基于PCI总线的测量实时控制系统的研究与实现

摘要

本课题以半导体管特性图示仪的研发为背景，就基于PCI总线的仪器实时控制系统展开了研究，并最终将所设计的测量控制器在FPGA器件内部实现。
　　 为了确保测量控制的实时性能，在课题研究中采用硬件电路实现全部的控制功能。尽管硬件控制相对于软件控制，从实现的角度考虑要复杂很多，但硬件控制器的高速度、信号流的并行性、基于时钟边沿的控制信号输出等一系列特性可以从根本上保证控制系统的实时性能。
　　 由硬件构成的测量控制器与主计算机系统进行信息交互的媒介选择了高性能的PCI总线。为了能将PCI总线操作与控制器的本地总线操作进行相互转换，需要在掌握PCI总线协议的基础上，研究并实现PCI总线接口功能。在课题研究中采用PCI9054接口芯片实现这一功能，其中重点研究问题是本地总线信号时序关系及本地总线接口设计、PCI9054的寄存器配置、中断处理机制、DMA工作方式。实践证明：以高性能的PCI总线为基础，通过在中断服务程序中启动DMA传输，可以实时采集存储在FIFO中的测量数据。
　　 至于测量控制器内部的逻辑电路设计，则是本课题研究的核心内容。在分析测量原理的基础上，归纳出对控制电路的功能需求，明确控制信号，并制定总体控制方案，设计各个控制子模块。设计完成的测量控制器通过硬件描述语言(HDL)加以描述，在FPGA器件内部配置实现。在论文中对数个关键控制模块的设计思想、原理进行了重点论述。
　　 内含控制逻辑电路的FPGA器件与PCI9054接口芯片最终装配在一块PCI接口的控制电路板上。板卡的布局布线规范问题是控制电路板制作过程中的重点研究问题。另外为使应用程序能够访问测量控制器，开发了控制电路板的Windows驱动程序。
　　 本课题设计的仪器实时控制系统在半导体管特性图示仪中取得了较好的应用效果，控制电路可以稳定的工作。通过逻辑分析仪对控制电路的实际工作过程进行观察，可以确认输出控制信号的时序关系符合设计预期，控制电路也能配合测量进程采集测量数据，并通过中断方式实时传送到主机存储器中。总之，在国内半导体管特性图示仪的研究制造领域，本课题首次应用PCI总线、FPGA设计、多状态机的协同设计等一系列崭新的技术，设计出具备良好实时性能的控制系统，进而为达到图示仪的各项设计指标奠定坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义

1.2 仪器控制系统及半导体管特性图示仪的发展历程

1.2.1 仪器控制系统的发展历程

1.2.2 半导体管特性图示仪的发展现状

1.3 基于PCI总线的测量控制系统

1.4 课题主要研究内容

第二章 PCI总线接口的研究与实现

2.1 PCI总线接口控制器方案选择

2.2 PCI9054接口芯片概述

2.2.1 芯片的特点及内部逻辑结构

2.2.2 典型应用框图

2.2.3 芯片工作方式

2.2.4 PCI总线操作的时序

2.3 本地总线及相关接口电路的研究与设计

2.3.1 本地总线工作模式选择

2.3.2 本地总线传输模式

2.3.3 本地总线操作信号及时序关系分析

2.3.4 本地总线接口逻辑设计

2.4 中断处理机制及本地端中断处理逻辑设计

2.5 DMA传输研究

2.6 若干需要注意的问题

2.6.1 复位操作

2.6.2 芯片配置及相关串行EEPROM研究

2.6.3 地址映射

2.7 本章小结

第三章 测量控制原理及控制器总体方案设计

3.1 半导体管特性曲线的基本测量原理

3.2 半导体管特性图示仪的控制原理

3.3 控制器的总体方案设计

3.3.1 控制的流程分析

3.3.2 控制器的方案设计与模块划分

3.3.3 输入输出总线

3.4 状态机的工作原理及相关技术要点

3.4.1 状态机的基本含义

3.4.2 高质量状态机的设计方法

3.4.3 状态机的协同设计

3.5 本章小结

第四章 测量控制器的设计

4.1 暂存测量设置的FIFO

4.2 基极阶梯波发生器的设计

4.3 集电极任意波发生器的设计

4.4 基极与集电极之间的波形同步问题

4.5 大功率器件的脉冲测量研究及波形切割控制器的设计

4.6 测量控制主状态机的设计

4.7 测量数据转换、存储研究及相关控制器的设计

4.8 本章小结

第五章 测量控制器的FPGA实现

5.1 FPGA的选择

5.2 Cyclone器件的内部结构分析

5.3 FPGA开发流程

5.4 有关FPGA设计的两个关键问题

5.4.1 同异步问题

5.4.2 抑制外部干扰

5.5 本章小结

第六章 印刷电路板的设计与制作

6.1 硬件板卡的器件布局

6.2 PCI板卡的布线布局规范

6.3 本章小结

第七章 驱动程序开发

7.1 Windows2000操作系统的系统结构

7.2 驱动程序开发工具选择

7.3 WinDriver驱动程序的开发流程与实现方法

7.4 重要API函数分析

7.5 驱动编制中的若干技术问题

7.6 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 对课题研究的总结及控制系统的实际运行验证

8.2 对今后工作的展望

致谢

参考文献

附录A PCI总线信号分类示意图

附录B 关键PCI信号说明表

附录C PCI配置空间寄存器布局图

附录D 重要的PCI配置寄存器说明表

附录E PCI总线命令编码表

附录F PCI9054芯片内部结构图

攻读硕士学位期间发表的论文