来的产品升级提供了方便。
2.2PCI总线信号定义
PCI局部总线的信号按功能分组如图2-1[16]所示。
图2-1PCI局部总线信号
2.2.1系统信号定义
CLK:
系统时钟信号。
对于所有PCI设备都是输入信号。
其频率最高可达33MHz,最低为0Hz(DC),这一频率称为PCI的工作频率。
对于PCI的信号,除RST#、IRQB#、IRQC#之外,其它信号都是在CLK的上升沿有效(或被采样)。
RST#:
复位信号。
用来使PCI专用的特性寄存器和定序器相关的信号回复到规定的初始状态。
2.2.2地址和数据信号
AD[31:
0]:
地址/数据复用的输入/输出信号。
在FRAME#有效时,是地址期;
在IRDY#和TRDY#同时有效时,是数据期。
一个PCI总线的传输中包含了一个地址期和接着的一个或多个(突发)数据期。
地址期为一个时钟周期,该周期中AD[31:
0]线上含有一个物理地址。
对于I/O操作,它是一个字节地址;
对于存储器或配置操作,则是双字地址。
在数据期,AD[7:
0]为最低字节,AD[31:
24]为最高字节。
当IRDY#有效时表示写数据稳定有效,而TRDY#有效时表示读数据稳定有效。
C/BE[3:
总线命令和字节使能多路复用信号线。
在地址期间,这四条信号线上传输的是总线命令;
在数据期内,它们传输的是字节使能信号,用于来表示在整个数据期中,AD[31:
0]上哪些字节为有效数据。
2.2.3接口控制信号
FRAME#:
帧周期信号。
由当前主设备驱动,表示一次访问的开始和持续时间。
FRAME#的有效预示着总线传输的开始;
在其存在期间,意味着数据传输继续进行;
FRAME#失效后,是传输的最后的一个数据期。
IRDY#:
主设备准备好信号。
该信号的有效表明发起本次传输的设备能够完成一个数据期。
它与TRDY#配合使用,二者同时有效,数据方能完整传输,否则为等待周期。
在读周期时,该信号有效,表示数据变量已经在AD[31:
0]中;
写周期时,该信号有效表示从设备已经做好接收数据的准备。
TRDY#:
从设备准备好信号。
该信号有效表示从设备已经做好了完成当前数据传输的准备工作,也就是说,可以进行相应的数据传输。
同样,该信号要与IRDY#配合使用,二者同时有效,数据才能完整传输,否则为等待周期。
在写周期内该信号有效表示从设备已经做好了接收数据的准备;
在读周期内,该信号有效表示有效数据已提交到AD[31:
0]中。
STOP#:
停止数据传送信号。
当它有效时,表示从设备要求主设备终止当前的数据传输。
该信号由从设备发出。
IDSEL:
初始化设备选择信号。
在参数配置读和配置写传输期间,用作片选信号。
DEVSEL#:
设备选择信号。
该信号有效时,表示驱动它的设备已成为当前访问的从设备。
换言之,它的有效说明总线上某处的某一设备已被选中。
2.2.4仲裁信号
REQ#:
总线占用请求信号。
该信号一旦有效即表明驱动他的设备要求使用总线。
它是一个点到点的信号线,任何主设备都有其REQ#信号。
GND#:
总线占用允许信号。
用来向申请占用总线的设备表示,其请求已经获得批准。
这也是一个点到点的信号线,任何主设备都有其REQ#信号。
2.2.5错误报告信号
为使数据传输可靠、完整,PCI局部总线标准要求,所有挂于其上的设备都具有错误报告线。
PERR#:
数据奇偶校验错误报告信号。
但该信号不报告特殊周期中的数据奇偶错。
一个设备只有在响应设备选择信号(DEVSEL#)和完成数据期后,才能报告一个PERR#。
对于每个数据接收设备,如果发现数据有错误,将在数据接收后的两个时钟周期内将PERR#激活。
SERR#:
系统错误报告信号。
该信号的作用是报告地址奇偶错、特殊命令序列中的数据奇偶错,以及其它可能引起灾难性后果的系统错误。
2.2.6中断信号
PCI局部总线中共有四条中断线,分别为:
INTA#、INTB#、INTC#和INTD#,均为漏极开路。
其作用是用以请求一个中断。
对于单功能设备,只有一条中断线INTA#。
而多功能设备最多可有四条中断线。
2.2.7其它可选信号
1、
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