1 引言
隨著數字信號處理器性能的不斷提高及其成本與售價的大幅下降，數字信號處理應用領域飛速擴展，信號處理進入了一個新的發(fā)展時期。同時隨著計算機技術以及互聯網絡技術的不斷發(fā)展，越來越多的數據需要經過計算機來進行處理、存儲、傳輸籌操作。計算機的應用已經遍及我們生活的每一個角落。由于計算機本身的特點，通用計算機通常僅負責沒有實時性要求的工作，而不適于進行實時性要求很高的數字信號處理。將計算機和 DSP有機地結合起來，充分利用各自的優(yōu)點，它們將會相得益彰，滿足現實應用中對數據實時處理能力、數據傳輸能力以及數據管理能力提出的越來越高的要求。 PCI總線以其眾多優(yōu)點在計算機中具有不可取代的作用，采用PCI總線使DSP與計算機通信可以很好地滿足其對高速數據傳輸的要求。本文以實際開發(fā)系統為背景，以TI公司的TMS320VC5402與PLX公司的PCI9052為基礎。詳細論述了基于DSP的PCI總線結構的數據采集系統硬件及軟件設計方案和實現方法。
2 數據采集系統硬件設計
2．1 系統結構及原理
基于DSP的PCI總線高速數據采集系統的結構如圖1所示，它主要由A／
D轉換器、DSP數據讀取及處理、PCI通信接口和PC機等部分組成。模擬信號經A／D采樣后由DSP通過并行I／O讀取，并將處理后的數據通過PCI總線送到通用計算機做進一步處理[1]。
A／D轉換器采用TI公司的TLC5510，TLC5510為8 bit、20 MS／s的高速并行A／D轉換器。TLC5510在每個時鐘的下降沿采樣，該采樣點的轉換數據經過2．5個延遲后，在時鐘的上升沿輸出，也就是每個點的轉換時間為2．5個時鐘周期，一旦轉換流水線啟動，則在每個時鐘的上升沿都有一個轉換數據輸出。
DSP與計算機之間的通信由接口電路PCI9052實現。PCI9052是PLX公司推出的一種簡單、高效的PCI從設備接口，可實現多種外設局部總線和PCI總線的互連。根據PCI規(guī)范，主設備和從設備的劃分本質上是確定數據傳輸雙方訪問與被訪問的能力和關系。在此，PCI9052只能由主機或其它擁有總線主控制能力的設備進行數據的讀寫操作。但由于其內部有64Byte寫FIFO和32Byte讀FIFO，使PCI9052的局部總線和PCI總線能互相獨立工作，可支持傳輸速度為132 Mb／s的突發(fā)傳輸[2]。
DSP采用TI公司的TMS320VC5402，它的處理能力可達到100 Mb／s,具有改進型的8位HPI接口，有16 K*16 Bit DARAM，以及4 K*l6 Bit ROM存儲空間。具有較高的性價比[3]。
2．2 PCI9052與TMS320VC5402的接口
PCI9052的局部總線設置為8位局部總線，采用地址數據非復用模式，PCI9052和TMS320VC5402的接口電路如圖2所示[4,5]。此時，LBE1為LA1，LBE0為LA0。將PCI9052的LBE0接HPI的HBIL，用以區(qū)分第一字節(jié)和第二字節(jié)。PCI9052的LA17接TMS320VC5402的HCNTL1，LA16接HC-NTL0，以選擇HPI寄存器。PCI9052的LAD[0：7]接TMS320VC5402的HD[7：0]。TMS320VC5402的HINT反向后接至PCI9052的LINT1，之所以反向是由于HINT低電平有效，而UNT1是高電平有效。PCI9052的LW／R反向后接至TMS320VC5402的HR／W，因為LW／R高電平表示寫，低電平表示讀；而HR／W高電平表示主機要讀HPI，低電平表示主機要寫HPI。PCI9052的CS0與CS1相或后連接至HCS，RD和WR分別連接到HDS1，HDS2。TMS320VC5402的LRDY通過一定的邏輯組合再加上一個D觸發(fā)器與PCI9052的LRDY相連以實現PCI9052與HPI的同步。PCI9052局部時鐘采用40MHz。其中CPLD選用EPM7128，使用MAX+PLUSⅡ進行設計。
HPI主機接口采用訪問寄存器的方式來進行DSP內部數據的讀寫，把HPI口單純映射到PCI的I／O空間或者存儲器空間都有不可避免的缺點，因此本接口電路采用雙映射方式，利用映射來訪問控制、地址寄存器和單個數據口，而利用存儲器映射來訪問連續(xù)數據口。以實現TMS320VC5402與PCI9052之間方便、高效的數據通信[6]。
3 數據采集系統軟件的設計
數據采集系統的軟件設計包括三個部分：DSP上的采集程序及響應程序。數據采集卡的驅動程序，在驅動程序上構建的應用程序。驅動程序是實現DSP與計算機通信的關鍵，本文主要介紹設備驅動模型及其初始化的設計方法。
3．1 驅動程序模型
Win2000不支持直接訪問硬件，虛擬驅動器依賴運行在內核模式的真正的驅動器。內核模式驅動程序使用系統級代碼編寫，且運行在內核模式下，因為內核模式允許直接硬件訪問。內核驅動程序可被進一步分成遺留模式的驅動程序和Windows驅動模式的驅動程序(WDM)。
Windows驅動程序模型(WDM)如圖3所示。圖中左邊是一個設備對象堆棧。設備對象是系統為幫助軟件管理硬件而創(chuàng)建的數據結構。處于堆棧最底層的設備對象稱為物理設備對象(PDO)。在設備對象堆棧的中間某處有一個功能設備對象(FDO)。FDO的上面和下面還會有一些過濾設備對象。位于FDO上面的過濾設備對象稱為上層過濾器，位于FDO下面的過濾器設備對象稱為下層過濾器。
總線驅動器的任務之一就是枚舉總線上的設備。并為每個設備創(chuàng)建一個PDO。一旦總線驅動器程序檢查到新硬件存在，PnP管理器就創(chuàng)建一個PDO，創(chuàng)建完PDO后，PnP管理器參照注冊表中的信息查找與這個PDO相關的過濾器和功能驅動程序。系統安裝程序負責這些注冊表項，而驅動程序包中控制硬件安裝的INF文件負責添加其他表項。這些表項定義了過濾器和功能驅動程序在堆棧中的次序。
3．2 驅動程序的初始化
PnP管理器先裝入硬件需要的驅動程序，然后再調用驅動程序中的AddDevice函數。一個驅動程序可以被多個類似的硬件使用。但驅動程序的某些全局初始化操作只能在第一次被裝入時執(zhí)行一次。而DriverEntry例程就是用于這個目的。DriverEntry是內核模式驅動程序主入口點常用的名字。
DriverEntry的第一個參數是一個指針，指向一個被初始化的驅動程序對象，該對象代表用戶的驅動程序。DriverEntry的第二個參數是設備服務鍵鍵名，其主要工作是把各種函數指針填入驅動程序對象。這些指針為操作系統指明了驅動程序容器中各種子例程的位置。
PnP管理器先裝入最底層的過濾器驅動程序并調用其AddDevice函數。該函數創(chuàng)建一個FiDO,這樣就在過濾器驅動程序和FiDO之間建立了水平連接。然后AddDevice把PDO連接到FiDO上。PnP管理器繼續(xù)下上執(zhí)行，裝入并調用每個底層過濾器、功能驅動程序、高層過濾器，直到完成這個堆棧。
DriverObject參數指向一個驅動程序對象，就是在DriverEntry例程中初始化的那個驅動程序對象。PDO參數指向設備堆棧底部的物理設備對象。AddDevice函數的基本任務是創(chuàng)建一個設備對象并把它連接到以PDO為底的設備堆棧中。
當AddDevice函數將FDO和FiDO創(chuàng)建且連接好后，PnP管理器分配資源且發(fā)送PRP_MN_START_DEVICE，功能驅動程序需要在這個IRP上做大量工作，包括分配并配置額外的軟件資源以及為設備操作做準備。處理這個IRP主要通過PnPStartDevice函數完成。PnPStartDevice函數首先將IRP傳遞到底層驅動程序。等待完成后，調用IoGetCurrentIrpStackLocation函數得到當前自己的堆棧單元。I/O堆棧單元的Parameters聯合有一個名為StarDevice的子結構，該結構包含了資源分配信息。在StarDevice里就可以將分配的資源填充到PDO的設備擴展域中，并且調用IoConnectInterrupt函數連接中斷。
層次結構可以使I／O請求過程更加明了。每個影響到設備的操作都使用I／O請求包。通常IRP先被送到設備堆棧的最上層驅動程序，然后逐漸過濾到下面的驅動程序。內核通常通過發(fā)送I／O請求包(IRP)來運行驅動程序中的代碼。
4 結束語
基于DSP的PCI總線數據采集系統充分利用了DSP豐富的內部資源、強大的數字信號處理能力及PCI總線的高傳輸速度，能夠方便的開發(fā)數據壓縮、語音壓縮存儲等新功能信號，并進行預處理與分析處理。通過PCI總線進行數據傳送可大大提高傳輸速度。本系統適用于高速數據的采集和處理以及需要進行大量數據傳輸的應用場合。