PXI總線中頻數(shù)字化儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊志興　王瑞霞　高長(zhǎng)全

摘要：針對(duì)PXI測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建中需要的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，提出一種基于PXI總線的中頻數(shù)字化儀的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)400 Msps的實(shí)時(shí)采樣率和14位的采樣精度;軟件開(kāi)發(fā)模式采用上位機(jī)應(yīng)用程序和底層動(dòng)態(tài)庫(kù)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)模式，方便不同用戶的定制。驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)WDM開(kāi)發(fā)，采用Block DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。經(jīng)過(guò)聯(lián)合調(diào)試，本系統(tǒng)穩(wěn)定工作在Windows平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化儀要求的各項(xiàng)功能。不僅滿足當(dāng)前項(xiàng)目的需求，還可應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗等PXI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建中。

關(guān)鍵詞：PXI;中頻數(shù)字化儀;WDM;Block DMA;中斷

0 引言

近年來(lái)隨著科技的不斷進(jìn)步，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷地向高精度、高速率、小型化等方向發(fā)展。尤其在一些特定場(chǎng)合，比如艦船、飛機(jī)等環(huán)境下，其對(duì)測(cè)試設(shè)備的小型化提出了更高的要求[1]。而PXI由于其自身的架構(gòu)及特點(diǎn)[2]，特別適合這種對(duì)體積要求苛刻的環(huán)境中。其中PXI中頻數(shù)字化儀作為模塊化測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，由于其技術(shù)難度高、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)難度大成為系統(tǒng)集成中的短板，相關(guān)產(chǎn)品只能通過(guò)國(guó)外采購(gòu)，主要存在如下的問(wèn)題：采購(gòu)周期長(zhǎng)、成本昂貴、技術(shù)不可控，維修困難，嚴(yán)重制約著PXI模塊化系統(tǒng)的自主發(fā)展。

本文基于“虛擬儀器”的設(shè)計(jì)理念并結(jié)合近期從事的PXI合成儀器項(xiàng)目需求，提出一種基于PXI總線的中頻數(shù)字化儀實(shí)現(xiàn)方案，即可滿足軟件無(wú)線電系統(tǒng)構(gòu)建的需要，同時(shí)也可作為單獨(dú)PXI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

本文研制的中頻PXI數(shù)字化儀模塊是一個(gè)單槽3U尺寸模塊，14位垂直分辨率，最高采樣率達(dá)到400 MHzSa/s。其總體硬件框圖如圖1所示。

主要包括：信號(hào)調(diào)理部分、抗混疊濾波、DDS部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、FPGA控制部分、PCI接口部分和電源等部分組成。其中：信號(hào)調(diào)理部分實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的放大和濾波;ADC部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)由模擬到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;FPGA部分主要是完成數(shù)字下變頻、包絡(luò)檢波以及電路的控制等;PCI總線接口作為數(shù)字化儀與PC機(jī)的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化儀和上位機(jī)軟件的信息交互，包括命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳等。

整機(jī)工作原理如下：在觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之后，首先對(duì)輸入中頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，完成模擬中頻信號(hào)的程控增益控制、抗混疊濾波等，預(yù)處理后的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)高速ADC采樣，采樣數(shù)據(jù)送入FPGA進(jìn)行數(shù)字下變頻操作變換到基帶形成IQ信號(hào)，之后根據(jù)需要進(jìn)行復(fù)數(shù)FFT操作得到頻譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到板載緩存中。此時(shí)FPGA將使本地信號(hào)（ LINT#）信號(hào)有效，引發(fā)PCI9054的本地中斷，接著會(huì)觸發(fā)PCI中斷信號(hào)INTA#，向計(jì)算機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求。主機(jī)CPU響應(yīng)中斷以Block DMA方式讀取FIFO中的頻譜數(shù)據(jù)，從而完成一次數(shù)據(jù)傳輸。最后在上位機(jī)軟件中進(jìn)行處理和顯示。

1.2 PXI接口設(shè)計(jì)

目前主要存在2種方案實(shí)現(xiàn)PXI接口電路[3]：①采用可編程邏輯器件;②采用專(zhuān)用的PCI接口芯片。在本設(shè)計(jì)中考慮到數(shù)字化儀板卡的體積、成本和開(kāi)發(fā)周期，采用PLX公司的專(zhuān)用的PCI接口芯片PCI9054來(lái)實(shí)現(xiàn)PXI接口，接口實(shí)現(xiàn)示意圖如圖2所示。

為了適應(yīng)不同的局部處理器，PCI9054局部總線類(lèi)型有3種：C模式，M模式，J模式。本文采用C模式（ MODE[1：0]=00），即地址線和數(shù)據(jù)線分開(kāi)模式[3]。本設(shè)計(jì)中發(fā)送命令時(shí)工作在PCI Target模式，而讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候則工作在DMA模式。在DMA方式下，數(shù)據(jù)傳輸不同于普通的I/O讀寫(xiě)方式，它是由PCI9054接管PXI總線，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在CPU和硬件設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而無(wú)需CPU的干預(yù)。本設(shè)計(jì)中只涉及數(shù)據(jù)從Local側(cè)到PCI側(cè)的傳輸，因此選擇DMAO通道并采用blockDMA的傳輸方式實(shí)現(xiàn)FIFO緩沖區(qū)的頻譜數(shù)據(jù)的讀取操作。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

完成數(shù)字化儀硬件設(shè)計(jì)之后，就需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，由軟硬件協(xié)同配合才能整個(gè)數(shù)字化儀模塊的具體功能。整套中頻數(shù)字化儀軟件系統(tǒng)由上位機(jī)應(yīng)用程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 整機(jī)工作流程

數(shù)字化儀程序的工作流程如下：首先是數(shù)字化儀硬件的初始化，完成后，由上位機(jī)軟件根據(jù)用戶選定的功能和輸入的參數(shù)形成控制命令通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵湎掳l(fā)到硬件板卡。PXI板卡進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)分解形成有效的硬件動(dòng)作命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，采集一定量的中頻數(shù)據(jù)后形成硬件中斷給驅(qū)動(dòng)程序，上位機(jī)響應(yīng)中斷并通過(guò)DMA的方式將數(shù)據(jù)讀取到上位機(jī)軟件中，從而完成一次有效的數(shù)據(jù)采集和傳輸。之后再由上位機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)的處理、顯示和存儲(chǔ)等功能。

2.3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)中的PXI中頻數(shù)字化儀不屬于Windows標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備，因此為了能夠運(yùn)行在Windows平臺(tái)上，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。Windows操作系統(tǒng)下，開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法有很多種，本文采用DriverStudio工具進(jìn)行WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

首先，利用DriverStudio中的DriverWorks[5]生成驅(qū)動(dòng)程序框架，之后需要根據(jù)功能要求來(lái)添加相應(yīng)的代碼。驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)涉及到硬件訪問(wèn)、中斷控制和DMA傳輸?shù)裙δ苣K。限于篇幅，本文重點(diǎn)闡述中斷和DMA的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.3.1 中斷實(shí)現(xiàn)

從上文介紹的數(shù)字化儀整機(jī)運(yùn)行原理中可以看出，數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)采集過(guò)程相對(duì)于上位機(jī)軟件的運(yùn)行，是一種完全異步的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)兩者的同步，需要借助于中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中需要處理的中斷類(lèi)型有2種：①本地中斷，即當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)采集半滿之后，由FPGA通過(guò)LINT#信號(hào)發(fā)給PCI9054;②DMA中斷，當(dāng)上位機(jī)軟件收到PCI9054的本地中斷后，開(kāi)始啟動(dòng)DMA讀操作。當(dāng)DMA傳輸完成后由DMA中斷控制器產(chǎn)生。兩種中斷存在先后關(guān)系，只有2個(gè)中斷的協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)1次中頻數(shù)據(jù)的正確傳輸任務(wù)。

由于這兩種中斷共享同一個(gè)中斷服務(wù)例程，因此需要在中斷服務(wù)例程[6]（ ISR，Interrupt Service Routine）中進(jìn)行中斷源識(shí)別，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理。本設(shè)計(jì)中的中斷處理流程如圖所示。

中斷實(shí)現(xiàn)部分的關(guān)鍵代碼如下：

BOOLEAN Digitizer：：Isr_lrq（void）

{

t《”enter Isr_lrq.”<

ULONG status;

status=m _IoPortRange0 .ind（ INTCSR）;

if《status&Ox8000）1=0）

{

m一Loclnt=l：

t《" Locallnterrup"《EOL;

m—IoPortRangeO.outd（INTCSR，Ox40100）;

m—IoPortRangeO.outd（DMAMODEO，Ox20COI）;

m_DpcFor_lrq. Request（NULL， NULL）;

retum TRUE;

）

else if《status&Ox200000）1=0）

{

m—Loclnt=O;//DMAO

t《" DMA Interrup"《EOL;

m_ IoPortRangeO.outb（DMACSRO，Ox8）;

m_DpcFor_lrq.Request（NULL， NULL）;

retum TRUE;

）

else

{

t《" Interrupt didn't happen."《EOL;

retum FALSE;

）

）

2.3.2 DMA實(shí)現(xiàn)

為了開(kāi)發(fā)DMA功能，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)框架，開(kāi)發(fā)人員需要對(duì)PCI9054芯片和Driver Studio開(kāi)發(fā)框架均要熟悉，只有軟硬件配合才能完成DMA功能。PCI9054芯片中的DMA硬件支持部分在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中詳細(xì)的介紹，這里不再敘述。下面重點(diǎn)從軟件開(kāi)發(fā)角度進(jìn)行介紹。

DriverWorks提供了3個(gè)類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是：KDmaAdapter， KDmaTransfer， KcommonDmaBuffer。其中，KdmaAdapter類(lèi)用于建立1個(gè)DMA適配器，標(biāo)明1個(gè)DMA通道的特性和提供串行化訪問(wèn)的服務(wù);KDmaTransfer類(lèi)用于控制DMA的傳輸，啟動(dòng)1個(gè)DMA傳輸、DMA傳輸數(shù)據(jù)緩沖區(qū)物理地址和傳輸字節(jié)數(shù)以及DMA傳輸結(jié)束后數(shù)據(jù)由公用緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序數(shù)據(jù)緩沖區(qū);KcommonDmaBuffer類(lèi)用于申請(qǐng)系統(tǒng)提供的公用緩沖區(qū)[8]。整個(gè)DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

首先，當(dāng)應(yīng)用程序檢測(cè)到硬件板卡完成1次中頻數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)調(diào)用Win32 API函數(shù)ReadFile（）函數(shù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)的讀取[9]。由系統(tǒng)的I/O管理器將這個(gè)請(qǐng)求封裝成一個(gè)相應(yīng)的請(qǐng)求包（IRP），然將其傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序首先將其進(jìn)行隊(duì)列化，形成1個(gè)新的串行IRP傳遞給SeriaIRead例程[10]，在該例程中，通過(guò)初始化KDmaTransfer類(lèi)的實(shí)例并在OnDmaReady回調(diào)函數(shù)啟動(dòng)DMA傳輸和判斷傳輸是否完成。限于篇幅，本文只給出實(shí)現(xiàn)DMA的關(guān)鍵代碼：

VOID Digitizer：：StartDMA（ULONG PAddress，ULONG NBytes）

{

t《”Entering StartDMA”<

m_IoPortRangeO.outd（DMAMODEO，Ox20DCI）;

m_ IoPortRangeO.outd（DMAPADRO，PAddress）;

m_ IoPortRangeO.outd（DMALADRO，Ox8）;

m_ IoPortRangeO.outd（DMASIZO，NBytes）;

m_IoPortRangeO.outd（DMADPRO，Ox8）;

m_IoPortRangeO.outb（DMACSRO，Ox3）;

）

圖6是本設(shè)計(jì)中的DMA讀操作在FPGA中的時(shí)序圖。

2.4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用軟件采用模塊化、分層設(shè)計(jì)的思想，將軟件按照功能劃分為控制測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和用戶操作模塊，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用當(dāng)下較為流行的C#。系統(tǒng)軟件頂層設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

整個(gè)軟件從功能上可以分為控制測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊和用戶操作模塊。其中控制測(cè)量模塊主要實(shí)現(xiàn)命令的下傳以及采集數(shù)據(jù)的上報(bào);數(shù)據(jù)處理顯示模塊主要是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，包括加窗、FFT、軌跡運(yùn)算、峰值處理、信號(hào)錄制以及處理結(jié)果的顯示等;用戶操作模塊則是提供人機(jī)交互的接口，用于將用戶的操作指令進(jìn)行合規(guī)性分析，并將用戶的操作意圖正確設(shè)置到設(shè)備中。最終實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)軟件成果如圖8所示。

3 結(jié)論

本文所研究的中頻數(shù)字化儀是一種基于PXI總線的模塊化中頻信號(hào)采集儀器，具有高采樣率、高分辨率、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量以及快速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上完全自主可控。在軟件設(shè)計(jì)上采用虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，按照模塊化和層次化進(jìn)行開(kāi)發(fā)，分別完成了上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和底層驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。目前，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在Windows 7平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了中頻數(shù)字化儀要求的各項(xiàng)功能，不但滿足了當(dāng)前的 PXI測(cè)i系統(tǒng)構(gòu)建的需要，而且提供了一個(gè)較為通用的驅(qū)動(dòng)程序包，可以應(yīng)用到其他需要中頻數(shù)字化儀的PXI測(cè)試系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭文飛，基于PXI總線的直升機(jī)電氣系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的研制[D].哈爾濱：啥爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]苗忠海，基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程2018（12）：67-69.

[3] PLX Technology.PC19054 DataBook.l.0 ed.PLXPress.1998：174-298.

[4]程月平.PCI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)2017（10）：14-17.

[5]史云輝.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡接口的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]電子測(cè)試，2017（10）：21-23。

[6]王海霞，基于PCI總線的四通道CAN通訊卡的設(shè)計(jì)[J]電子設(shè)計(jì)工程，2016（5）：41-44.

[7]崔荃，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)2015.

[8]楊亞軍.Windows下視頻采集卡的WDM驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)[D].西安：西安電子科技大學(xué).2015.

[9]武安河，周利莉.Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)實(shí)務(wù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[10]李小平，基于PXI總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介：

楊志興（1983-），男，河北石家莊人，碩士，工程師，研究方向?yàn)镻XI模塊及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，E-mail：38453869@qq.com。