摘? 要: 結合一個實際的遠程高速數據采集" title="數據采集">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" 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title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" 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title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統的設計,比較了目前常用的各種數據傳輸方式,介紹了各個公司的PCI接口芯片" title="接口芯片">接口芯片的特點,以及高速數據采集系統的設計思想和各種實現方案。

　　關鍵詞: USB 火線(FireWire)? 低壓差分(LVDS)? HOTLink PCI? 數據采集? 遠程傳輸

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　　數據采集是信息處理系統的最前端,對于一般的數據采集任務有通用的數據采集系統可供選用。但是由于數據源以及用戶需求的多樣性,通用的采集設備不可能總能滿足定制要求。例如一個項目需要采集由一塊高速CCD圖像處理板送來的數據,數據傳輸速率必須穩定到10Mbytes/s,數據源為一個遠端(50m左右)設備發送的連續數據流,要求所設計的數據采集系統必須能夠現場采集,遠程傳輸,并實時地存儲海量數據。

　　本系統的核心部分為高速遠距離傳輸和數據采集兩個部分。

1 數據傳輸方案

　　在數據傳輸部分的設計中,調研了基于USB、火線(FireWire)之類的解決方案。采用這些協議開發設備可以使數據采集部分的設計比較簡單。目前,主板一般都支持USB1.1,不需要設計專門的數據采集卡。如果采用火線(FireWire)協議,TI的OHCI-lynx系列的芯片(TSB12LV23)集成了一個PCI接口和火線的協議層。但是目前USB1.1標準還達不到所需要的帶寬,而USB2.0還沒有得到主板的普遍支持。采用火線雖然使得數據接收端" title="接收端">接收端的設計相對簡單。但是由于火線是一條多主的總線,每發送一幀數據都要打一個包頭,由于鏈路層協議的復雜,包頭的結構也相當的冗長,對于數據發送端鏈路層的大量寄存器配置,僅用CPLD實現,調試麻煩,不靈活。如果采用MCU來實現能夠對上百Mbps的數據流實時地打包的數據發送系統,復雜程度太高,嚴重影響項目進度。

　　依據開發難度、成本,最后選擇了兩種方案來構建傳輸系統:低壓差分(LVDS)和HOTlink。

　　低壓差分信號傳輸器件一般應用于背板信號互連之類的短距離通訊中,例如交換機系統。LVDS標準定義傳輸距離為10m,實際工程實踐中發現10Mbps的數據流在五類雙絞線上使用低壓差分至少可以在40m左右的傳輸距離穩定傳輸。目前國內的應用中一般在超過100m的情況下使用一個LVDS的中繼板。普遍使用的LVDS器件是國家半導體的90C031,90C032,1：1發送接收模塊,不帶有復用" title="復用">復用與解復用的功能。如果需要兩根串行線傳輸方案,國家半導體也提供復用比可達到14：1與1：14的復用與解復用LVDS器件。LVDS器件使用比較方便,不需要內部編程與外部的邏輯控制,在PCB版圖設計時注意差分信號線基本等長、匹配電阻等問題即可正常工作。

　　HOTLink是Cypress公司的高速長距離點對點串行通信產品系列。符合DVB-ASI、ATM、SMPTE-259M、ESCON等標準,用于構建符合這些標準的通訊產品的物理層。標準的HOTlink產品數據傳輸速率范圍為160～400Mbps,支持同軸電纜、雙絞線以及光纖接口。傳輸距離與傳輸介質有關。用雙絞線以及同軸電纜可以傳輸100~500m,光纖傳輸可以達到數公里。具體工作原理是:在發送端將八位輸入數據串行輸出,接收端重新組合。發送端無有效數據時自動發送空數據,接收端根據碼流自動恢復時鐘。外部邏輯可以監視恢復時鐘是否失同步,一旦失同步即可控制接收端重新同步時鐘,而且HOTLink產品的一大特點是可以實現數據流與指令流的分離。HOTLink的理論誤碼率為零,實際誤碼來自于內部時鐘失同步以及外部環境電磁干擾。

　　HOTink第二代產品可以支持1500Mbps的傳輸速率,支持8位、16位、32位數據接口,性能大大提高。當然基于HOTLink設計通訊產品難度相對要大一些,應用HOTLink傳輸系統需要比較復雜的外部狀態機的控制來保證接收端時鐘正確恢復(一個演示的狀態轉換圖見圖1)。而且由于系統時鐘頻率較高,PCB版圖設計需要比較講究,要求設計者仔細考慮各種電磁干擾影響。

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2 數據采集系統方案

　　基于計算機的數據采集系統可以依據與計算機的接口不同而分類。以目前工程應用來看,基于ISA總線的系統雖然帶寬足夠低速采集使用,但是由于主板生產商趨向于不再支持ISA,面臨被USB接口產品取代的趨勢。而高速數據采集系統主要還是基于PCI總線傳輸數據。這主要是由于PCI總線相對于其它總線有以下幾個優點:

　　·PCI總線得到了廣泛的支持;

　　·PCI總線目前32Bit,33MHz時鐘,理論帶寬133Mbytes/s,可升級到64Bit,66MHz時鐘頻率;

　　·PCI總線產品開發有豐富的硬件資源可供選擇(常見產品比較見表1);

　　·PCI設備驅動開發在常見平臺下有較好的軟件包支持。例如Dos下可直接調用PCIBios函數,Windows下有非常好的開發輔助軟件包,而Linux直接提供類似于PCIBios的函數可供開發者調用。

目前市場上常見的有AMCC、PLX、CYPRESS等公司的橋芯片。經過一段時間的使用與比較,各個型號的PCI接口芯片的大致特點如表1所示。

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　　一般來說，基于PCI總線的板卡可以分成信息處理板與數據采集板。對于二者的設計思想以及相應的PCI接口芯片的選擇也有所不同。數據采集系統一般為了采集數據流而設計。由于PCI總線是一個共享總線,仲裁算法一般是公平競爭,事實上132Mbytes/s的峰值速率僅僅是一個理想值。實際中要想穩定可靠地采集數據流,采集卡上必須有大小合適的緩存。數據采集系統從數據源到PC的整個體系是一個先進先出結構,核心問題是如何經濟有效地設計出盡可能大的先進先出的緩存系統。最簡單的實現方式是直接使用FIFO器件作為系統的緩存,當然這也是最昂貴的方案。也可以使用雙口RAM來實現FIFO結構。最廉價的方案是使用SRAM與雙路選擇器以及地址發生器實現大FIFO陣列。付出的代價使整個系統設計的復雜程度提高。

　　一般的PCI總線信號處理卡(顯示卡,聲卡等)的總線部分設計重點在于如何將卡上的設備映射到系統的內存空間中去。常見的PCI接口芯片提供了PCI端總線與卡上局部端總線相互轉換的能力。而在數據采集卡的設計中,卡上的FIFO顯然只能作為一個端口訪問,設計者的任務是實現一個恰當的控制邏輯,使得FIFO可以被PCI接口芯片的DMA控制器訪問。在現有的PCI接口芯片里面,AMCC5933直接提供了FIFO接口,實現數據流采集的控制邏輯最為簡單。PLX等公司的PCI接口芯片則沒有提供特定的引腳來提供外部FIFO訪問能力,需要一個專門的接口邏輯來進行邏輯轉換。下面的例子是PLX9054與FIFO的接口邏輯連接圖，可以幫助理解這種系統的設計(見圖2)。

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　　選擇PLX公司的芯片的好處是價格相對于AMCC5933便宜,型號眾多,可以根據不同的需求選擇適當的型號,比較靈活,而且提供了SDK幫助開發Windows下的驅動程序。但是FIFO的接口邏輯部分添加了一定的工作量,不如AMCC5933來得簡便易用。設計者應該根據自己具體項目的要求來選擇。

　　高速率的數據采集系統在采集數據流時最常見的問題是數據丟失,采集后數據流不完整。為了在系統調試中檢驗這個問題,在系統設計時加入一個自校正碼源,使得系統有自檢功能。

　　在系統中,為了驗證多大的緩存可以保證數據流的連續采集,讓數據源發送端發送自增長的測試碼流。經過反復測試表明,在接收一個連續的數據流時,10Kbytes左右大小的FIFO緩存可以穩定不丟失地采集10Mbytes/s左右的數據流。但是為了整個計算機系統的穩定性考慮,建議在可能的情況下盡量用大的緩存。當然,對于數據的實時分析要求較高的領域,太大的緩存會引入延時的問題，這時候就要求權衡使用了。

3 主機主控軟件

　　主控程序核心分為兩個工作線程。一個線程負責管理PCI數據采集設備的驅動,調用PLX SDK函數將DMA中斷采集來的數據流從核心態的小緩存中以乒乓方式拷貝到用戶層的兩個大的緩存中;一個線程則從用戶層的緩存中讀取數據送入SCSI硬盤。采用這種管理機制,可以有效地實現海量數據的實時硬盤存取。

　　高速遠程數據傳輸系統在特定的工程中有廣泛的應用,如航空航天、核物理數據采集等等。這種應用領域的特殊性決定了不可能形成一個普適方案,設計者必須根據具體項目要求加以選擇設計。合理地加以選擇,可以在特定的應用領域中快速有效地完成系統設計。目前整個系統達到了設計的預期目標,工作穩定。

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參考文獻

1 Interfacing PCI2040 to TMS320VC5420 DSP(SCPA030.pdf). TI公司

2 IOP480 to Synchronous FIFO (iop480_sfifo_an.pdf).PLX公司

3 PLX9054 User Manual. PLX公司