一种基于PCI接口的模拟量输出控制装置

一种基于pci接口的模拟量输出控制装置
技术领域
1.本发明涉及工业测控领域数据采集及控制装置，尤其涉及基于pci接口的模拟量输出控制装置。


背景技术：

2.在目前的工业测控领域中，存在对高精度的仪器设备按照一定的算法进行实时控制的需求，即输出数字和模拟信号去控制外部应用系统，同时各种传感器信号作为数字输入反馈到工业控制计算机，用于更新控制系统的状态。
3.目前在工业控制计算机上最通用的通信接口是外设部件互连标准(peripheral component interconnection简称pci)总线接口。工业测控领域中非常常用的一种控制方案就是，工业控制计算机通过pci接口接收外部待控制系统的数据，并通过pci接口对外部待控制系统发送控制指令，实现高速精密的控制。
4.然而，目前基于pci接口的模拟量输出控制装置存在着输出模拟量转换速度慢、分辨率低、与外部系统接口少、只能输出模拟信号等缺点，因此提供一种基于pci接口的具有一定数量的数字量和模拟量输入输出接口，对控制信号处理速度快、转换精度高，能准确控制外部系统状态的模拟量输出控制装置是非常必要的，在降低成本的同时提高控制外部系统模拟量的转换速度、精度，对提升工业控制的效率具有促进作用。


技术实现要素：

5.本发明针对工控机难以直接在高速环境下控制外部精密设备的问题，提出了一种基于pci接口的模拟量输出控制装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于pci接口的模拟量输出控制装置，该装置包括模拟量输出装置、主控单元、pci接口通信装置、电源模块、外部接口以及上位机。
7.模拟量输出装置包括若干个数模转换装置和与数模转换装置相同数量的放大电路模块；所述数模转换装置一端与放大电路模块连接，另一端直接与主控单元进行连接，接收主控单元的指令；所述放大电路模块与外部接口连接，输出模拟量信号控制外部设备；
8.主控单元是整个模拟量输出控制装置的核心控制模块，其中包括fpga芯片以及存储器芯片两部分，用于模拟量输出装置和上位机的协同控制和时序控制，主控单元资源分为四部分，其中主控单元的一部分资源用以实现模拟量输出装置的控制，按照模拟量输出装置芯片的时序要求给其发送串行信号。另一部分资源用以实现主控单元与外部接口通过电平转换芯片的通信，实现数字信号的输入输出，主控单元还有一部分资源用来对存储器芯片进行时序控制，实现上位机中关键数据的存储和读取。同时，还有一部分资源用以实现模拟量输出装置、pci接口通信装置和上位机的协同控制，包括上位机控制命令的接收和解析、模拟量输出装置的时序控制之间的协同；
9.pci接口通信装置用于与上位机的通信，将上位机发出的指令发送到主控单元上，
主控单元根据指令对模拟量输出装置进行控制。pci接口通信装置包括存储器芯片、pci接口芯片以及pci总线，三者依次连接。所述pci接口芯片用于实现pci总线协议的解析和处理，所述存储器芯片中保存pci总线协议程序，所述pci总线与上位机连接，实现主控单元与上位机之间的数据交互；
10.电源模块包括数字电源和模拟电源两部分，为模拟量输出控制装置供电。所述数字电源为数字信号传输部分供电，包括主控单元、数字输入输出接口部分以及pci接口通信装置的供电，模拟电源主要为数模转换装置以及放大电路模块供电，分为两部分的电源模块供电使得模拟量与数字量之间互不干扰，提高信号输出质量；
11.外部接口为db37接口，其上分布了外部设备连接的输入输出接口，具有若干路模拟量输出接口，若干路数字输入接口、若干路数字输出接口，用于与外部设备的连接；
12.上位机用于发送的控制信号以及需要传输的数据信号至过pci接口通信装置，经过主控单元的解析，与主控单元配合实现模拟量和数字量信号的输出以及部分数字量信号的存储。
13.进一步地，所述主控单元采用xilinx公司的spartan3系列的fpga芯片xc3s50tq144，采用as配置模式，即主动串行配置模式进行硬件配置，配置采用的prom芯片为xilinx公司的xcf01s芯片，同时保留jtag接口用于调试，主时钟频率为8mhz；主控单元上电后处于待机状态，直到接收到上位机下发的输出开始控制命令，然后根据控制命令配置输出参数并启动输出控制时序，控制模拟量输出装置进行信号输出。
14.进一步地，所述模拟量输出控制装置包括8个数模转换装置、8个放大电路模块，所有数模转换装置均采用pcm56u芯片，实现16位高精度模拟量输出；所有放大电路模块均采用tlv172轨到轨运算放大芯片，搭建为反向放大器，按照比例实现
±
10v电压输出。
15.进一步地，所述pci接口通信装置包括存储器芯片、pci接口芯片、pci总线，存储器芯片采用型号为93lc46的eeprom芯片，pci接口芯片采用plx公司的pci9052接口芯片，pci接口通信装置一端与主控单元连接，另一端与pci总线连接。pci总线符合pci总线协议，pci总线一端与pci接口芯片相连接，另一端插在计算机主板内的任一pci插槽中。
16.进一步地，所述的电源模块包括数字电源、模拟电源，所述数字电源使用ti公司的lm2655、lm2651、lp3988芯片产生1.2v、3.3v、2.5v用于主控单元的供电。模拟电源给数模转换装置的供电采用trn3
‑
0521电源模块，产生
±
5v的供电电压，满足数模转换装置的功率以及纹波需求，放大电路模块的正负电源分别使用ti公司的芯片adp7182、adp7142进行供电，产生
±
11.5v的供电电压实现低于50mv纹波的高质量电压输出。
17.进一步地，上位机包括模拟量输出控制部分、数字量输入输出部分以及存储器读写部分。模拟量输出控制用于设置模拟量输出装置的输出数据，进而控制外部设备。数字量输入输出部分用于发送和接收外部接口端的数字输出和输入信号，通过写入相应的地址可发送或读取相应外部接口上的数字信号，其中读取的数字信号作为反馈量调整上位机输出模拟量的状态。存储器读写部分可以对板上存储器芯片进行读写操作，实现卡号、出厂日期以及传输数据等信息的写入和读取。
18.本发明的有益效果是：本发明设计并实现了8通道16位高精度模拟量输出控制设备，每个通道都带有精密的数模转换器，可以输出
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10v的电压范围且具有16位高分辨率、2μs建立时间的高精度高速模拟量输出功能；采用低纹波模拟电源单独供电，降低了输出信
号的干扰；每个通道的输出值可以单独控制，提高了设备的灵活性；带有多路数字信号输入输出用于控制外部设备，提高了可以控制外部系统的范围；使用pci接口的通信，大大提高了与上位机的数据传输效率。适用于自动化测试设备、信号生成、工业过程控制等多种工业控制应用。
附图说明
19.图1是本发明的整体结构框图；
20.图2是本发明的外部接口的电路图；
21.图3是本发明的数模转换装置的电路图；
22.图4是本发明的放大电路模块的电路图；
23.图5是本发明的主控单元的电路图；
24.图6是本发明的pci接口芯片的电路图；
25.图7是本发明的电源模块数字部分电路图；
26.图8是本发明的电源模块模拟部分电路图；
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
28.如图1所示，本发明提供的一种基于pci接口的模拟量输出控制装置，包括外部接口、模拟量输出装置、主控单元、pci接口通信装置、电源模块以及上位机；所述模拟量输出装置包括8个数模转换装置和与数模转换装置相同数量的放大电路模块；所述数模转换装置一端与放大电路模块连接，另一端直接与主控单元进行连接，接收主控单元的指令；所述放大电路模块与外部接口连接，输出模拟量信号控制外部设备；主控单元与外部接口通过alvc164245电平转换芯片连接，得到8路数字输入信号，8路数字输出信号，实现16位高精度模拟量输出；主控单元通过alvc164245电平转换芯片连接pci接口通信装置，进而与上位机进行通信，电源模块给装置供电，其输入电压
±
12v、+5v由工业控制计算机的主板提供。
29.所述主控单元是整个模拟量输出控制装置的核心控制模块，其中包括fpga芯片以及存储器芯片两部分，用于模拟量输出装置和上位机的协同控制和时序控制，主控单元资源分为四部分，其中主控单元的一部分资源用以实现模拟量输出装置的控制，按照模拟量输出装置芯片的时序要求给其发送串行信号。另一部分资源用以实现主控单元与外部接口通过电平转换芯片的通信，实现数字信号的输入输出，主控单元还有一部分资源用来对存储器芯片进行时序控制，实现上位机中关键数据的存储和读取。同时，还有一部分资源用以实现模拟量输出装置、pci接口通信装置和上位机的协同控制，包括上位机控制命令的接收和解析、模拟量输出装置的时序控制之间的协同；
30.所述上位机用于发送的控制信号以及需要传输的数据信号至pci接口通信装置，经过主控单元的解析，与主控单元配合实现模拟量和数字量信号的输出以及部分数字量信号的存储。
31.如图2所示，外部接口属于db37接口，其上分布了外部设备连接的输入输出接口，具有若干路模拟量输出接口，若干路数字输入接口、若干路数字输出接口，用于与外部设备的连接；外部接口分别与8个数模转换装置以及fpga模块相连接；数模转换装置的模拟信号
输出端vout0、vout1、vout2、vout3、vout4、vout5、vout6、vout7经过tlv172轨到轨运算放大芯片放大后连接到外部接口的输入端daout0、daout1、daout2、daout3、daout4、daout5、daout6、daout7。
32.如图3所示，8个数模转换装置均由pcm56u芯片组成，pcm56u芯片是一个16位串行输入，电压输出的数模转换器；主控单元输出端经8个数模转换装置连接到外部接口的输入端，图中为第一组数模转换装置的电路连接图，主控单元为数模转换装置提供16位的数字信号da1din及控制信号clk1和le1，输出信号vout0接入后续的放大电路模块中。
33.如图4所示，8个放大的电路模块均基于tlv172轨到轨放大芯片组成，按照比例实现
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10v电压输出。图中为第一组放大电路原理图，可见其搭建为反向放大器，将输入信号vout0进行按比例反向放大后，得到输出信号daout0并将其接到外部接口上。
34.如图5所示，主控单元采用xilinx公司的spartan3系列的fpga芯片xc3s50tq144，分别与外部接口、数模转换装置、pci接口通信装置相连接，采用as配置模式，即主动串行配置模式进行硬件配置，配置采用的prom芯片为xilinx公司的xcf01s芯片，同时保留jtag接口用于调试，主时钟频率为8mhz；主控单元上电后处于待机状态，直到接收到上位机下发的输出开始控制命令，然后根据控制命令配置输出参数并启动输出控制时序，控制模拟量输出装置进行信号输出。信号线fd1至fd8、fwr、frd、fads、freset、1dir信号经过电平转换芯片后与pci接口通信装置对应信号线连接，实现与pci总线的数据通信，信号线din0至din7以及dout0至dout7通过电平转换芯片连接外部接口，实现数字信号输入输出，信号线da1din至da8din、clk1至clk8以及le1至le8连接数模转换装置，实现数据传输与时序控制。
35.如图6所示，pci接口通信装置用于与上位机的通信，将上位机发出的指令发送到主控单元上，主控单元根据指令对模拟量输出装置进行控制。包括存储器芯片、pci接口芯片、pci总线，存储器芯片采用型号为93lc46的eeprom芯片，pci接口芯片采用plx公司的pci9052接口芯片pci接口通信装置一端通过alvc164245电平转换芯片与主控单元连接，另一端与pci总线连接，用于实现pci总线协议的解析和处理，所述存储器芯片中保存pci总线协议程序，所述pci总线与上位机连接，实现主控单元与上位机之间的数据交互。pci总线符合pci总线协议，pci总线一端与pci接口芯片相连接，另一端插在工业控制计算机主板内的任一pci插槽中。
36.所述电源模块包括数字电源和模拟电源两部分，为模拟量输出控制装置供电，所述数字电源为数字信号传输部分供电，包括主控单元、数字输入输出接口部分以及pci接口通信装置的供电，模拟电源主要为模拟量输出装置以及放大电路模块供电，分为两部分的电源模块供电使得模拟量与数字量之间互不干扰，提高信号输出质量；
37.如图7所示，数字电源由lm2655、lm2651、lp3988芯片产生+3.3v，+2.5v和+1.2v电压用于主控单元的供电，其中+3.3v为fpga提供参考电压，+2.5v为fpga提供辅助电压，+1.2v为fpga提供内部核电压。
38.如图8所示，模拟电源由trn3
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0521电源模块输出
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5v电压，用于数模转换装置的供电，满足数模转换装置的功率以及纹波需求，放大电路模块的正负电源分别使用ti公司的adp7182、adp7142芯片输出
±
11.5v电压，用于放大电路模块的供电，实现低于50mv纹波的高质量电压输出。
39.所述上位机包括模拟量输出控制部分、数字量输入输出部分以及存储器读写部
分。模拟量输出控制部分用于设置模拟量输出装置的输出数据，进而控制外部设备。数字量输入输出部分用于发送和接收外部接口端的数字输出和输入信号，通过写入相应的地址可发送或读取相应外部接口上的数字信号，其中读取的数字信号作为反馈量调整上位机输出模拟量的状态。存储器读写部分可以对板上存储器芯片进行读写操作，实现卡号、出厂日期以及传输数据等信息的写入和读取。
40.本发明的工作过程如下：工业控制计算机中的上位机通过pci接口通信装置向板卡发出指令，pci接口通信装置接收到上位机相应的指令后，将指令转发到主控单元中，主控单元收到指令后，根据指令并根据其时序向8个高精度模拟量输出装置发送控制信号以及16位的数字信号，8个数模转换装置进而输出相应的模拟信号，此信号经放大电路模块放大后经过外部接口模块输出。另外，主控单元通过alvc164245电平转换芯片连接到外部接口模块，直接输出8路数字信号控制外部设备状态，同时外部设备输出的数字信号作为反馈信号经由外部接口模块、主控单元反馈至上位机，从而实现对系统状态的控制。实现了8通道16位分辨率的
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10v可控模拟电压输出，并且每个通道的输出值可以单独控制。本发明具有16位高分辨率、高精度的模拟输出功能，适用于自动化测试设备、各种波形的信号生成、工业过程控制和其他一些工业控制应用。
41.上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。