基于PCI總線的電纜故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究【精品畢業(yè)論文】 .pdf

西安科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于pci總線的電纜故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 姓名：潘海濤 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：控制理論與控制工程 指導(dǎo)教師：汪梅 20080415 論文題目： 專業(yè)： 碩士生： 指導(dǎo)老師： 基于p c i 總線的電纜故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 控制理論與控制工程 潘海濤 ( 簽名) 違墨量： 汪梅 ( 簽名) 芝互蜘 摘要 本論文主要研究p c i 總線技術(shù)在電纜故障數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)問題。隨著電 網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電纜故障的發(fā)生也越來越頻繁。但到目前為止，國內(nèi)外較成熟的電 纜故障測距方法大都基于離線狀態(tài)，電纜故障在線測距仍缺少有效的方法。因此，實(shí)現(xiàn) 電纜在線故障測距，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。 電纜在線故障測距對數(shù)據(jù)采集與處理的要求很高，p c i 局部總線的引入，打破了數(shù) 據(jù)傳輸?shù)钠款i，以其優(yōu)異的性能成為微機(jī)總線的主流。但是由于p c i 總線協(xié)議十分復(fù)雜， 直接為它設(shè)計(jì)相匹配的數(shù)字邏輯控制電路難度很大。目前用來實(shí)現(xiàn)p c i 接口的有效方案 主要有采用可編程邏輯器件c p l d 或f p g a 和采用專用接口芯片兩種方法?；陔娎|故 障在線定位系統(tǒng)的一部分，本論文對基于p c i 總線的數(shù)據(jù)采集卡的接口技術(shù)進(jìn)行了探討 和研究，在對兩種接口方案進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，采用了第二種方案一p l x 公司的專用接 口芯片p c i 9 0 5 4 。 本文在介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體模塊的構(gòu)成、p c i 總線的基本傳輸協(xié)議以及電氣規(guī) 范的基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計(jì)思路。在本課題中，完成了硬件電路、印刷電路 板( p c b ) 、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)工作。具體的功能模塊包括p c i 接口模塊、模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊、邏輯控制模塊、時(shí)鐘電路和配置電路。硬件電路的繪制采用p r o t e l 9 9 s e 電 路設(shè)計(jì)軟件，驅(qū)動程序采用d r i v e r w o r k s 開發(fā)工具，應(yīng)用軟件則利用v c + + 6 0 編程軟件。 利用v c + + 6 0 和m a t l a b 語言編寫的上位機(jī)后臺分析軟件程序，主要完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、 數(shù)據(jù)文件保存、圖形繪制、小波分析、頻譜分析等工作，并提出了該采集系統(tǒng)性能進(jìn)一 步提高的方法，為下幾屆研究生提供參考意見。 本文最后對電纜在線故障測距裝置進(jìn)行了多項(xiàng)測試。測試表明，該系統(tǒng)硬件和軟件 設(shè)計(jì)達(dá)到了電纜在線故障測距的要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 關(guān)鍵字：p c i 總線；電纜故障；p c i 9 0 5 4 ；數(shù)據(jù)采集；d r i v e r w o r k s 研究類型：應(yīng)用研究 s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e ：t h er e s e a r c ho fd a t ea c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h ec a b l ef a u l t b a s e do np c ib u s ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ：p a nh a i t a o i n s t r u c t o r ：w a n g m e i a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) 盔魄垂絕 ( s i g n a t u r e ) t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc a b l ef a u l td a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mu s i n gt h ep c ib u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , t h ep o s s i b i l i t yo f t h ec a b l ef a u l th a p p e n i n gi sa l s ob e c o m i n gm o r ea n dm o r eg r e a t l y h o w e v e r , u pt on o w , t h e m a t u r et e c h n o l o g yf o rc a b l ef a u l tl o c a t i o ni sm o s t l yb a s e do no f f - l i n ea th o m ea n da b r o a d t h e r ea r en o te f f i c i e n tm e t h o d sf o rc a b l ef a u l tl o c a t i o no n - l i n e ，s ot h i st o p i ch a sa l le x i g e n t l y r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e c a b l ef a u l tl o c a t i o no n l i n eb r i n gf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tf o rd a t ag a t h e r i n ga n d p r o c e s s i n g t h ep c ib u sp r o t o c o li s s oi n t r i c a c ya n di ti so n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v eb u s c r i t e r i o n sf o rd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e ，b u ti t sh a r dt od e s i g nt h ea p p r o p r i a t ed i g i t a ll o g i c i n t e r f a c ec i r c u i tf o rp c i t h e r ea r et w oe f f e c t i v es c h e m e st or e a l i z et h ei n t e r f a c ec o n v e n i e n t l y a tp r e s e n t ：o n ei st oa d o p tc p l do rf p g aa n dt h eo t h e ri st oa d h i b i ts p e c i a li n t e r f a c e c h i p d e p e n d i n go n o n ec o o p e r a t i o v ep r o j e c t ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e st h et e c h n i q u eo nt h e i n t e r f a c eo fd a t aa c q u i s i t i o nb o a r db a s e do np c ib u s 。c o n t r a s th a sb e e nm a d eb e t w e e nt h e a b o v et w os c h e m e s ，a n df i n a l l yt h ep a p e ra d h i b i t st h es e c o n d - - p c i 9 0 5 4t od e s i g nt h e i n t e r f a c ec i r c u i tb a s e do np c ib u s i l lt h ef i r s tp a r to ft h ep a p e r , t h ep r o t o c o la n de l e c t r i c a la t t r i b u t i o no ft h ep c iw i l lb e i n t r o d u c e d t h e ni nt h es e c o n d ，t h ew a ya n dm e t h o do fr e a l i z i n gt h eh a r d w a r eo ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mw i l lb ed i s c u s s e d t h et h e s i si n c l u d e st h ed e s i g no fh a r dc i r c u i t ，p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ，d r i v e ra n da p p l i c a t i o ns o f t t h ed e t a i l e df u n c t i o n a lm o d u l e sc o n s i s t o fa n a l o gd i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l e 、d i g i t a la n a l o gc o n v e r s i o nm o d u l e 、p c ip r o t o c o l c o n v e r s i o nm o d u l e 、c o n t r o ll o g i c 、c l o c kc i r c u i ta n dc o n f i g u r a t i o nc i r c u i t t h eh a r dc i r c u i ti s d r a w ne m p l o y i n gc i r c u i ts o f tp r o t e l9 9 s e t h ed r i v e ri sd e v e l o p e du s i n gd e v e l o p i n gt o o l d r i v e r w o r k sa n dt h ea p p l i c a t i o ns o f ti sp r o g r a m m e dm a k i n gu s eo fa d v a n c e dp r o g r a m m i n g s o f tv i s u a lc + + 6 0 t h eu p p e rc o m p u t e rp r o c e d u r e sw h i c ha r ec o m p i l e db yv c + + 6 0 l a n g u a g ea n dm a t l a bl a n g u a g et h a tc a i la c c o m p l i s hs o m ea s s i g n m e n t sa b o u tr e a lt i m e t r a n s m i s s i o no fd a t a , i m a g e - b a s e dr e n d e r i n g ，f i l es a v i n g ，w a v e l e ta n a l y s i sa n ds p e c t r u m a n a l y s i s a n dp a r t so ft h es y s t e mt h a tc a l lb ee n h a n c e di nt h ef u t u r eb yo t h e rs t u d e n t sa r ea l s o d e s c r i b e d f i n a l l y , t h es y s t e mi st e s t e di nt h i sp a p e r t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec a nn o r m a lw o r ka n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fc a b l ef a u l tl o c a t i o no nl i n e k e y w o r d s ：p c ib u s c a b l ef a u l tp c i 9 0 5 4d a t aa c q u i s i t i o n d r i v e r w o r k s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻種技大學(xué) 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及其取得研究成果。盡我所知，除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不 包含其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西安科 技大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對 本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：喜否? 務(wù)日期： ) 加g 抄i 留 學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期 間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部 門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。學(xué)?？梢?將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位 論文研究課題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學(xué)。 保密論文待解密后適用本聲明。 學(xué)位論文作者簽名：離診乃指導(dǎo)教師簽名：泡凌夠 砂g 年4 月l 擴(kuò)日 1 緒論 1 緒論 1 1 論文選題背景 電纜跟架空線相比具有安全可靠、受氣候影響小、隱蔽耐用、利于市容美觀等優(yōu)點(diǎn)。 隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電纜成本的降低，越來越多的高低壓輸電線路逐步實(shí)現(xiàn)電纜 化，電纜的應(yīng)用變得日益廣泛。但隨著電纜數(shù)量的增多和運(yùn)行時(shí)間的延長，電纜故障越 來越頻繁。由于電纜多埋于地下，一旦發(fā)生故障，尋找起來十分困難，往往需要花費(fèi)很 長時(shí)間，不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力，而且將會造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失以及影響人 們的日常生活。因此，如何準(zhǔn)確、迅速、經(jīng)濟(jì)的找出故障點(diǎn)，顯得尤為重要。 目前使用的電力電纜故障測距裝置，都為電力電纜故障停電后，解開電力電纜，通 過相關(guān)的設(shè)備離線測量故障距離，即離線測距。這樣的故障測距方法有很多弊端，例如 測距時(shí)間過長；電力電纜在運(yùn)行中發(fā)生的故障相當(dāng)一部分是瞬時(shí)性的故障，利用離線故 障測距方法查找故障點(diǎn)前，要用高壓設(shè)備將故障點(diǎn)擊穿，高電壓對測試設(shè)備和電纜及工 作人員造成安全隱患，因此迫切需要電力電纜在線測距方法彌補(bǔ)離線測距的缺陷和不 足。為了彌補(bǔ)離線的不足，實(shí)現(xiàn)在線故障定位，需要在線對傳感器等元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集，但故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波速度很快，若想采集到數(shù)據(jù)，則要求采樣頻率很高。為了適應(yīng)高 速數(shù)據(jù)采集的需要，就要有高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組 成部分，它是外界電信號與計(jì)算機(jī)之間的橋梁，完成對數(shù)據(jù)的采集和傳輸。 本課題是陜西省科技攻關(guān)項(xiàng)目( 2 0 0 3 k 0 6 6 1 9 ) “智能電纜故障預(yù)測與定位裝置的研 制”的一部分。論文主要是利用計(jì)算機(jī)p c i 總線技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡對電纜故障產(chǎn)生的 數(shù)掘進(jìn)行采集，然后把數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行分析判斷，達(dá)到在線檢測電纜故障的目的， 從而對故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，保證電纜安全可靠的運(yùn)行。 1 2 國內(nèi)外測距方法的現(xiàn)狀和發(fā)展 1 2 1 電纜離線測距方法 電纜故障離線測距方法有很多，根據(jù)其工作原理不同，目前離線測距方法分為兩大 類：阻抗法和行波法，其實(shí)際應(yīng)用大多為離線狀態(tài)。 ( 1 ) 阻抗法 阻抗法是以線路的集中參數(shù)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)線路單端或多端的電壓、電流測量值， 推導(dǎo)出特定的故障方程進(jìn)行定位。由于此方法原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)，多年來一直受到人 們的關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中，電橋法是一種較為經(jīng)典的測試方法，英國雷迪有限公司生產(chǎn) 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 的b i c c o t e s t - t 2 7 2 電纜故障定位儀和英國s p i r e n t 公司生產(chǎn)的e 2 0 2 0 電纜故障定位 儀就是利用阻抗法中的電橋電路實(shí)現(xiàn)對電纜故障的定位。電橋法又分為直流電阻電橋法 和電容電橋法。 直流電阻電橋法適用于低阻故障的探測，一般要求故障點(diǎn)的電阻不超過1 0 0 千歐。 基本原理為：將被測電纜的故障相與非故障相短接，電橋兩端分別接故障相和非故障相。 調(diào)節(jié)電橋臂上的可調(diào)電阻，使電橋達(dá)到平衡，在根據(jù)惠更斯電橋原理計(jì)算出故障點(diǎn)距離。 電容電橋法的測距原理與電阻電橋法的測距原理基本相同，它用于電纜開路故障的 測距?；驹頌椋洪_路故障測得的電纜電容值與電纜故障距離成正比，只要利用電容 電橋測出電容值大小，并在已知電纜單位長度的電容值的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算出電纜的 故障距離。 ( 2 ) 行波法 行波法是電纜故障測距中另一種十分重要的方法，它利用測量行波在故障點(diǎn)和測量 端之間往返的傳播時(shí)間來確定故障位置。根據(jù)產(chǎn)生行波的種類和測量方式不同，傳統(tǒng)的 基于行波法的測距方法可分為a 、b 、c 三種類型。近幾年來，隨著國外學(xué)者對行波法 研究的深入，又提出兩種新的方法，分別是利用重合閘產(chǎn)生的暫態(tài)行波在測量端與故障 點(diǎn)之間的傳播時(shí)間進(jìn)行測距和在測量端反饋到的故障開斷時(shí)產(chǎn)生的初始浪涌行波與故 障點(diǎn)反射波之間的時(shí)延進(jìn)行測距。 1 2 2 電纜在線測量方法 到目前為止，電纜在線故障測距方法及裝置沒有架空線路那么成熟，國內(nèi)外的科技 工作者正在努力的填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白，并且取得了一定的進(jìn)展。 ( 1 ) 由日本學(xué)者提出的采用光纖電流互感器感應(yīng)出故障時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流信號，利 用采集速度為1 6 m h z 的快速a d 技術(shù)實(shí)現(xiàn)不帶分支的電纜在線故障測距方法。 ( 2 ) 由美國學(xué)者提出的利用故障時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓或電流在開路點(diǎn)發(fā)生正或負(fù)的全 反射，通過設(shè)于開路點(diǎn)附近的傳感器得到脈沖信號，測出其脈沖間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)電纜在線 故障測距的方法。 ( 3 ) 由我國學(xué)者張群峰等人提出的基于電弧特性的電纜在線故障測距方法。 這些方法對電纜在線故障測距都具有很重要的實(shí)用價(jià)值，當(dāng)然也不可避免地存在著 一些局限性。然而，從長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略角度出發(fā)，電纜在線故障測距具有光明的前景。 1 2 3 實(shí)時(shí)專家系統(tǒng) 電纜故障診斷是一種綜合的電纜故障測距方法，它對電纜在沒發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)進(jìn) 行監(jiān)測：對電纜發(fā)生故障后的位置、類型、程度做出判斷并進(jìn)行決策，適用于各種電纜 2 1 緒論 故障。目前，不少的科學(xué)工作者已經(jīng)將實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)與小波分析技術(shù)應(yīng)用于電纜故障診 斷問題的研究中。 其中，實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)模擬專家思維，將專家知識庫作為數(shù)據(jù)庫，用一 套規(guī)則來維護(hù)和更新知識庫，知識庫可以從以往的電纜故障事件中提取，并可以在實(shí)際 應(yīng)用中修改。小波分析則是一種現(xiàn)代信號處理技術(shù)，它在信號奇異點(diǎn)檢測方面有著重要 的作用。因此，將實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)和小波分析技術(shù)應(yīng)用于電纜故障診斷中有著巨大的潛能 和光明的前景。 1 3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展概述 數(shù)據(jù)采集的對象多種多樣，如常見的有溫度、壓力、位移、速度、頻率等，和模擬 系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)有精度高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)字系統(tǒng)只能處理離散的 數(shù)字信號。外部世界的各種各樣的信息經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換以后，除了極小部分為數(shù)字信號 和開關(guān)信號之外，絕大部分以電壓或電流等模擬量的形式存在，所以往往需要將這些模 擬信號轉(zhuǎn)化為便于處理和存儲的數(shù)字信號，這部分工作就需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成。所 謂數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并進(jìn)一步予以處理、顯示、存儲和記錄的 過程。 隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和存儲技術(shù)已經(jīng)是數(shù)字信號處理中非常重要的 環(huán)節(jié)，將決定整個系統(tǒng)的性能。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙測遙感等領(lǐng)域。它己經(jīng)成 為人們獲得外界信息的重要手段?；诳偩€的數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，由于可靠且易于實(shí) 現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率很高時(shí)，保持高速數(shù)據(jù)存儲過程 的可靠性、實(shí)時(shí)性將會成為一個比較棘手的問題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展目前集中在傳輸 速度、采集精度、可靠性和成本效益上，因而關(guān)鍵也在這上面要提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性 能。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)，它有自己專門的硬件和軟件子系統(tǒng)，為了適 應(yīng)高速數(shù)據(jù)采集的需要，迫切需要高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的出現(xiàn)。而數(shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的主要組成部分，它是外界電信號與計(jì)算機(jī)之間的橋梁，完成對數(shù)據(jù)的測量和傳輸。 數(shù)據(jù)采集卡發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)在速度和接口方式上有了很大的改進(jìn)。就市場上的數(shù)據(jù)采 集卡而言，它的速度已經(jīng)突破了5 0 0 m h z ，其接口方式也已經(jīng)拓展到p c i 、u s b 、p x i 等多種接口。目前國內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡市場還主要是由國外公司占主導(dǎo)地位，在高速采集 卡方面尤為如此。國內(nèi)公司由于技術(shù)積累、研發(fā)投入、微電子技術(shù)等方面的落后，其產(chǎn) 品在穩(wěn)定性、多樣性、通用性等方面較之國外產(chǎn)品有較大的差距。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前 在社會生產(chǎn)、科研中的作用正日益顯的重要，因此積極研制和開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于我國的科研、生產(chǎn)有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。 目前市場上的數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品基本上是針對數(shù)據(jù)采集這一功能而研制的，很少涉及 3 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 可編程性和數(shù)字信號處理功能。而隨著虛擬儀器技術(shù)發(fā)展，目前越來越多的硬件測控儀 器被虛擬儀器所代替。虛擬儀器往往要對采集信號完成某些數(shù)字信號處理，而該工作若 由計(jì)算機(jī)完成，無疑會大大地降低儀器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。解決該問題的最好辦法就是把這 些工作放到數(shù)據(jù)采集卡上去快速完成。因此，提高數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)處理功能和可編程 性將是以后數(shù)據(jù)采集卡研究的重要方向。 1 4 論文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文在具體的應(yīng)用背景下，提出了基于p c i 總線的電纜故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方 案。這個系統(tǒng)的開發(fā)分為兩個步驟：首先是基于p c i 總線的數(shù)據(jù)采集卡的研制。具體工 作包括采集卡的原理圖設(shè)計(jì)、各模塊功能設(shè)計(jì)、p c b 制作、p c i 板卡驅(qū)動開發(fā)及調(diào)試等。 其次是在p c i 數(shù)據(jù)采集卡成功實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了后臺分析程序，對采集到的故障信 號進(jìn)行分析與處理。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章緒論：介紹本論文的選題背景、意義以及本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀； 第二章p c i 總線概述：分別對p c i 總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作協(xié)議、總線命令、電氣 特性等幾個方面做了簡要說明； 第三章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：對系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)方法及過程進(jìn)行了詳細(xì) 的論述，并給出了相關(guān)模塊電路的原理圖，通過p r o t e l 9 9 s e 完成了硬件的設(shè)計(jì)與制作； 第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：利用d r i v c r w o r k s 和p l x m o n 對本課題所設(shè)計(jì)的板卡進(jìn)行 了驅(qū)動程序的編寫以及測試，并且完成了上位機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)； 第五章實(shí)驗(yàn)方法及測試結(jié)果：將電纜接入2 3 7 v 的交流電壓信號中對電纜故障在線 測距裝置的硬件及軟件功能進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)分析，給出測試結(jié)論； 第六章結(jié)論：對全文進(jìn)行總結(jié)，并指出論文中的不足之處及進(jìn)一步改進(jìn)方法。 4 2p c i 總線概述 2p c i 總線概述 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的變化，如c p u 的運(yùn)行速度的提高、多處理器結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)、高速緩沖存儲器的廣泛應(yīng)用等，都要求總線 進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，從而出現(xiàn)了多總線結(jié)構(gòu)，多總線結(jié)構(gòu)即指c p u 與存儲器、i o 等設(shè) 備之間有兩種以上的總線，這樣可以將慢速的設(shè)備和快速的設(shè)備掛在不同的總線上，以 減少總線競爭，提高系統(tǒng)效率。 在多總線結(jié)構(gòu)中，局部總線3 ( l o c a lb u s ) 的發(fā)展最令人矚目。局部總線是指來自 處理器的延伸線路，與處理器同步操作，由于局部總線有極高的數(shù)據(jù)傳輸率，因此，其 在c p u 與高速緩沖存儲器、高速數(shù)據(jù)采集等場合得到了廣泛的應(yīng)用。 在本論文中，正是利用了局部總線中的p c i 總線完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以滿足 高速數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊蟆?2 1p c i 總線特點(diǎn) p c i 總線獨(dú)有的特點(diǎn)1 ： ( 1 ) 高性能 p c i 是一套整體的系統(tǒng)解決方案，較其它只為加速圖像或者視頻操作的局部總線優(yōu) 越。p c i 總線能提高網(wǎng)絡(luò)適配卡、硬盤的性能；可以出色的配合全活動影像、圖象及各 種高速外圍設(shè)備的要求。p c i 局部總線以3 3 m h z 的時(shí)鐘頻率操作，采用3 2 位的數(shù)據(jù)線 和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，可支持多組外圍部件及附加卡。數(shù)據(jù)的最大傳輸率可達(dá)1 3 2 m b s ， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的i s a 總線的速率。即使在3 2 位的情況下，p c i 總線也能很好的支持奔 騰( p e m i u m ) 及計(jì)算機(jī)的各種數(shù)據(jù)傳送。 ( 2 ) 突發(fā)性傳輸 p c i 能支持一種稱為線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，可確保總線不斷滿載數(shù)據(jù)。外圍設(shè) 備可以從內(nèi)存的某個地址順序的接收數(shù)據(jù)，可以減少無謂的地址操作，這樣能夠更有效 地利用總線的帶寬去傳輸數(shù)據(jù)。也就是說外圍設(shè)備可以由某個地址起讀寫大量的數(shù)據(jù)， 然后每次只需將地址自動加l ，便可以接收數(shù)據(jù)流內(nèi)的下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。另外，p c i 總線可以支持突發(fā)讀取和突發(fā)寫入，這對進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)采集尤為重要。 ( 3 ) 極小的存取延誤 支持p c i 的設(shè)備，存取延誤很小，能夠大幅度減少外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需要 的時(shí)間。例如，支持p c i 的以太網(wǎng)卡可以及時(shí)將數(shù)據(jù)傳至中央處理器，減少所需要的額 外內(nèi)存，從而減少附加卡的成本。 ( 4 ) 采用總線控制和同步操作 5 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 p c i 的總線控制和同步操作功能有利于p c i 性能的改善?？偩€主控是大多數(shù)總線都 具有的功能，目的是讓任何一個具有處理能力的外圍設(shè)備暫時(shí)接管總線，以加速執(zhí)行高 吞吐量、高優(yōu)先級的任務(wù)。p c i 獨(dú)特的同步操作功能可保證微處理器能夠與這些總線主 控同時(shí)操作，不必等待后者的完成。 ( 5 ) 不受處理器限制 p c i 獨(dú)立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨(dú)特的中間緩沖器設(shè)計(jì)方式，將中央處理器子 系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開。因此用戶可以隨意增添外圍設(shè)備，以擴(kuò)展電腦系統(tǒng)而不會因?yàn)樵?不同的時(shí)鐘頻率下導(dǎo)致c p u 性能的下降。而且，p c i 總線獨(dú)立于微處理器結(jié)構(gòu)還可以保 證不會因?yàn)樘幚砥鞲聯(lián)Q代過快而使外圍設(shè)備過時(shí)，從而保護(hù)了消費(fèi)者的利益。 ( 6 ) 適合于各種機(jī)型 p c i 總線定義了兩種信號環(huán)境：5 v 和3 3 v 。他們之間可以很容易地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而 且3 3 v 信號環(huán)境的定義為p c i 總線用于筆記本電腦開闊帶來了方便。在服務(wù)器環(huán)境下， p c i 支持分級式外圍設(shè)備的特性，可使一個p c i 界面支持一組級聯(lián)的p c i 局部總線；也 可以使擁有多組p c i 總線的服務(wù)器增添額外的擴(kuò)展插槽。 ( 7 ) 兼容性強(qiáng) 由于p c i 的設(shè)計(jì)是要輔助現(xiàn)有的擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，因此它與i s a 、e i s a 及m c a 總線 完全兼容。p c i 局部總線可提供“共用插槽“ ，以便插p c i 、i s a 及m c a 插頭。 ( 8 ) 預(yù)留了發(fā)展空間 p c i 總線在開發(fā)時(shí)預(yù)留了充足的發(fā)展空間，例如，p c i 總線支持6 4 位地址、數(shù)據(jù)多 路復(fù)用，p c i 插槽能同時(shí)接插3 2 位和6 4 位插卡。允許p c i 局部總線擴(kuò)展卡和元件自動 配置。在p c i 器件上包含有寄存器，上面有配置所需要的器件信息。 此外，p c i 總線還具有協(xié)議芯片成本低、高效益，而且p c i 規(guī)范也在不斷完善等優(yōu) 點(diǎn)。 2 2p c i 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在一個p c i 系統(tǒng)中，高速的外部設(shè)備和低速的外部設(shè)備可以共存，p c i 與i s a e i s a 總線并存。 圖2 1 是一個典型的p c i 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)啼m ，可以看出，c p u 通過主設(shè)備p c i 橋，即北 橋可以直接訪問映射于存儲器空間或者i o 空間的p c i 設(shè)備，此時(shí)c p u 只與北橋交付。 北橋是一個低延遲的訪問通道，能夠提供數(shù)據(jù)緩沖功能，以便c p u 與p c i 總線上的設(shè) 備并行工作而不必相互等待；該橋可以使c p u 與p c i 總線上的操作分開，以免相互影 響；北橋作為主設(shè)備并且提供了p c i 總線上的所有驅(qū)動機(jī)制。由此可見北橋在p c i 系統(tǒng) 中具有重要位置。 c p u 通過北橋訪問主存和a g p 設(shè)備。p c i 總線上可以有p c i 顯卡、p c i 網(wǎng)卡、p c i 6 2p c i 總線概述 聲卡、s c s i 的軟盤適配器、p c i 擴(kuò)張總線橋( 即南橋) 以及p c i 插槽。南橋可以是p c i p c i 擴(kuò)展總線橋、p c i i s a 擴(kuò)展總線橋、p c i e i s a 擴(kuò)展總線橋。通過北橋和南橋c p u 可以 訪問二級i s a 總線、e i s a 總線甚至次級p c i 總線上的設(shè)備。南橋除了可以擴(kuò)展總線外， 還可以接i d e 接口和u s b 接口等?？梢娔蠘蚴菫榱嗽趐 c i 系統(tǒng)中掛接其它總線以兼容 現(xiàn)有設(shè)備。 p c i 設(shè)備有主從之分，主從設(shè)備是相對于總線而言。主設(shè)備具有總線控制權(quán)，能夠 驅(qū)動地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，但是從設(shè)備不能驅(qū)動地址線。以圖2 1 為例，北橋和南 橋的充當(dāng)?shù)慕巧窍鄬τ谀囊患壙偩€而言，北橋?qū)τ赾 p u 總線而言是從設(shè)備( t a r g e t ) ， 對于p c i 總線而言是主設(shè)備( m a s t e r ) ；同樣在i s a 總線上南橋是主設(shè)備，而在i s a 總線 上的所有其它設(shè)備，如聲卡適配器、超級i o 均為從設(shè)備。 2 3p c i 總線的操作 圖2 1p c i 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) p c i 總線上的活動表現(xiàn)為m a s t e r 和t a r g e t 之間的信息傳輸和交互?？偩€傳輸采用命 令驅(qū)動的方式，總線命令的作用是用來規(guī)定主、從設(shè)備之間的傳輸類型。當(dāng)一個m a s t e r 得到總線的控制權(quán)后，由它來決定下一次傳輸?shù)念愋汀Ｔ趥鬏數(shù)牡刂范?，c b e 3 ：0 # 信 號線用于給出傳輸?shù)念愋兔?，被選中的從設(shè)備有效d e v s e l # 設(shè)備選擇信號表明愿意 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。若主設(shè)備采樣到有效的d e v s e l # ，在地址期結(jié)束后，進(jìn)入數(shù)據(jù)期， 從設(shè)備負(fù)責(zé)鎖存起始地址并在后繼數(shù)據(jù)傳輸中自動遞增( 假設(shè)從設(shè)備支持突發(fā)傳輸) 以 指向下一個單元( 雙字或四字) ?？偩€命令包括：中斷確認(rèn)，特殊周期，i o 讀，i o 寫， 讀內(nèi)存，寫內(nèi)存，讀配置空間，寫配置空間，雙地址周期等。p c i 總線操作比較多，這 7 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 里只作簡單介紹，詳細(xì)內(nèi)容請參閱( p c i 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一書。 2 4p c i 總線信號定義 p c i 局部總線信號5 m 1 如圖2 2 所示： 接幾 控制 錯誤4 - 報(bào)告 l 總線廣 仲裁l 系統(tǒng)4 - l 必要佰號仕瑤佰虧 。1 6 33 2 1 一 c a e l 3 0 l卜c b e 7 4 jk ，： prp r 6 4 肚0 6 4 #、 。n u m 副。 c k 6 4 # 。t r d y trdy。lock_ s t o p _ p c i 。d e v s e u、 兼容設(shè)備 rnt i d s e l。i n t i 酣。 f n t c 。 距e r 。i n t i x。 s e e 刖 。s b 刪 。 。s d o n e j、 i 也刪 g n w。 砌。 1 i x )、 。t c k。 c l k。t m s。 j 岱珊“ f r s t j “位 擴(kuò)展 中斷 3 - 高速緩存 j 支持 7 - j t a g 、 圖2 2 p c i 局部總線信號 注：圖中j f 表示低電平有效，否則為高電平有效。對于仲裁器，r e q # 為輸入，g n t # 為輸出，其它適用于仲裁器的信號的方向與主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備相同： i n 表示輸入，是標(biāo)準(zhǔn)的只作輸入的信號。 o u t 表示輸出，是標(biāo)準(zhǔn)的圖騰柱式輸出驅(qū)動信號。 t s 表示雙向的三態(tài)輸入輸出信號。 s t s 表示持續(xù)的并且低電平有效的三態(tài)信號。 o d 表示漏極開路，以線或形式允許多個設(shè)備共同驅(qū)動和分享。 ( 1 ) 系統(tǒng)信號 c l k ：對于系統(tǒng)所有的p c i 設(shè)備都是輸入信號。其頻率范圍為0 3 3 m h z 或 0 - 6 6 m i - i z ，這一頻率稱為p c i 的工作頻率，對于p c i 信號，除r s t # 、i n t a # 、i n t b # 、 i n t c # 、i n t d # 之外，其余信號都是在c l k 的上升沿進(jìn)行采樣的。 r s t # ：復(fù)位信號。用來使p c i 專用的特性寄存器、配置寄存器等恢復(fù)到規(guī)定的初 始狀態(tài)。復(fù)位時(shí)，p c i 的全部輸出一般都驅(qū)動到第三態(tài)。r e q # 和g n t # 必須同時(shí)驅(qū)動到 第三態(tài)，不能在復(fù)位期間為高或?yàn)榈?。為防止a d 、c b e # 、p a r 在復(fù)位期間浮動，可 由中央資源將它們驅(qū)動到邏輯低，但不能驅(qū)動到高電平。r s t # 和c l k 可以不同步，但 是要保證其在撤消邊沿不會有反彈。 8 ，豁 廠 0 ) ； c o u n t e rt r n p d r i v e r u n l o a d = d r i v e r u n l o a d ； d r i v e r o b j e c t d r i v e r e x t e n s i o n 一 a d d d e v i c e = a d d d e v i c e ； d r i v e r o b j e c t - d r i v e s t a r t l o = s t a r t l o ； d r i v e r o b j e c t 一 m a j o r f u n c t i o n i r p _ m j _ p n p 】_ d i s p a t c h p n p ； 設(shè)置各個i r p 的處理函數(shù)，這三個i r p 是每一個w d m 驅(qū)動程序必須處理的。 d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n i r p _ m j _ p o w e r 】2d i s p a t c h p o w e r ； d r i v e r o b j e t - m a j o r f u n c t i o n i r p _ m j _ s y s t e m _ c o n t r o l = d i s p a t c h w m i ； s e r v k e y b u f f e r = ( p w s t r ) l e x a l l o c a t e p o o l ( p a g e d p o o l ， r e g i s t r y 7 p a t h - l e n g t h + s i z e o f ( w c h a r ) ) ； i f ( ! s e r v k e y b u f f e r ) r e t u r ns m7 s i n s u f f i c i e n t _ r e s o u r c e s ； s e r v k e y m a x i m u m l e n g t h = r e g i s t r y p a t h - l e n g t h + s i z e o f ( w c h a r ) ； r t l c o p y u n i c o d e s t r i n g ( & s e r v k e y ，r e g i s t r y p a t h ) ； r e t u r ns t a t u s _ s u c c e s s ； 在d r i v e r e n t r y ( ) 例程中，驅(qū)動程序要向操作系統(tǒng)登記并注冊一些消息處理器，通 過r e g i s t r y p a t h 來找到位于注冊表中的驅(qū)動程序參數(shù)，當(dāng)驅(qū)動程序正確安裝后，在 3 6 4 驅(qū)動程序設(shè)計(jì) k e yl o c a lm a c h i n e s y s t e m c u r r e n t c o n t r o l s e t s e r v i c e 下可以找到我們的采集卡 p c i 9 0 5 4 。 4 4 2 創(chuàng)建設(shè)備例程 大多數(shù)的w d mp d o 都是在p n p 管理器調(diào)用該程序入口點(diǎn)時(shí)被創(chuàng)建的。插入新設(shè) 備后，系統(tǒng)啟動時(shí)，總線枚舉器會發(fā)現(xiàn)總線上的所有設(shè)備，會自動尋找并安裝設(shè)備的驅(qū) 動程序，并由驅(qū)動程序中的處理p n p 功能模塊自動處理a d d d e v i c e ( ) 例程及其它p l l p 消息。a d d d e v i c e ( ) 例程使用i o c r e a t e d e v i c e ( ) 函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備對象，再使用 i o r e g i s t e r d e v i c e i n t e r f a c e ( ) 函數(shù)將設(shè)備組成為一個特定的設(shè)備接口，然后使用 i o a t t a c h d e v i c e t o d e v i c e s t a c k ( ) 函數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)備棧。采集卡設(shè)備創(chuàng)建例程的定義如下： n t s t a t u sp c i 9 0 5 4 ：a d d d e v i c e ( p d e v i c e _ o b j e c tp d o ) t ( k u n i t i z e d n a m e ( l ”p c i 9 0 5 4 d e v i c e “ , m _ u n i t ) ) ， 設(shè)備名( d e v i c e n a m e ) = p c i 9 0 5 4 d e v i c e f i l e _ d e v i c e _ u n k n o w n ， n u l l ， 0 ， d ob u f f e r e di o jd op o w e rp a g a b l e i o 傳輸方式。 ) p c i 9 0 5 4 d e v i c e ( p d o ，r e _ u n i t ) ； i f ( p d e v i c e = = = n u l l ) t “”e r r o rc r e a t i n gd e v i c ep c i 9 0 5 4 d e v i c e ” c o n s t r u c t o r s t a t u s 0 ； i f ( ! n t _ s u c c e s s ( s t a t u s ) ) ) 如果不成功，返回錯誤狀態(tài)并刪除指針。 t ”e r r o rc o n s t r u c t i n gd e v i c ep c i 9 0 5 4 d e v i c e ” “( u l o n g ) m u n i t ”s t a t u s ”( u l o n g ) s t a t u s “e o l ； d e l e t ep d e v i c e ；) e l s e 如果成功，向系統(tǒng)報(bào)告設(shè)備的電源狀態(tài)發(fā)生了變化。 m t l i t h ； p d e v i c e - r e p o r t n e w d e v i c e p o w e r s t a t e ( p o w e r d e v i c e d 0 ) ；) 3 7 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 iiii! i 暑宣i 宣暑薯 r e t u r ns t a t u s ； 4 4 3 打開設(shè)備 驅(qū)動程序?yàn)樵O(shè)備的硬件層編程服務(wù)，但同樣需要提供和應(yīng)用程序進(jìn)行通信的能力， 從而達(dá)到應(yīng)用程序控制設(shè)備的目的。我們的采集系統(tǒng)正是基于上述考慮，設(shè)計(jì)了w d m 驅(qū)動程序的i o 控制，并提供與上層總控軟件的i o 接口。在w i n 2 0 0 0o s 中，應(yīng)用程 序?qū)崿F(xiàn)與w d m 驅(qū)動程序通信的過程是：應(yīng)用w i n 3 2 c r e a t e f i l e ( ) 函數(shù)打開設(shè)備。然后 用d e v i c e l o c o n t r o l ( ) 函數(shù)和w d m 進(jìn)行通信，包括從w d m 中讀取數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)給 w d m 兩種情況，也可用r e a d f i l e ( ) 函數(shù)從w d m 讀數(shù)據(jù)或用w r i t e f i l e ( ) 函數(shù)寫數(shù) 據(jù)給w d m 。當(dāng)應(yīng)用程序退出，用c l o s e h a n d l e ( ) 函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。這將產(chǎn)生對應(yīng)于此設(shè) 備對象的相應(yīng)的i r p 。 在創(chuàng)建設(shè)備后，為了使w i n 3 2 上層總控軟件可見，我們必須為每個設(shè)備創(chuàng)建符號鏈 接。創(chuàng)建符號鏈接有兩種方法：第一種方法是采用顯示的“硬編碼“ 符號鏈接名，用戶 態(tài)程序必須類似的把設(shè)備名硬編碼到源代碼中，這種方式適用于w i n d o w sn to s ；另外 一種方法是使用“設(shè)備接口“ ，每個設(shè)備接口由一個1 2 8 位的全局唯一標(biāo)志符標(biāo)志g u i d 。 用戶態(tài)設(shè)備可以取得擁有此g u i d 的設(shè)備。本驅(qū)動程序采用第二種方法。 這里需要重點(diǎn)介紹的是o p e n b y i n t e r f a c e ( ) 函數(shù)，它用g u i d 接口方式與w d m 通 信，我們的程序中o p e n b y i n t e r f a c e ( ) 函數(shù)在o p e n b y i n t f c p p 文件中，源代碼如下： h a n d l eo p e n b y i n t e r f a e e ( g u i d * p c l a s s g u i d ，設(shè)備的g u i d 。 d w o r di n s t a n c e ，設(shè)備的序號。 p d w o r d p e r r o r 存放應(yīng)用程序打開設(shè)備時(shí)的錯誤編號。 ) 返回值為設(shè)備