0引言

    聲發(fā)射技術是光纖傳感技術和聲發(fā)射技術相結合的產物，是目前聲發(fā)射技術的發(fā)展趨勢。它將高靈敏度聲發(fā)射傳感器安裝于受力構件表面以形成一定數目的傳感器陣列，實時接收和采集來自于材料缺陷的聲發(fā)射信號，進而通過對這些聲發(fā)射信號的識別、判斷和分析來對材料損傷缺陷進行檢測研究并對構件強度、損傷、壽命等進行分析和研究。

    在實際的構件檢測中，現場聲源信號通常是在100～800 kHz之間的微弱高頻信號，而且材料損傷檢測、聲發(fā)射源定位往往需要多個傳感器形成傳感器陣列，而聲發(fā)射信號的數據傳輸系統(tǒng)必須達到640 Mbps以上的數據傳輸能力；并應具有應付突發(fā)或長時間數據接收和存儲能力。本文就是利用CPLD來實現對聲發(fā)射信號的采集，從而有效解決了數據的實時傳輸和存儲問題。

1 系統(tǒng)方案設計

    本方案采用FIFO存儲器構成外部大容量數據緩沖區(qū)，而使用PCI總線的DMA傳輸方式與微機進行高速數據傳輸?，F場聲發(fā)射信號經過AD轉換和驅動電路驅動后進入PCI板卡，然后將部分數據鎖存，同時將并行信號轉換為串并行信號，通過CPLD控制邏輯電路存入FIFO。當FIFO存儲器中的數據到達一定狀態(tài)時，CPLD控制邏輯會產生中斷信號給PCI9054總線控制器，之后由后者啟動DMA傳輸將數據傳人計算機內存中。DMA傳輸完成后，PCI9054產生通道中斷，并由計算機將數據從內存取出存入硬盤。該數據存儲傳輸模塊的總體框圖如圖1所示。

2 FIFO數據存儲電路設計

    FIFO是一個先人先出的雙口緩沖器，為保證整個系統(tǒng)正常工作，FIFO存儲器允許系統(tǒng)進行DMA操作，以提高數據的傳輸速度。否則，數據傳輸將達不到傳輸要求，而且會大大增加CPU的負擔，甚至無法同時完成數據的存儲。

    本設計在數據傳輸系統(tǒng)中采用了六片IDT72281芯片來緩存數據，并將其分成兩組，其中由三片FIFO進行字寬擴展，圖2所示是其緩存?zhèn)鬏斒疽鈭D。按照這種設計，其字寬可達27位，可以傳輸24位數據和兩個OTR位。

3 CPLD邏輯控制

    本系統(tǒng)中由于要對高速信號進行處理，因此，對控制信號的時序要求比較嚴格。在控制芯片的選擇上要盡量選用時延小、速度快的芯片。本設計采用美國Altera公司的MAX7000S系列可編程邏輯器件EPM7128SLC84-15，并采用MAX+PlusⅡ來完成系統(tǒng)的輸入、編譯、驗證及編程，進而完成向量測試及仿真．最后的數據可通過下載線傳輸到芯片中來完成芯片的配置。

3.1 CPLD邏輯控制電路

    CPLD為采樣控制器的核心，數據傳輸所要求的嚴格時序控制關系就由CPLD負責處理。它在本系統(tǒng)中主要負責產生與PCI9054的握手信號、數據存儲器的片選信號和讀寫控制信號。CPLD的外圍信號接口如圖3所示。

    CPLD可根據FIFO存儲器的時序控制要求產生控制信號，并在第一個時鐘周期中將數據分別存入FIFO和數據鎖存器74LS373中，而在第二個時鐘周期將鎖存器中的數據再存入FIFO，從而完成并行數據向串行數據的轉換。同時根據存儲器的相關信號向PCI9054控制器發(fā)出中斷請求，并在PCI9054讀取數據時產生相應的控制邏輯。

3.2 CPLD控制邏輯

    當并行數據進入板卡后，CPLD首先將一部分數據存入鎖存器，而將另一部分數據直接存入FIFO。但此時必須將寫時鐘信號WCLK進行二分頻，以便在一個AD轉換周期內完成兩次FIFO寫操作。當FIFO數據到達半滿時，CPLD便向PCI9054發(fā)出中斷申請，并由PCI9054將該申請傳入計算機。若系統(tǒng)響應該中請，則在中斷響應程序內發(fā)出讀命令，以讀取字節(jié)數和地址信號等。

    PCI9054通過LHOLD申請LOCAL總線控制權，而CPLD則通過LHOLDA響應，以使PCI9054能得到局部總線的控制權。PCI9054首先將PCI地址窄間映射到本地地址空間，接著啟動本地總線的散聚DMA周期。CPLD收到讀信號(LW／R)、地址選通信號(ADS)和地址(LA16、LA17)后便開始傳送數據。當LA16位為0，LA17位為1時，系統(tǒng)將使能后三片FIFO的讀使能端(REN2)，以使后三片FIFO數據線上的Q0～Q31有效而同時也使PCI9054的準備好信號(READY)有效，開始數據傳送。在最后一個數據傳送之前，BLAST信號有效，之后，CPLD將在一個時鐘周期后使FIFO的讀使能(REN1或REN2)無效，從而完成一次數據傳送過程。

3.3 控制程序設計

    PCI9054單周期讀、寫和DMA讀的VHDL語言時序控制狀態(tài)機設計如圖4所示。圖中，S0為空閑狀態(tài)。當本地總線請求信號LHOLD被置1時轉到S1，否則留在S0。S1為總線保持狀態(tài)，此狀態(tài)下應將本地總線響應信號LHOLDA置1。如ADS信號為0且LW／R為1則轉到S3，如ADS信號為1且LW／R和BLAST為0則轉到S4，這種狀態(tài)表明此次讀操作為單周期讀。S2為DMA讀狀態(tài)，在此狀態(tài)下應將READY信號和FIFO讀使能信號REN1置0。如BLAST為1，則表明此次DMA讀取還未完成，應繼續(xù)留在S2，如BLAST為0，則表明此次DMA讀取完成，可轉到S4。S3為單周期寫狀態(tài)，此狀態(tài)下也要置READY信號為0以表示寫數據有效，并在BLAST為0時轉到S4。S4為讀寫操作完成狀態(tài)，當LHOLD被置0時，表明PCI9054不再請求本地總線，此時應轉到S0，當BLAST為0且LHOLD為1時，表明PCI9054還要進行數據讀寫，故應轉到S1繼續(xù)操作。

3.4 控制程序邏輯的仿真結果

    MAX+PLUSⅡ是開發(fā)Aletra公司的FPGA／CPLD系列產品的軟件工具，本設計利用此工具提供的設計環(huán)境和設計工具來對CPLD控制程序進行開發(fā)和調試。其功能時序如圖5所示。

   CPLD的設計是用VHDL編程實現的。本設計的操作代碼都已經過仿真，并在實際調試中得到應用。

4 系統(tǒng)驅動程序設計

    本設計使用DriverWorks的DriverWizard來創(chuàng)建WDM框架程序?？筛鶕O計需求添加程序代碼，從而完成PCI設備的DMA傳輸系統(tǒng)驅動程序，以執(zhí)行DMA操作、訪問I／O端口和存儲器空間、處理器中斷和訪問PCI。根據系統(tǒng)需要，驅動程序的關鍵是三個方面：硬件訪問、中斷處理和DMA傳輸。

    KdmaAdapter類可用于建立一個DMA適配器，以標明一個DMA通道的特性和提供串行化訪問服務；KDmaTransfer類則用于控制DMA的傳輸和啟動DMA傳輸，以傳輸DMA數據緩沖區(qū)物理地址和字節(jié)數，DMA傳輸結束后，數據將由公用緩沖區(qū)拷貝到應用數據緩沖區(qū)；KCommon DmaBuffer用于實現公用緩沖區(qū)的操作。對于DMA操作，本系統(tǒng)還提供了一個特殊的內存，即公用緩沖區(qū)。應當說明的是，公用緩沖區(qū)是稀有的系統(tǒng)資源，應該避免浪費使用。

5 結束語

    本文給出了數據緩存、傳輸模塊控制電路的設計，并采用VHDL語言和CPLD很好的完成邏輯控制任務和系統(tǒng)驅動程序的編寫與調試。實驗結果表明，該數據存儲傳輸模塊的硬件、軟件工作十分可靠、穩(wěn)定，可實現640 Mbps(80 MByte／s)以上實時數據的存儲與傳輸，完全能滿足聲發(fā)射信號采集的要求。