焊缝检测系统中PCI总线高速数据采集卡设计

２．５ ＰＣＩ接口芯片

ＰＣＩ总线协议２．１版出现以后，集成芯片商们纷纷推出了与其兼容的总线接口芯片。其中，ＡＭＣＣ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｃｏｒｐｅｒａｔｉｏｎ）公司的Ｓ５９３３接口方便、控制灵活，软件配置简单，在高速网络接口、数字通信、高速成像等领域有着广泛应用。Ｓ５９３３S8593最突出的优点是能够作为ＰＣＩ主控设备发起ＤＭＡ操作，即Ｓ５９３３完全具备双字ＤＭＡ控制器的功能。

图３是结合系统应用而绘制的Ｓ５９３３结构框图。由图３可知，Ｓ５９３３内部具有配置寄存器组和操作寄存器组，配置寄存器组用于控制Ｓ５９３３在ＰＣＩ总线系统中的运作方式（访问延迟、能否发起主控ＤＭＡ操作等）以及记录系统分配给Ｓ５９３３的资源信息（如中断引脚、Ｉ／Ｏ等），而ＰＣＩ总线和外加电路之间的数据交换则通过操作寄存器组实现。以Ｉ／Ｏ资源为例，计算机上电后，系统将分配给Ｓ５９３３的Ｉ／Ｏ资源首地址填入基地址寄存器，此值决定了操作寄存器组在Ｉ／Ｏ空间中的映射位置（Ｓ５９３３的操作寄存器组缺省地映射到Ｉ／Ｏ地址空间，便于软件操作），见图３。之后，ＣＰＵ只需执行简单的Ｉ／Ｏ操作就可以读写操作寄存器组，隐含的地址译码工作由Ｓ５９３３完成。外加电路控制逻辑则保证操作寄存器组与外加电路的正常通信。Ｓ５９３３提供了三种形式的外加电路接口，高速数据采集卡使用信箱（Ｍａｉｌｂｏｘ）寄存器实现双字输出，用ＦＩＦＯ方式实现高速ＤＭＡ写操作。

３ 高速数据采集卡的软件设计

３．１ 虚拟设备驱动程序的设计

系统的控制软件工作在ＷＩＮＤＯＷＳ９８操作系统下，为此开发了高速数据采集卡的虚拟设备驱动程序（ＶＸＤ）。由Ｓ５９３３的结构可知，ＶＸＤ需要实现双字Ｉ／Ｏ操作和物理内存管理。双字Ｉ／Ｏ的操作相对简单，调用虚拟机管理器（ＶＭＭ）的ＳＩＭＵＬＡＴＥ＿ＶＭ＿ＩＯ例程即可，较困难的是物理内存管理。由于Ｓ５９３３发起的ＤＭＡ操作需要物理内存的起始地址，因此必须涉及页面级的物理内存操作，故采用下述内存管理策略：

应用程序加载ＶＸＤ；
加载成功后发送申请缓冲区的事件给ＶＸＤ；
ＶＸＤ使用ＰＡＧＥＡＬＬＯＣＡＴＥ例程得到地址连续的适当长度（如四页即１６Ｋ字节）的物理内存；
锁定缓冲区并将物理地址逆映射为线性地址；
将物理首地址填入Ｓ５９３３的写ＲＡＭ地址寄存器；
允许Ｓ５９３３进行主控ＤＭＡ传输；
传输完毕时，应用程序请求ＶＸＤ释放上述物理内存。
３．２ 应用ＶＸＤ设计数据采集程序

将ＶＸＤ放在应用程序的同级目录下，则以下ＶＣ++代码就能动态加载（ＶＸＤＶＩＥＷＥＲ可验证）一个ＶＸＤ：

ＨＡＮＤＬＥ ｈＤＥＶＩＣＥ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ("＼＼＼＼．＼＼ｐａｔｈｎａｍｅ",０,０,ＮＵＬＬ,０,ＦＩＬＥ＿ＦＬＡＧ＿ＤＥＬＥＴＥ＿ＯＮ＿ＣＬＯＳＥ,ＮＵＬＬ)；
编好的ＶＸＤ为应用程序提供了若干服务例程，应用程序执行下面的代码即可调用服务例程ＺＨＣ１：

ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ(ＨＤＥＶＩＣＥ,ＺＨＣ１,ｌｐｉｎｂｕｆｆｅｒ,ｎｉｎｓｉｚｅ,ｌｐｏｕｔｂｕｆｆｅｒ,ｎｏｕｔｓｉｚｅ,ＮＵＬＬ,ＮＵＬＬ)；

数据采集算法如下：
ＤＯ {读取写ＲＡＭ字节计数器；
再次读取写ＲＡＭ字节计数器；
ＩＦ 计数器内容为零 ＴＨＥＮ
跳出循环进行后续数据处理；
ＥＬＳＥＩＦ 两次读取的结果不同 ＴＨＥＮ
不做任何处理而进入下一次循环；
ＥＬＳＥ
清相应的状态标志并设置有关寄存器以从断点处续传；
ＥＮＤＩＦ
 }

调试表明，应用ＶＸＤ的数据采集程序能够稳定、高速地采集外部数据。对焊缝缺陷自动超声检测系统的实际测试表明，该高速数据采集卡能满足缺陷回波的检测要求。图４(ａ)为实际测试时用示波器观测到的模拟放大电路的输出信号，图４(ｂ)是Ａ／Ｄ转换后、截掉始波并经半波整流后得到的信号。

高速数据采集卡具有体积小、可靠性高、控制逻辑更改方便、可扩展性强等优点。对于检测厚度为１０～１００ｍｍ的钢板，一次采集的数据最多为４ＫＢ，至多只需０．１３ｍｓ就可将数据从卡上ＦＩＦＯ经ＰＣＩ总线传入内存。