基于CompactPCI总线数字隔离I/O模块的实现

1、引言

　　PCI总线一个重要的特点是其具有极高的数据传输速度，是新一代微机的标准总线，但是PCI的金手指插卡方式不能满足工业的高机械强度要求。CompactPCI规范是由PICMG制定的，在电气、逻辑和软件功能方面与PCI标准完全兼容（PCI规范请详见参考文献1），它制定了机械结构上更加坚固耐用的PCI版本，用于工业和嵌入式应用，是一种新的开放的工业计算机标准。本文介绍的基于CompactPCI总线的数字隔离I/O模块是应用于对抗震性能要求较高的内场测试系统上。

2、CompactPCI总线接口的设计

　　目前CompactPCI接口卡的设计一般有两种方法，第一种是基于将PCI接口完全集成到ASIC中，这样做的好处是集成度高，量产的生产成本低，直接用成熟的核。另一种方法可以根据CompactPCI协议在FPGA中实现CompactPCI总线接口控制器，但是由于CompactPCI总线协议自身的复杂性，要想在短期内做到操作稳定，难度很大。综合项目需求、成本、开发难易及后续开发等几个问题考虑，选择了PLX9030芯片作为设计基于CompactPCI总线的接口芯片。

2.1、PLX9030实现CompactPCI总线接口设计

　　如图2所示，设计主要由三个功能部分组成：一个是PLX9030与CompactPCI总线的接口控制逻辑，一个是它与局部总线的接口控制逻辑，还有一个即是与CompactPCI配置存储器串行EEPROM的接口控制逻辑。

　　PLX9030接口控制芯片把CompactPCI总线和局域总线连接起来，把所有的CompactPCI接口信号做在芯片内部。本模块局域总线控制单元，用于输入输出选通控制，应用简单译码、琐存和缓冲，最终实现可分别一一控制的16位数据输入和16位数据输出，控制原理比较简单，为了节约板卡空间，用CPLD7128完成。设计方法请详见参考文献3。CompactPCI配置存储器串行EEPROM的接口控制逻辑是设计中的重点。

2.2配置寄存器

　　PCI规范规定任何PCI设备必须实现一定数目的配置寄存器，以提供必要的配置信息。9030对应的串行EEPROM容量需大于2Kbit（128words＊16bit），并且需要有地址自增功能，在该课题中选用了93LC66芯片。PLX9030提供了与串行EEPROM管脚—一对应的接口，只需对应连接即可，如图2。需要配置的寄存器请详见参考文献2。

　　上电过程中，PLX9030的内部寄存器由PCIBUS的RST#信号复位，并给出响应信号RETRY，在LOCALBUS上输出LRESET#信号，检查串行EEPROM是否存在。如果安装了EEPROM，PLX9030开始读串行EEPROM，若读出的第一个字非FFFFH，则PLX9030继续读操作，PLX9030用EEPROM中的值来配置片内的寄存器，否则认为EEPROM无效使用缺省值。对PLX9030来讲，EEPROM的前四个字节应该是30H、90H、B5H、10H,其中9030H为设备号，10B5H为厂商号。则PLX930用EEPROM中的值来配置片内的寄存器，否则使用缺省值。

3、模块隔离电路的设计

　　隔离是指使用变压器、光电或电容耦合等方法在被测系统与测试系统之间传递信号，避免了直接的电气或物理连接。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收端（二次侧）是电绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰的能力，且速度高，价格低，接口简单，因而得到广泛的应用。

　　光电耦合器的一次侧都是发光二极管，但是二次侧有很多种结构，如光敏二极管、光敏晶体等，本卡选用光电耦合器的是高速CMOS型的,传输率可达10MHZ，型号为HCPL2630,原理说明请详见参考文献4。它的一次侧与二次侧的延迟时间只有28ns,因此速度远远超过普通光电三极管型的光电隔离管。内部结构原理图如3。加装光电隔离电路的方法如图4。

　　由于光电耦合器的前端是发光二极管，最大电流不能超过15mA，因此一定要加上限流电阻R。限流电阻R的阻值的大小，对光电耦合器的性能影响很大。R过大，会导致脉冲边缘延迟较大，R过太小，又很容易使光电耦合器前端发光二极管损坏而缩短光耦寿命。因此需要经过多次反复的实践才能最后确定。由于器件有个体的差异，在调试过程中，也遇到个别的光电耦合器在运行一段时间后才发现驱动能力不够，需要减小限流电阻、增大电流才能使发光二极管可靠导通的情况。

　　光电耦合器输入端和输出端供电要使用不同电源，于是在板卡上应用了DC5V—DC5V电源隔离模块，自带∏型滤波器，在增加少量的外加电路后能达到很小的输出纹波。

4、模块的硬件原理

　　如图5，当数字信号从CompactPCI的J2连接器输入到数字隔离I/O模块时，首先经过了光耦隔离器，保证了外部的信号不对板上其他信号造成电压冲击;当总线发出读操作命令时，PLX9030、CPLD接收了读操作命令，相应的控制位把隔离后的信号送给CompactPCI总线。

　　当数字信号从CompactPCI总线向局部总线输出时，首先通过PLX9030把相应的控制位和数据送到CPLD中，CPLD接受了命令后，把相应的数据经光耦隔离器及驱动器送出。外部设备可以通过CompactPCIJ2自定义针脚根据需要进行控制。

5、WinDriver开发设备驱动程序

（1）打开WinDriver应用程序后，出现DriverWizard，选择创建新Driver，出现当前系统中所有的硬件卡的列表，如图6所示。

　　从列表中选择需要建立驱动程序的硬件设备，对于PCI设备，点击Generate.INF按钮建立安装信息文件1518.inf。然后对1518.inf中的部分内容按照板卡所需信息进行修改。

（2）用DriverWizard生成操作硬件的应用程序级API函数。存放于DIO.h文件中。

（3）启动VC++6,建立一个DLL工程，将Wizard产生的部分单元文件包含进工程中，在此基础上加入完成特定任务的代码，利用DIO.h中的API函数，完成DIO.c，并提供应用程序的调用接口。

（4）编写接口单元文件DIO.def，将工程编译成动态链接库DIO.dll。应用程序就可以直接调用此动态链接库。在主测试程序中调用DIO.dll动态链接库，操纵数字隔离I/O模块配合其它模块运行。

6、运行结果及讨论

　　至今为止，基于本方案的数字隔离I/O模块已经成功地应用于内场测试系统中并实现量产。数字隔离I/O模块是CompactPCI结构的内场综合测试系统的重要模块之一，能够同时实现数字信号输入和输出两大模块的功能，简化了外围硬件的选择，也提高了系统的通用性和可扩展性;同时对输入输出采取了光电隔离措施，使系统同外部设备之间实现了电绝缘，整个系统的抗干扰性能大大提高。该模块的设计具有通用性，可以应用到其它CompactPCI总线的系统中，随着CompactPCI总线在军事工业领域的应用不断增多，有广阔的发展应用前景。

　　本文作者创新点：数字隔离I/O模块实现了数字信号输入和输出两大模块的功能，简化了外围硬件的选择，提高了系统的通用性和可扩展性;同时对输入输出采取了光电隔离措施，使系统同外部设备之间实现了电绝缘，整个系统的抗干扰性能大大提高。