收稿日期:2005-03-15作者簡介:馬忠孝(1968—,男,陜西省武功縣人,博士生,主要研究方向為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)、計算機(jī)控制與智能控制;陳明(1939—,男,江蘇省南京人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為傳感器技術(shù)、信號處理、導(dǎo)航技術(shù)、智能控制技術(shù);何鵬舉,博士;毋建宏,副教授,博士生。一種新型多接口E1數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)馬忠孝,陳明,何鵬舉,毋建宏(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,陜西西安710072摘要:論述了多接口E1數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計和實現(xiàn)方式,并給出了數(shù)據(jù)采集卡的軟/硬件結(jié)構(gòu)圖。這種E1數(shù)據(jù)采集卡是利用E1(2M子速率傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備,硬件結(jié)構(gòu)基于FPGA,具有兩種數(shù)據(jù)訪問接口,即:ISA總線和RS232串口,根據(jù)需要可靈活設(shè)置。軟件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮姆椒?在WIN2000操作系統(tǒng)環(huán)境下實現(xiàn)了即插即用功能。應(yīng)用結(jié)果表明:這種具有多種數(shù)據(jù)訪問接口的設(shè)計是一種有效而實用的方法,極大地增強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性,并節(jié)約了系統(tǒng)資源。關(guān)鍵詞:E1數(shù)據(jù)采集卡;ISA總線;FPGA;RS232串口中圖分類號:TP334.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1000-8829(200604-0044-04DesignandImplementationofaNovelMulti2PortE1SignalCardMAZhong2xiao,CHENMing,HEPeng2ju,WUJian2hong(AutomationCollege,NorthwesternPolytechnicalXi’an710072,Abstract:DesignandimplementationofanovelE1(isintelecommu2nicationfieldareintroduced.ofisObjectorientedmethodisadopt2edinsoftwareandplayundertheoperationsystemofWin2000.ThiscardtransmitsrateofE1(2M.Itprovidestwodataaccessinterface(ISAbusandRS2322port.Applicationindicatesthatitiseffective,flexibleandconvenient.Keywords:E1SC;ISA2bus;FPGA;RS2322port在我國,不論是準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH還是同步數(shù)字體系(SDH,都是以2.048Mb/s(E1為基礎(chǔ)。隨著我國國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,我國已擁有了豐富的E1信道資源。作為基本速率(2.048Mb/s的標(biāo)準(zhǔn)傳輸方式,E1在目前通信網(wǎng)絡(luò)中被廣泛使用,但與DDN租用專線不同的是,電信部門并不提供2.048Mb/s部分帶寬(n×64kb/s服務(wù),在使用者不需要占用全部帶寬的情況下,2.048Mb/s速率將造成一定程度的浪費。在動力與環(huán)境集中監(jiān)控等領(lǐng)域,現(xiàn)場監(jiān)控單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是異步串行的RS232數(shù)據(jù),它的傳輸距離只有15m。但需要將這種異步串行的RS232數(shù)據(jù)傳送幾10km或更遠(yuǎn)處的區(qū)域監(jiān)控中心,這就出現(xiàn)了矛盾。針對這種情況,市場上出現(xiàn)了一種E1復(fù)用設(shè)備,利用E1的某個或某幾個時隙傳送用戶的數(shù)據(jù)(異步串行的RS232數(shù)據(jù)而不影響原數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送,這種設(shè)備的傳輸方式是點對點的方式。當(dāng)這種設(shè)備廣泛用到移動基站監(jiān)控等監(jiān)控領(lǐng)域時,又提出一個問題:即現(xiàn)有的移動基站等通信機(jī)房的監(jiān)控系統(tǒng)因為是星型組網(wǎng),所以當(dāng)監(jiān)控點數(shù)較多時,在監(jiān)控中心利用上述同樣的E1復(fù)用設(shè)備必然會造成在監(jiān)控中心的大量E1復(fù)用設(shè)備的堆疊,不易安放,不易維護(hù)且成本高。為解決這個問題,就考慮在區(qū)域監(jiān)控中心將多條E1上復(fù)用的監(jiān)控數(shù)據(jù)匯接到一條E1(可利用現(xiàn)有的交換設(shè)備上去,然后將這條E1上的數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來的監(jiān)控數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心的計算機(jī)(工控機(jī),如圖1所示。要實現(xiàn)這樣的功能,目前市場上有兩種產(chǎn)品,一種產(chǎn)品(稱為產(chǎn)品1是將這條E1的數(shù)據(jù)同樣恢復(fù)成RS232的形式,然后通過插入計算機(jī)(工控機(jī)的多串口卡接入到計算機(jī)內(nèi)(虛線框中所示,另外一種產(chǎn)品(稱為產(chǎn)品2就是它本身是計算機(jī)的插卡,它將E1數(shù)據(jù)在卡內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)與接收,然后通過計算機(jī)的ISA或PCI總線將數(shù)據(jù)接入到計算機(jī)(點畫線框中所示。產(chǎn)品1需要經(jīng)過多串口卡的接入才能將數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)(工控機(jī),這樣就增加了一個環(huán)節(jié),也增加了成本;產(chǎn)品2?44?《測控技術(shù)》2006年第25卷第4期圖1E1數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件系統(tǒng)應(yīng)用示意圖當(dāng)在一條E1中的數(shù)據(jù)不是接入一臺計算機(jī)(工控機(jī),而是需要接入不止一臺計算機(jī)(工控機(jī)時,將會無法處理或者處理困難?；谝陨锨闆r,設(shè)計了一種能夠滿足現(xiàn)有動力與環(huán)境集中監(jiān)控需求的、能夠方便接入E1并對各時隙的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的新型多接口E1數(shù)據(jù)采集卡。本卡具有多種形式的接口,具有經(jīng)濟(jì)、實用的特點。1設(shè)計思想種接口的E1,能夠?qū)?fù)用在E1上31個時隙的異步串行數(shù)據(jù)提取出來,滿足動力設(shè)備與機(jī)房環(huán)境等集中監(jiān)控領(lǐng)域的需求,并具有接入靈活、經(jīng)濟(jì)實用等特點。具體實現(xiàn)方式是:設(shè)計一種E1數(shù)據(jù)采集卡,由E1接口電路、ISA接口電路、RS232接口電路、異步收發(fā)電路和控制邏輯電路幾部分組成,采用計算機(jī)(工控機(jī)插卡的形式,具備兩種訪問E1數(shù)據(jù)的接口(需要說明的是E1中某個時隙的數(shù)據(jù)是經(jīng)過轉(zhuǎn)換的異步串行數(shù)據(jù),一種是與計算機(jī)的接口(可為ISA或PCI,通過總線可直接將E1中某個時隙的數(shù)據(jù)接入到E1卡所在的計算機(jī)中,另外一種就是RS232異步串口,通過適當(dāng)?shù)呐渲?用RS232異步串口來訪問E1的數(shù)據(jù),這樣就增加了數(shù)據(jù)接入的靈活性,為監(jiān)控系統(tǒng)集成別的系統(tǒng)(如門禁系統(tǒng)等提供了可能。由于E1數(shù)據(jù)采集卡采用計算機(jī)插卡的型式,結(jié)構(gòu)緊湊方便,又提供了RS232接口,其他計算機(jī)可方便地利用此接口訪問E1中某個時隙的數(shù)據(jù),所以這種E1數(shù)據(jù)采集卡,比產(chǎn)品區(qū)1要經(jīng)濟(jì)實用,比產(chǎn)品2要靈活。2技術(shù)實現(xiàn)方法以下結(jié)合附圖對本新型E1數(shù)據(jù)采集卡技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步的說明。2.1硬件部分此E1數(shù)據(jù)采集卡硬件部分如圖2所示,由E1接口電路、ISA接口電路、異步收發(fā)電路、RS232接口電路和基于FPGA設(shè)計的控制邏輯電路幾部分組成。①E1接口電路:E1接口電路主要完成E1數(shù)據(jù)的收發(fā)與提取,芯片選用美國DALAS公司生產(chǎn)的DS2154,該芯片具有與E1相連所需的所有必要功能,完全符合所有關(guān)于E1的最新標(biāo)準(zhǔn),包括G.703、G.704、G.706、G.823、G.923及ETS300011、300233和300166等。該芯片主要完成E1線路收取、時鐘恢復(fù)、提取幀頭、幀同步、告警處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等。在接收數(shù)據(jù)回路中,中繼線上的HDB3/AMI信號經(jīng)過變壓器耦合由RTIP和RING管腳進(jìn)入DS2154,經(jīng)過時鐘/數(shù)據(jù)的再生,。在這里進(jìn)行HDB3/AM幀/,恢復(fù),數(shù)據(jù)從RS2,PCM單極性NRZ數(shù)TSER管腳進(jìn)入DS21554,經(jīng)過HDB3/AMI編碼等處理,從TTIP和TRING輸出,再經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為極性交替反轉(zhuǎn)的正負(fù)脈沖。圖2E1數(shù)據(jù)采集卡硬件電路組成原理圖②ISA接口電路:主要完成接入E1數(shù)據(jù)采集卡的ISA總線上地址、數(shù)據(jù)、控制等總線的驅(qū)動功能。ISA(上接第43頁3結(jié)束語新型的固態(tài)電子盤采用了多種新技術(shù),提高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性、完整性、準(zhǔn)確性和安全性,增加了使用壽命;采用了加固技術(shù),使其適應(yīng)惡劣的軍事應(yīng)用環(huán)境,因此它是軍用設(shè)備,特別是機(jī)載、車載、船載設(shè)備用做數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)選產(chǎn)品。□?54?一種新型多接口E1數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)圖4E1數(shù)據(jù)采集卡軟件組成圖總線數(shù)據(jù)地址的譯碼在控制邏輯電路中完成。③異步收發(fā)電路:完成從E1提取/插入的異步串行數(shù)據(jù)的收發(fā)。計算機(jī)通過ISA總線操作異步收發(fā)電路出/入的數(shù)據(jù)。該電路由4個CL_CD1865組成。④RS232接口電路:E1數(shù)據(jù)采集卡為用戶數(shù)據(jù)接入提供異步串行通信接口。該接口完全符合EIA2RS232C等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)是目前使用最廣泛的數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)。FPGA輸出的是TTL電平,與RS2232C的電平并不兼容,必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用了MAXIM公司生產(chǎn)的集成芯片MAX232ECWE來完成這個電平轉(zhuǎn)換。它具有兩個轉(zhuǎn)換端口,不僅能進(jìn)行電平調(diào)節(jié),還能實現(xiàn)正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換,使之符合RS2232C串行通信標(biāo)準(zhǔn),同時還有防靜電功能。⑤控制邏輯電路:E1數(shù)據(jù)采集卡上的控制邏輯電路采用FPGA芯片來實現(xiàn)。主要完成如下7個功能:ISA地址譯碼;串口數(shù)據(jù)的提取;串口數(shù)據(jù)的發(fā)送;2M數(shù)據(jù)的提取;2M數(shù)據(jù)的發(fā)送;串口數(shù)據(jù)發(fā)送方向的選擇;FPGA內(nèi)控制寄存器的讀寫。E1數(shù)據(jù)采集卡上FPGA片內(nèi)電路邏輯方框圖如圖3所示,這里ISA地址譯碼部分中一部分PC與AEN線配合控制選中本板。CD1865及FPGA。PC可通過I/O。FPGA內(nèi)部設(shè)置了17個控制狀態(tài)寄存器。其中一個是用來進(jìn)行軟件復(fù)位的控制寄存器,其余16個用來對16個外接串口進(jìn)行時隙分配(通過多路選擇器,及該串口是否選用的選擇(該串口所占時隙數(shù)據(jù)是與外接串口相連還是與CD1865相連。2M數(shù)據(jù)提取部分將2M中每個時隙的數(shù)據(jù)提取出來,通過串口數(shù)據(jù)發(fā)送部分變?yōu)檫B續(xù)的串行數(shù)據(jù),由控制寄存器通過多路選擇器決定發(fā)往CD1865還是發(fā)往外接串口。串口數(shù)據(jù)提取部分將CD1865或外接串口(由控制寄存器通過多路選擇器決定的數(shù)據(jù)提取出來,通過2M數(shù)據(jù)發(fā)送部分作為2M中一個時隙的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。2.2E1數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序的編寫為了配合E1數(shù)據(jù)采集卡的開發(fā),使其在WIN2000系統(tǒng)下能夠正確使用,開發(fā)了E1數(shù)據(jù)采集卡在WIN2000下的WDM設(shè)備驅(qū)動程序,使其具有即插即用功能和安裝inf文件。E1數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序需實現(xiàn)以下功能:初始化驅(qū)動程序;創(chuàng)建和刪除設(shè)備;處理Win32打開和關(guān)閉文件句柄的請求;處理Win32輸入/輸出(I/O請求;串行化對設(shè)備的訪問;訪問硬件;取消I/O請求;超時I/O請求。軟件也相應(yīng)劃分為以下5大部分:圖3E1數(shù)據(jù)采集卡可編程器件電路方框圖①驅(qū)動程序入口部分D例程(驅(qū)動程序,;D打開和關(guān)閉文件句,/輸出(I/O請求;,在有數(shù)據(jù)到達(dá)異步串行收發(fā)電路(即接收緩沖區(qū)非空時或在將數(shù)據(jù)寫入異步串行電路而異步串行電路的發(fā)送緩沖區(qū)已空時,E1數(shù)據(jù)采集卡會產(chǎn)生中斷,中斷服務(wù)例程處理硬件的中斷,進(jìn)行相應(yīng)寄存器的讀寫,完成中斷服務(wù);④硬件具體實現(xiàn)部分,根據(jù)Win32輸入/輸出(I/O請求的要求,對硬件進(jìn)行相應(yīng)的操作;⑤安裝inf文件,該文件含有安裝一個WDM設(shè)備驅(qū)動程序需要的所有必需的信息,包括要復(fù)制的文件列表、要創(chuàng)建的注冊表項等。各部分的關(guān)系如圖4所示。3應(yīng)用實例介紹下面結(jié)合本產(chǎn)品在大唐電信北京網(wǎng)通環(huán)境與動力集中監(jiān)控一期項目中的實際應(yīng)用情況,介紹本產(chǎn)品的特點。北京網(wǎng)通一期監(jiān)控項目共有15個通信機(jī)房,每個機(jī)房都有門禁和動力與環(huán)境監(jiān)控量,接口均為?64?《測控技術(shù)》2006年第25卷第4期RS232(波特率19.2kb/s,兩種數(shù)據(jù)分別通過機(jī)房的SDH設(shè)備提供的兩個RS232串口(類似圖1中的多路復(fù)用器提供的串口通過2M中的兩個時隙將數(shù)據(jù)傳入設(shè)在中關(guān)村的監(jiān)控中心,這樣,監(jiān)控中心機(jī)房共有30個時隙,但分布于不同2M資源中。要求所有通信機(jī)房的門禁數(shù)據(jù)和動力與環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)分別接入監(jiān)控中心的門禁服務(wù)器和動力與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器,首先將30個時隙的數(shù)據(jù)通過監(jiān)控中心的交換設(shè)備重新整合到一個2M中,然后采用一塊新型E1數(shù)據(jù)卡(本卡裝在動力與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器中,設(shè)置門禁數(shù)據(jù)對應(yīng)卡中的前15個串口,并通過這些串口接入配有多串口卡的門禁服務(wù)器,所有的動力與環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)可通過ISA總線直接訪問,從而完成中心監(jiān)控機(jī)房數(shù)據(jù)的接入。這種方式接入方便、靈活且費用低。本監(jiān)控系統(tǒng)從2003年底運行至今,一直十分穩(wěn)定。如果采用產(chǎn)品1則至少還需要為動力與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器配備多串口卡,且產(chǎn)品1是外置式設(shè)備,體積較大、成本高。如果采用產(chǎn)品2則兩個服務(wù)器中至少各需要配備一個這種產(chǎn)品,且首先需要將門禁和動力與環(huán)境監(jiān)控兩種數(shù)據(jù)分別重新接入兩個2M中,增加了組網(wǎng)的難度。本產(chǎn)得到了廣泛的應(yīng)用,的ERM_MUX4結(jié)束語本設(shè)計已獲得設(shè)計新型專利并已形成規(guī)模產(chǎn)品。實踐證明,這種具有多種數(shù)據(jù)訪問接口的設(shè)計是一個實用而巧妙的方法;基于FPGA的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計不但能提高產(chǎn)品的集成度,且大大縮短了開發(fā)周期并提高了產(chǎn)品的可靠性和設(shè)計的靈活性;軟件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔ赪IN2000操作系統(tǒng)環(huán)境下實現(xiàn)了即插即用功能,使使用本產(chǎn)品變得非常方便。本產(chǎn)品與同類設(shè)備相比具有接入方便、靈活、經(jīng)濟(jì)實用等特點,可以廣泛用在電信機(jī)房、移動基站等集中環(huán)境、動力設(shè)備等監(jiān)控領(lǐng)域。參考文獻(xiàn):[1]FongRJ,HarperSJ,AthanasPM.AversatileframeworkforFPGAfieldupdates[A].14thIEEEInternationalWorkshopon2003,2003206.[2]HarrisI,TessierR.Diagnosisofinterconnectfaultsinclus2ter2basedFPGAJ].ComputerAidedDesign,2[3]M.AogyforSRAM2basedAs[J].andSystemsDesign,20022.[4]HauckS,HoslerM,ThomasWF.HighperformancecarrychainforFPGA’s[J].IEEEJournalofVLSISystem,2000,8(2:138-148.□2006年全國工業(yè)控制計算機(jī)年會征文通知由中國計算機(jī)學(xué)會工業(yè)控制計算機(jī)專業(yè)委員會主辦,由航天科技集團(tuán)502所、北京康拓科技開發(fā)總公司、深圳研祥智能科技公司、工業(yè)控制計算機(jī)雜志社承辦,由機(jī)械與電子雜志社、測控技術(shù)雜志社、自動化博覽雜志社協(xié)辦的“2006年全國工業(yè)控制計算機(jī)年會”將于2006年11月27日～12月1日在三亞召開,特征文