摘 要：本文介紹了基于CompactPCI總線數(shù)字隔離I/O（Input/Output）模塊的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)硬件和驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，該模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸和隔離的作用，在內(nèi)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中起到了實(shí)際的作用。 關(guān)鍵詞：輸入/輸出 PLX9030 隔離 驅(qū)動(dòng) 1 引言 　　1PCI總線一個(gè)重要的特點(diǎn)是其具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速度，是新一代微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線，但是PCI的金手指插卡方式不能滿足工業(yè)的高機(jī)械強(qiáng)度要求。CompactPCI規(guī)范是由PICMG制定的，在電氣、邏輯和軟件功能方面與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容（PCI規(guī)范請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)參考文獻(xiàn)1），它制定了機(jī)械結(jié)構(gòu)上更加堅(jiān)固耐用的PCI版本，用于工業(yè)和嵌入式應(yīng)用，是一種新的開(kāi)放的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹的基于CompactPCI總線的數(shù)字隔離I/O模塊是應(yīng)用于對(duì)抗震性能要求較高的內(nèi)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)上。 2 CompactPCI總線接口的設(shè)計(jì) 　　目前CompactPCI接口卡的設(shè)計(jì)一般有兩種方法，第一種是基于將PCI接口完全集成到ASIC中，這樣做的好處是集成度高，量產(chǎn)的生產(chǎn)成本低，直接用成熟的核。另一種方法可以根據(jù)CompactPCI協(xié)議在FPGA中實(shí)現(xiàn)CompactPCI總線接口控制器，但是由于CompactPCI總線協(xié)議自身的復(fù)雜性，要想在短期內(nèi)做到操作穩(wěn)定，難度很大。綜合項(xiàng)目需求、成本、開(kāi)發(fā)難易及后續(xù)開(kāi)發(fā)等幾個(gè)問(wèn)題考慮，選擇了PLX9030芯片作為設(shè)計(jì)基于CompactPCI總線的接口芯片。 [align=center] 圖1 PLX9030控制原理示意圖[/align] 　　2.1 PLX9030實(shí)現(xiàn)CompactPCI總線接口設(shè)計(jì) 　　如圖2所示，設(shè)計(jì)主要由三個(gè)功能部分組成：一個(gè)是PLX9030與CompactPCI總線的接口控制邏輯，一個(gè)是它與局部總線的接口控制邏輯，還有一個(gè)即是與CompactPCI配置存儲(chǔ)器串行EEPROM的接口控制邏輯。 [align=center] 圖2 PLX9030實(shí)現(xiàn)CompactPCI總線接口控制[/align] 　　PLX9030接口控制芯片把CompactPCI總線和局域總線連接起來(lái)，把所有的CompactPCI接口信號(hào)做在芯片內(nèi)部。本模塊局域總線控制單元，用于輸入輸出選通控制，應(yīng)用簡(jiǎn)單譯碼、瑣存和緩沖，最終實(shí)現(xiàn)可分別一一控制的16位數(shù)據(jù)輸入和16位數(shù)據(jù)輸出，控制原理比較簡(jiǎn)單，為了節(jié)約板卡空間，用CPLD7128完成。設(shè)計(jì)方法請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)參考文獻(xiàn)3。CompactPCI配置存儲(chǔ)器串行EEPROM的接口控制邏輯是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。 　　2.2 配置寄存器 　　PCI規(guī)范規(guī)定任何PCI設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)一定數(shù)目的配置寄存器，以提供必要的配置信息。 9030對(duì)應(yīng)的串行EEPROM容量需大于2Kbit（128words ＊16bit），并且需要有地址自增功能，在該課題中選用了93LC66芯片。PLX9030提供了與串行 EEPROM管腳—一對(duì)應(yīng)的接口，只需對(duì)應(yīng)連接即可，如圖2。需要配置的寄存器請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)參考文獻(xiàn)2。 　　上電過(guò)程中，PLX9030的內(nèi)部寄存器由PCI BUS的RST#信號(hào)復(fù)位，并給出響應(yīng)信號(hào)RETRY，在LOCAL BUS上輸出LRESET#信號(hào)，檢查串行EEPROM是否存在。如果安裝了EEPROM，PLX9030開(kāi)始讀串行EEPROM，若讀出的第一個(gè)字非FFFFH，則PLX9030繼續(xù)讀操作，PLX9030用EEPROM中的值來(lái)配置片內(nèi)的寄存器，否則認(rèn)為EEPROM無(wú)效使用缺省值。對(duì)PLX9030來(lái)講，EEPROM的前四個(gè)字節(jié)應(yīng)該是30H、90H、B5H、10H,其中9030H為設(shè)備號(hào)，10B5H為廠商號(hào)。則PLX930用EEPROM中的值來(lái)配置片內(nèi)的寄存器，否則使用缺省值。 3 模塊隔離電路的設(shè)計(jì) 　　隔離是指使用變壓器、光電或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免了直接的電氣或物理連接。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側(cè)）與信息接收端（二次側(cè)）是電絕緣的，從而對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾的能力，且速度高，價(jià)格低，接口簡(jiǎn)單，因而得到廣泛的應(yīng)用。 　　光電耦合器的一次側(cè)都是發(fā)光二極管，但是二次側(cè)有很多種結(jié)構(gòu)，如光敏二極管、光敏晶體等，本卡選用光電耦合器的是高速CMOS型的,傳輸率可達(dá)10MHZ，型號(hào)為HCPL2630,原理說(shuō)明請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)參考文獻(xiàn)4。它的一次側(cè)與二次側(cè)的延遲時(shí)間只有28 ns,因此速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通光電三極管型的光電隔離管。內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如3。加裝光電隔離電路的方法如圖4。 [align=center] 圖3 HCPL2630內(nèi)部原理[/align] [align=center] 圖4 光電耦合器的連接圖[/align] 　　由于光電耦合器的前端是發(fā)光二極管，最大電流不能超過(guò)15mA，因此一定要加上限流電阻R。限流電阻R的阻值的大小，對(duì)光電耦合器的性能影響很大。R過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致脈沖邊緣延遲較大，R過(guò)太小，又很容易使光電耦合器前端發(fā)光二極管損壞而縮短光耦壽命。因此需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的實(shí)踐才能最后確定。由于器件有個(gè)體的差異，在調(diào)試過(guò)程中，也遇到個(gè)別的光電耦合器在運(yùn)行一段時(shí)間后才發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力不夠，需要減小限流電阻、增大電流才能使發(fā)光二極管可靠導(dǎo)通的情況。 　　光電耦合器輸入端和輸出端供電要使用不同電源，于是在板卡上應(yīng)用了DC5V—DC5V電源隔離模塊，自帶∏型濾波器，在增加少量的外加電路后能達(dá)到很小的輸出紋波。 4 模塊的硬件原理 　　如圖5，當(dāng)數(shù)字信號(hào)從CompactPCI的J2連接器輸入到數(shù)字隔離I/O模塊時(shí)，首先經(jīng)過(guò)了光耦隔離器，保證了外部的信號(hào)不對(duì)板上其他信號(hào)造成電壓沖擊;當(dāng)總線發(fā)出讀操作命令時(shí)，PLX9030、CPLD接收了讀操作命令，相應(yīng)的控制位把隔離后的信號(hào)送給CompactPCI總線。 [align=center] 圖5 數(shù)字隔離I/O模塊硬件原理[/align] 　　當(dāng)數(shù)字信號(hào)從CompactPCI總線向局部總線輸出時(shí)，首先通過(guò)PLX9030把相應(yīng)的控制位和數(shù)據(jù)送到CPLD中，CPLD接受了命令后，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)光耦隔離器及驅(qū)動(dòng)器送出。 外部設(shè)備可以通過(guò)CompactPCI J2自定義針腳根據(jù)需要進(jìn)行控制。 5 WinDriver開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 　?。?）打開(kāi)WinDriver應(yīng)用程序后，出現(xiàn)Driver Wizard，選擇創(chuàng)建新Driver，出現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)中所有的硬件卡的列表，如圖6所示。 [align=center] 圖6 當(dāng)前系統(tǒng)中所有的硬件卡的列表[/align] 　　從列表中選擇需要建立驅(qū)動(dòng)程序的硬件設(shè)備，對(duì)于PCI設(shè)備，點(diǎn)擊Generate.INF按鈕建立安裝信息文件1518.inf。然后對(duì)1518.inf中的部分內(nèi)容按照板卡所需信息進(jìn)行修改。 　?。?）用Driver Wizard生成操作硬件的應(yīng)用程序級(jí)API函數(shù)。存放于DIO.h文件中。 　?。?）啟動(dòng)VC++6,建立一個(gè)DLL工程，將 Wizard產(chǎn)生的部分單元文件包含進(jìn)工程中，在此基礎(chǔ)上加入完成特定任務(wù)的代碼，利用DIO.h中的API函數(shù)，完成DIO.c，并提供應(yīng)用程序的調(diào)用接口。 　　（4）編寫(xiě)接口單元文件DIO.def，將工程編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DIO.dll。應(yīng)用程序就可以直接調(diào)用此動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。在主測(cè)試程序中調(diào)用DIO.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，操縱數(shù)字隔離I/O模塊配合其它模塊運(yùn)行。 6 運(yùn)行結(jié)果及討論 　　至今為止，基于本方案的數(shù)字隔離I/O模塊已經(jīng)成功地應(yīng)用于內(nèi)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。數(shù)字隔離I/O模塊是CompactPCI結(jié)構(gòu)的內(nèi)場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)的重要模塊之一，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸入和輸出兩大模塊的功能，簡(jiǎn)化了外圍硬件的選擇，也提高了系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性;同時(shí)對(duì)輸入輸出采取了光電隔離措施，使系統(tǒng)同外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了電絕緣，整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能大大提高。該模塊的設(shè)計(jì)具有通用性，可以應(yīng)用到其它 CompactPCI總線的系統(tǒng)中，隨著CompactPCI總線在軍事工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增多，有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：數(shù)字隔離I/O模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)輸入和輸出兩大模塊的功能，簡(jiǎn)化了外圍硬件的選擇，提高了系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性;同時(shí)對(duì)輸入輸出采取了光電隔離措施，使系統(tǒng)同外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了電絕緣，整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能大大提高。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Tom Shanley , Don Anderson ，Addison Wesley，2000 　　[2] PCIMG 2.0 D3.0 CompactPCI Specification September, 1999 　　[3] 宋萬(wàn)杰、羅豐、吳順君，CPLD技術(shù)及其應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，1999 　　[4] HP，隔離電路設(shè)計(jì)指南，2000 　　[5] 周多等,PCI協(xié)議接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證, 微計(jì)算機(jī)信息,2005.5. 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