1 X-ScanX射線線陣列探測(cè)器數(shù)據(jù)端口和幀捕獲卡
　　X-Scan是芬蘭DT公司生產(chǎn)的X射線線陣列探測(cè)器，用于安全、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和食品等領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)或質(zhì)量控制中。探測(cè)器由探測(cè)元件、探測(cè)電子學(xué)和微控制器組成。探測(cè)器數(shù)據(jù)輸出采用RS422端口，為14位數(shù)據(jù)并行平衡(差分" title="差分">差分)輸出^[1]。端口信號(hào)十分容易理解：行使能信號(hào)LEN和同步信號(hào)PCLK(PCLK信號(hào)頻率為2.2MHz)之間的關(guān)系如圖1所示。

　　行使能信號(hào)LEN表明自上升沿" title="上升沿">上升沿后，經(jīng)t2時(shí)間探測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)；PCLK信號(hào)的上升沿用于計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀操作。DT公司X-Scan平衡輸出定義為一對(duì)互為反相的TTL電平信號(hào)。
　　一行數(shù)據(jù)定義為一幀，其中包含的數(shù)據(jù)是大量的，并且需要高速傳輸，所以計(jì)算機(jī)接口應(yīng)該基于PCI總線。為此研制了基于PCI總線的幀捕獲(Frame Grabbing )卡,以滿(mǎn)足X-Scan應(yīng)用的需要。
2 計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)
2.1 PCI總線
　　PCI(Peripheral Component Interconnect)總線^[2]是ISA/EISA總線之后的一種現(xiàn)今計(jì)算機(jī)中廣泛采用的局部總線，支持外圍設(shè)備進(jìn)行突發(fā)通訊，32位總線數(shù)據(jù)傳輸速率峰值達(dá)132MB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ISA/EISA總線5Mb/s的速度，適合X-Scan與計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?BR>　　與ISA/EISA總線不同，PCI 總線協(xié)議及接口邏輯十分復(fù)雜，從而使得采用中小型規(guī)模器件開(kāi)發(fā)接口電路的方法難以實(shí)現(xiàn)。鑒于此, 許多廠家推出了專(zhuān)用的PCI 總線控制芯片, 其中AMCC公司生產(chǎn)的S59XX系列芯片因其功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)方便而被廣泛應(yīng)用。本方案采用AMCC公司的專(zhuān)用芯片S5933^[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議的執(zhí)行。
2.2 卡的組成
　　卡由RS-422接口電平轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)緩存、PCI總線控制器及控制邏輯等功能模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 電平轉(zhuǎn)換
　　電平轉(zhuǎn)換的要求是將來(lái)自X-Scan RS422輸出端口的差分?jǐn)?shù)據(jù)和控制信號(hào)" title="控制信號(hào)">控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)。組成的單元電路采用MAXIM公司的MAX3095 RS422 四接收器, 其電氣特性如圖3所示。MAX3095具有10Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率和90ns的傳輸延遲,滿(mǎn)足X-Scan 數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室螅贿€具有200mV的差分接收靈敏度以及15kV的靜電保護(hù)(ESD-Protected)措施，滿(mǎn)足X-Scan數(shù)據(jù)長(zhǎng)線傳輸?shù)囊蟆?/P>

2.2.2 PCI總線控制器S5933
　　S5933^[3]是符合PCI 規(guī)范2.1版本的32 位控制芯片，它提供三種物理接口：PCI 總線接口、外接(Add-On)總線接口和外接配置存儲(chǔ)器(非易失存儲(chǔ)器)接口(見(jiàn)圖4 )，其中，PCI 總線接口與PCI 總線相連，配置存儲(chǔ)器接口與非易失存儲(chǔ)器連接(在系統(tǒng)初始化時(shí)用來(lái)對(duì)S5933進(jìn)行配置)，外接(Add-On)總線接口與用戶(hù)數(shù)據(jù)設(shè)備的連接是卡設(shè)計(jì)者最需要關(guān)注的地方。

　　S5933中有兩個(gè)獨(dú)立的FIFO(8×32bit)，用于PCI到ADD－ON和ADD－ON到PCI兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)IFO的空滿(mǎn)狀態(tài)信號(hào)及讀寫(xiě)控制信號(hào)可供外加接口使用。利用FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是S5933數(shù)據(jù)傳輸方式中主要的一種(其余還有兩種方式：MAILBox方式和PASS_THrμ方式)。FIFO方式控制邏輯簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是本卡采用的方式。本卡中，數(shù)據(jù)傳送只有ADD－ON到PCI單一方向，所應(yīng)用FIFO的狀態(tài)信號(hào)及控制信號(hào)只需WRFULL(滿(mǎn)/非滿(mǎn))和-(寫(xiě)入)信號(hào)。
　　S5933 既可以作為 PCI總線的主設(shè)備接口，也可作為從設(shè)備接口。此卡設(shè)計(jì)中，S5933 采用主控模式，由它發(fā)起DMA操作。
2.2.3 高速數(shù)據(jù)緩存
　　由于S5933中FIFO 深度不足，來(lái)自探測(cè)器的大量數(shù)據(jù)直接流入，就會(huì)使得FIFO 瞬間寫(xiě)滿(mǎn)而S5933仍然不能獲得PCI總線控制權(quán)以及出現(xiàn)溢出和丟失數(shù)據(jù)。為此，在S5933 Add-On接口與MAX3095之間插入數(shù)據(jù)緩存。這里采用了IDT公司生產(chǎn)的IDT72V235高速先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(FIFO)，100MHz存取速率，18位數(shù)據(jù)輸入和18位數(shù)據(jù)輸出，容量為2048×18 bit。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

　　高速流入的數(shù)據(jù)先在外部FIFO中緩存，內(nèi)部FIFO非滿(mǎn)時(shí)再作傳送。由于X-Scan是以幀為單位高速傳送數(shù)據(jù)的，而幀與幀之間又有足夠的間隙時(shí)間，2K容量的外部FIFO足以防止數(shù)據(jù)的丟失。
　　IDT72V235可以單片使用，也可以級(jí)聯(lián)或擴(kuò)展使用，本卡中IDT72V235是單片使用的。
　　數(shù)據(jù)輸入端由寫(xiě)時(shí)鐘(WCLK)和寫(xiě)使能()控制。當(dāng)有效且FIFO非滿(mǎn)時(shí)(滿(mǎn)標(biāo)志為高)，數(shù)據(jù)在寫(xiě)時(shí)鐘WCLK的上升沿被寫(xiě)入。輸出端由讀時(shí)鐘(RCLK)和讀使能端()控制，當(dāng)有效且FIFO非空時(shí)(空標(biāo)志為高)，數(shù)據(jù)在讀時(shí)鐘RCLK的上升沿讀入輸出寄存器，并在輸出使能()為低時(shí)輸出到端口。讀時(shí)鐘與寫(xiě)時(shí)鐘可以同步，也可以異步。本卡中時(shí)鐘異步，讀時(shí)鐘信號(hào)由S5933 33MHz的BPCLOCK提供；寫(xiě)時(shí)鐘信號(hào)由RS422端口提供，它們決定了數(shù)據(jù)寫(xiě)入速率為2.2MHz，讀出速率為33MHz。
　　復(fù)位(為低)時(shí)FIFO讀取擴(kuò)展邏輯控制信號(hào)、和。這些信號(hào)定義了FIFO的八種工作模式，本卡中它們接地，F(xiàn)IFO定義在非同步IDT標(biāo)準(zhǔn)模式，時(shí)序圖見(jiàn)圖6。其中，讀出延遲t_A和寫(xiě)入滿(mǎn)到出現(xiàn)滿(mǎn)標(biāo)志延遲t_WFF都是最大6.5ns。

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸控制
　　數(shù)據(jù)控制用于S5933與FIFO，以及FIFO與外部設(shè)備之間的傳輸控制。采用Lattice公司的可編程邏輯芯片ispLSI1016作為邏輯控制器，其性能指標(biāo)為：最高頻率110MHz；10ns傳輸延遲。ispLSI1016編程后，與S5933及IDT72V235之間的邏輯關(guān)系如圖7所示。

　　使能信號(hào)EN有效，而FIFO IDT72V235中有數(shù)據(jù)(/=1)且S5933 FIFO未滿(mǎn)(WRFULL=0)時(shí)，IDT72V235將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到輸出寄存器上；在下一個(gè)BPCLK周期，將IDT72V235輸出寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入S5933 FIFO。
3 編程與程序設(shè)計(jì)
　　編程與程序設(shè)計(jì)包括ispLSI1016芯片的編程、S5933寄存器編程以及驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。ispLSI1016芯片的編程是利用ispDesignEXPERT開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，這里不再贅述。
3.1 S5933寄存器編程
　　PCI總線規(guī)范定義了256字節(jié)的配置空間，分為預(yù)定義頭域和設(shè)備依賴(lài)區(qū)域兩部分。
　　頭域包括設(shè)備制造商標(biāo)識(shí)ID、設(shè)備ID、版本ID、分類(lèi)代碼三個(gè)寄存器(用于識(shí)別設(shè)備及其功能)、基地址寄存器BADR(用來(lái)確定該設(shè)備的存儲(chǔ)和I/O" title="I/O">I/O空間需求)、中斷引腳和中斷編號(hào)兩個(gè)寄存器以及延時(shí)計(jì)數(shù)寄存器Min-Gnt和Max-Lat(用來(lái)設(shè)置DMA)等。
　　設(shè)備依賴(lài)區(qū)域包括位于PCI總線一側(cè)和擴(kuò)充總線接口一側(cè)的兩組操作寄存器，用于監(jiān)測(cè)S5933的狀態(tài)并控制其運(yùn)行。本卡用到的操作寄存器有： MWTC(主控寫(xiě)計(jì)數(shù))、MWAR(主控寫(xiě)地址)、MCSR(主控控制/狀態(tài))和INTCSR(中斷控制/狀態(tài))等寄存器。
　　配置空間數(shù)據(jù)編程在與S5933連接的一片非易失存儲(chǔ)器(nvRAM)中進(jìn)行，系統(tǒng)加電或復(fù)位后, S5933將從nvRAM下載銷(xiāo)售商標(biāo)識(shí)符VID和設(shè)備標(biāo)識(shí)符DID，如果合法，則下載基地址單元BADR的內(nèi)容，其值必須是C1H/C0H/C2H/FFH/E8H/10H。如果都正確，便依次讀入配置數(shù)據(jù)，決定I/O或存儲(chǔ)器空間的大小。然后將每個(gè)區(qū)域的起始地址寫(xiě)回到BADR中，區(qū)域的起始地址必須是區(qū)域大小的倍數(shù)。每一個(gè)BADR都是物理地址(PCI設(shè)備自己不能單獨(dú)確定存儲(chǔ)器或I/O的地址，所有的地址影射都必須由系統(tǒng)來(lái)完成，而不是應(yīng)用程序)。
3.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　Windows系統(tǒng)下對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)需要通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行，所以需要開(kāi)發(fā)卡的驅(qū)動(dòng)程序。
　　采用Jungo公司提供的WinDriver設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具包^[4]來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。開(kāi)發(fā)時(shí)可以有兩種方法可供選擇：一是利用 WinDriver Winzard；二是利用WinDriver提供的用戶(hù)態(tài)函數(shù)庫(kù)，后者要求程序員熟悉WinDriver的用戶(hù)態(tài)函數(shù)以及PCI設(shè)備的控制過(guò)程，相對(duì)的難度較大。但這兩種方法產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有什么區(qū)別，大體結(jié)構(gòu)如下：
　　打開(kāi)WinDriver設(shè)備；查找所要訪問(wèn)的PCI設(shè)備；枚舉該設(shè)備的資源(內(nèi)存、I/O、中斷等)；鎖定該設(shè)備的資源，避免其它的程序調(diào)用；訪問(wèn)板卡上的資源；解鎖資源；關(guān)閉WinDriver設(shè)備。
　　本卡采用第一種方法，步驟如下：
　　(1)安裝好PCI數(shù)據(jù)采集卡；
　　(2)利用WinDriver Winzard檢測(cè)采集卡；
　　(3)測(cè)試硬件，生成驅(qū)動(dòng)程序代碼；
　　(4)修改代碼，加入定制的功能；
　　(5)在用戶(hù)態(tài)執(zhí)行與調(diào)試代碼；
　　(6)將性能苛刻部分插入到核心態(tài)。
　　驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖8所示。生成的驅(qū)動(dòng)程序可獲得令人滿(mǎn)意的探測(cè)數(shù)據(jù)。