基于PCI总线的数据采集卡设计

0 引言
随着计算机软硬件技术和控制、测量技术的不断发展，许多工程技术人员都将PC机作为控制、测量开发的首选平台。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外围部件互连)总线作为一种高性能、通用的局部总线，是目前计算机插卡式外设总线的事实标准。PCI总线具有32／64位总线宽度。地址线和数据线复用，支持猝发传输，传输速率高达132MB／s；系统占用率低，具有较好的兼容性；有完备的即插即用(PnP)管理体制，可同时支持多组外围设备。虽然PCI总线也经历了从PCI、PCI-X到PCI Express的发展，但PCI总线由于存在时间长，开发工具、开发资料众多，在对数据吞吐量要求不是很高的工业控制、测量领域仍有着顽强的生命力。笔者在学习了相关设计资料的基础上，设计了基于PCI总线的数据采集卡，可以完成8路数字量I／O及4路差分14位A／D采集功能。本文将根据笔者的实际经验，介绍PCI接口扩展卡的软硬件设计流程。

1 PCI总线工作方式简介
PCI总线标准由intel于1991年提出，后由PCI-SIG(PCI Special Interest Group)接替了PCI规范的发展。PCI总线是一种时分复用的双向应答总线，传输发起方称为主设备，接收方称为从设备。其主要信号定义如下：
RFAME：由主设备驱动，为低，指示一次传输的开始。
DEVSEL：由从设备驱动，为低，指示响应传输请求。
ADO～AD31：地址、数据复用信号。PCI总线的数据传输以帧为单位，每次传输由一个地址周期和多个数据周期组成。首先给出本次传输的首地址，后面紧跟一个或多个4字节宽的数据，连续传输多个数据时，其地址自动递增。
C／BE0～C／BE3：这4根线在地址传送周期，传输的是总线命令，C／BE0～C／BE3的不同组合指示在AD0～AD31上将要进行何种类型的操作，其代表的总线命令见表1；在数据传送周期，传输的是字节始能信号，用来表示在整个数据期间，AD31～AD0上的哪些字节为有效数据。
IRDY、TRDY：分别表示主设备准备好和从设备准备好。在传输过程中，只有IRDY和TRDY同时有效，传输才能继续；否则插入等待周期，用于在不同速度的设备之间协调工作。
表1地址传送周期时。C／BE0～C／BE3所代表的总线命令PRSNT1、PRSNT2：PCI板对电源的请求信息，具体含义见表2。

将PCI接口卡插入计算机插座，加电后，BIOS会根据PCI接口卡上的配置信息，为其分配相应的I／O端口、存储器空间、中断及DMA等计算机资源。

2 PCI接口卡的硬件设计
笔者设计的PCI数据采集卡使用的PCI接口芯片是CH365，CH365可将32位高速PCI总线转换为简便易用的类似于ISA总线的8位主动并行接口，支持240字节的I／O端口映射、32 K字节的存储器映射、扩展ROM以及中断。本数据采集卡仅使用了I／O端口映射及中断功能。本PCI数据采集卡使用MAXIM公司的4通道14位、差分、同时采样ADC：MAX1338，实现A／D转换功能，并将MAX1338的／EOLC引脚与CH365的INT_REQ引脚相连，以便在ADC转换完成后，向PC机发出中断申请。使用两片74HC273作为输出，一片用作8路I／O输出，另一片用作对MAX1338控制命令的输出。使用两片74HC373作为输入，一片用作8路I／O输入，另一片采集MAX1338的状态指示信号。使用TLP521-4对8路I／O输入、输出进行光电隔离。使用74LS138作为地址译码。