基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動程序設(shè)計

1、基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動程序設(shè)計摘要介紹了一種基于pi總線的高速數(shù)據(jù)采集卡硬件及其d驅(qū)動程序設(shè)計方法，詳細(xì)說明了計算機(jī)通過驅(qū)動程序與數(shù)據(jù)采集卡硬件進(jìn)展高速數(shù)據(jù)交換的方法，利用driverrks完成了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸要求的d驅(qū)動程序設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡與主機(jī)內(nèi)存之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膁a方法。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集；d；pi；driverrks；da1引言pi總線機(jī)械特性上有ve總線的鞏固特性，在數(shù)據(jù)傳輸方面采取與pi一致的傳輸方法。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，總線數(shù)據(jù)傳輸才能要求強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用pi總線，極大進(jìn)步了數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳輸才能。為了充分發(fā)揮pi總線數(shù)據(jù)傳輸快、高可靠的優(yōu)勢，要解決好基于p

2、i總線的數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)主機(jī)之間的通信問題。inds2000操作系統(tǒng)對pi總線提供良好的支持，該操作系統(tǒng)下，驅(qū)動程序的編寫基于一種新的驅(qū)動模型d(indsdriverdel)，d為inds98/2000/xp操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計提供了統(tǒng)一的框架。本文介紹的基于pi總線的高速數(shù)據(jù)采集卡用于某數(shù)字化儀digitizer中，借助用driverrks開發(fā)的d設(shè)備驅(qū)動程序，用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)采集卡之間互相通信，實現(xiàn)主機(jī)命令的即時傳送和板卡采集數(shù)據(jù)的高速傳輸。2硬件系統(tǒng)設(shè)計針對不同的應(yīng)用要求，pi接口卡設(shè)計采用的設(shè)計方案，一是使用pi專用接口芯片與fpga相結(jié)合的方案，專用接口芯片完成從pi總線

3、到本地用戶總線的轉(zhuǎn)接；fpga靈敏的轉(zhuǎn)換邏輯時序，以適應(yīng)不同的外設(shè)時序要求；二是采用可編程邏輯器件實現(xiàn)通用pi總線接口，很多消費可編程邏輯器件的廠商都提供經(jīng)過嚴(yán)格測試的pi接口功能模塊，由用戶進(jìn)展簡單的組合設(shè)計即可?？紤]到開發(fā)周期，本pi數(shù)據(jù)采集卡采用前一種設(shè)計方法，用pi專用接口芯片實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。本數(shù)據(jù)采集卡pi接口芯片選用plx公司的pi9054，pi9054提供兩個獨立的可編程da控制器，有兩個da通道，每個通道均支持blk(塊傳輸)和satter/gather(散/集傳輸)的da方式，pi總線端支持32位/33hz；本地端可編程實現(xiàn)8、16、32位數(shù)據(jù)寬度，傳輸速率最高

4、可到達(dá)132字節(jié)/秒。本地總線端時鐘最高可達(dá)50hz，支持復(fù)用j形式和非復(fù)用的32位地址/數(shù)據(jù)形式。pi9054工作方式有：直接主形式，直接從形式和da形式。直接主形式由本地處理器訪問pi總線上的i/接口和計算機(jī)內(nèi)存資源，本地處理器發(fā)起數(shù)據(jù)的傳輸。直接從形式指pi總線作為主控設(shè)備發(fā)起對本地總線資源的訪問，包括對本地處理器的控制和對本地內(nèi)存的訪問。da形式支持pi總線與本地總線之間的突發(fā)傳輸。pi9054實現(xiàn)了pi總線到部分端總線的轉(zhuǎn)接，用該芯片做設(shè)計時，不必對pi標(biāo)準(zhǔn)作全面深化理解，方便用戶在設(shè)計時專注于詳細(xì)功能的實現(xiàn)。本設(shè)計中pi9054設(shè)置為非復(fù)用的32位地址/數(shù)據(jù)，即形式，采用直接從形式

5、和da方式分別傳輸主機(jī)命令和數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)；可編程邏輯器件fpga里邊配置一個fif作為緩沖器，當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送命令時，fif作為命令數(shù)據(jù)的緩沖器，命令數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，引起dsp的一個中斷，dsp從fif里讀出命令數(shù)據(jù)，對命令解析，完成實際的硬件操作；當(dāng)主機(jī)要讀取數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)時，dsp對sra中數(shù)據(jù)作預(yù)處理，上傳到fpga里邊配置的fif中，這時fif作為數(shù)據(jù)采集卡上傳數(shù)據(jù)的緩沖器，當(dāng)fif數(shù)據(jù)滿時，引起pi中斷，通知上層應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)。eepr中存放設(shè)備號，廠商號以及本地總線的基地址空間，i/空間，中斷控制信號等信息，初始化時，系統(tǒng)將eepr配置參數(shù)裝入pi配置存放器

6、，并根據(jù)本地總線對內(nèi)存，i/端口和中斷的需求統(tǒng)一劃分，自動分配系統(tǒng)資源。3數(shù)據(jù)采集卡d驅(qū)動程序設(shè)計3.1d模型(indsdriverdel)簡述d模型(indsdriverdel)是微軟公司為inds98和inds2000的驅(qū)動程序設(shè)計的一種架構(gòu)，在d驅(qū)動程序模型中，每個硬件設(shè)備至少有兩個驅(qū)動程序。其中一個為功能驅(qū)動程序，它理解硬件工作的所有細(xì)節(jié)，負(fù)責(zé)初始化i/操作，處理i/操作完成時所帶來的中斷事件，為用戶提供與設(shè)備相合適的控制方式；另一個驅(qū)動程序為總線驅(qū)動程序，它負(fù)責(zé)管理硬件與計算機(jī)的連接，總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)提供。ind2000系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖2所示，應(yīng)用程序調(diào)用inds子系統(tǒng)in32a

7、pi，這個調(diào)用由系統(tǒng)效勞接口作用到i/管理器，i/管理器進(jìn)展必要的參數(shù)匹配和操作平安性檢查，然后由這個懇求構(gòu)造出適宜的irp(i/requestpakage)。irp是ddk定義的一個數(shù)據(jù)構(gòu)造，具有豐富的成員，對于單層驅(qū)動程序，直接承受并執(zhí)行這個懇求包，完成對硬件的操作，從而完成i/懇求工作，并將執(zhí)行的結(jié)果通過i/管理器返回應(yīng)用程序；對于多層驅(qū)動那么將驅(qū)動程序分成假設(shè)干層，每層驅(qū)動再把i/懇求劃分成更簡單的懇求，以傳給更下層的驅(qū)動執(zhí)行。圖2inds2000系統(tǒng)構(gòu)造3.2驅(qū)動程序設(shè)計實現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序完成以下功能：應(yīng)用程序控制數(shù)據(jù)采集卡工作方式，向數(shù)據(jù)采集卡工作方式緩沖器發(fā)送工作方式控制字

8、；應(yīng)用程序查詢數(shù)據(jù)采集卡工作狀態(tài)，從數(shù)據(jù)采集卡工作狀緩沖器讀取工作狀態(tài)字；為了使應(yīng)用程序能實時處理數(shù)據(jù)采集卡上采集到的數(shù)據(jù)，sra與主機(jī)內(nèi)存之間要實現(xiàn)da方式的數(shù)據(jù)傳輸。采用v+ddk+driverrks進(jìn)展驅(qū)動程序開發(fā)，driverrks為驅(qū)動程序開發(fā)提供向?qū)В梢苑奖愕慕⒁粋€驅(qū)動程序框架。下面分別說明控制命令和da方式傳輸數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法。1)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集卡控制命令實現(xiàn)driverrks利用keryrange和kirange實現(xiàn)內(nèi)存和i/映射空間的讀寫，通過配置eepr，將pi9054的base2空間設(shè)定為一個內(nèi)存映射空間，部分端fpga上配置的fif地址空間映射到該內(nèi)存空間，這樣對f

9、if的訪問，就是訪問base2空間。驅(qū)動程序中，創(chuàng)立對象keryrange_eryrangefrb2，并在nstartdevie(kirpi)例程中對該對象初始化，使該對象與base2空間關(guān)聯(lián)，初始化以后，驅(qū)動程序其他例程就可以使用對象_eryrangefrb2，調(diào)用keryrange類的成員函數(shù)ind、in、inb、utd、ut、utb完成對pi9054base2空間的雙字、字、字節(jié)的輸入輸出操作，也就是對數(shù)據(jù)采集卡fpga里邊f(xié)if雙字、字、字節(jié)的輸入輸出操作。對i端口的訪問類似，只是使用的是kirange類來完成。需要注意的是pi9054base0、base1固定設(shè)置為內(nèi)存映射空間和i/

10、映射空間，用于pi9054內(nèi)部存放器的訪問，base2、base3用戶自己根據(jù)eepr配置來設(shè)定為內(nèi)存映射空間或者i/0映射空間。在驅(qū)動程序設(shè)計過程中，經(jīng)常需要設(shè)置和查詢pi9054內(nèi)部存放器，訪問pi9054內(nèi)部存放器，要用到base0或base1空間，本設(shè)計中，對pi9054內(nèi)部存放器訪問利用base1，即i映射空間，比方：pi9054da通道0傳輸字節(jié)數(shù)存放器偏移為0 x8，假設(shè)要設(shè)定da通道0一次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，可以通過初始化了的kirange對象_irange0的成員函數(shù)utd來實現(xiàn)。下面以主機(jī)由驅(qū)動程序向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送工作方式控制字為例，說明keryrange成員函數(shù)訪問硬件的方法，

11、代碼中_eryrangefrb2為keryrange對象，用于base2空間的訪問。ntstatusdzdevie:dzdriver_itl_rite_handler(kirpi)ntstatusstatus=status_suess;pulngpbuffer=(pulng)i.itlbuffer();/輸入?yún)?shù)ulng_ffset=*pbuffer;/控制字存放器在部分地址空間上的偏移ulng_data=*(pbuffer+2);/控制字_eryrangefrb2.ut(_ffset,_data);/向存放器寫控制字i.infratin()=sizef(ulng);/本次操作傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)re

12、turnstatus;驅(qū)動程序控制字寫函數(shù)中，首先獲得從應(yīng)用程序傳遞的偏移地址和控制字的指針，偏移地址和控制字存儲在irp的assiatedirp域中systebuffer指針指向的緩沖區(qū)，驅(qū)動程序先獲得指向該緩沖區(qū)的指針，然后分別獲得偏移地址和控制字，最后向該偏移地址寫控制字，程序執(zhí)行后，即向硬件上的存放器寫入了相應(yīng)的控制字。2)da方式讀取fpga上fif數(shù)據(jù)實現(xiàn)driverrks提供了3個類kdaadapter、kdatransfer、kndabuffer用于實現(xiàn)da操作，kdaadapter類用于建立一個da適配器對象，說明da通道特性和提供串行化訪問的效勞；kdatransfer類用

13、于啟動，控制da的傳輸以及da傳輸完畢后數(shù)據(jù)由公用緩沖區(qū)拷貝靠應(yīng)用程序數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；kndabuffer類用于申請系統(tǒng)提供的公用緩沖區(qū)。driverrks中，實現(xiàn)da傳輸過程如圖3所示。首先在設(shè)備啟動例程(nstartdevie)中創(chuàng)立一個kdaadapter類實例且在適配器對象描繪表中正確描繪適配器對象；創(chuàng)立一個kndabufer類實例，調(diào)用該類的成員函數(shù)initialize初始化公用緩沖區(qū)大??；創(chuàng)立一個kdatransfer類實例，并初始化為使用公用緩沖區(qū)作為da數(shù)據(jù)區(qū)。然后編寫kdatransfer回調(diào)函數(shù)ndaready，回調(diào)函數(shù)中,先調(diào)用成員函數(shù)bytereaining(),判斷數(shù)據(jù)是

14、否傳輸完成。假設(shè)完成，那么調(diào)用函數(shù)terinate()完成相應(yīng)當(dāng)irp；未完成，那么調(diào)用gettransferdesripters()，獲取當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)的物理地址，傳輸字節(jié)數(shù)，然后進(jìn)入startda例程設(shè)置pi9054的da存放器，開場真正數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)前段傳輸完成時，pi9054的da中斷控制器產(chǎn)生一個da中斷，進(jìn)入中斷效勞例程isr，中斷效勞例程中，首先判斷是否為da通道的中斷，然后制止本次中斷，再去除本次中斷，最后連接到延時過程調(diào)用(dp)。延時過程調(diào)用(dp)中，調(diào)用kdatransfer類的ntinue()成員函數(shù),繼續(xù)下一個段傳輸，直到da數(shù)據(jù)傳輸完畢，完成該irp。3.3驅(qū)動程序和

15、應(yīng)用程序之間的通信驅(qū)動程序和應(yīng)用程序之間的通信包括應(yīng)用程序與驅(qū)動程序通訊和驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的通信。應(yīng)用程序與驅(qū)動程序通信過程為，應(yīng)用程序先用reatefile函數(shù)翻開設(shè)備，然后用devieintrl和驅(qū)動程序通信，devieintrl使用不同的命令字來調(diào)用驅(qū)動程序中的函數(shù)，包括從驅(qū)動驅(qū)動程序讀取數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)給驅(qū)動程序兩種情況。也可以用readfile從驅(qū)動中讀取數(shù)據(jù)或者用ritefile寫數(shù)據(jù)給驅(qū)動程序，當(dāng)應(yīng)用程序退出時，用lsehandle關(guān)閉設(shè)備。當(dāng)驅(qū)動程序捕捉到特點事件發(fā)生時，應(yīng)當(dāng)通知應(yīng)用程序，與應(yīng)用程序通信，驅(qū)動程序和應(yīng)用程序通信的方法主要有兩種，devieintrl異步調(diào)用和in3

16、2事件通知。devieintrl異步調(diào)用時，驅(qū)動程序先將此irp保存起來，然后調(diào)用i.arkpending(),最后驅(qū)動程序返回status_pending,當(dāng)一個事件發(fā)生時，驅(qū)動程序再完成這個irp；使用in32事件通知和應(yīng)用程序通信時，應(yīng)用程序首先創(chuàng)立一個事件，直接將該事件句柄傳遞給驅(qū)動程序，應(yīng)用程序等待驅(qū)動程序發(fā)送事件消息。4完畢語數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)實世界模擬信號到便于計算機(jī)處理的數(shù)字信號的第一步，數(shù)據(jù)采集卡是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)上述數(shù)據(jù)采集卡硬件，用driverrks成功開發(fā)了基于pi總線的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序。為測試驅(qū)動程序工作正常與否，編寫了上層測試應(yīng)用程序，測試說明，驅(qū)動程序可以快速加載主機(jī)控制命令，通過da方式