论文部分内容阅读
本课题以半导体管特性图示仪的研发为背景，就基于PCI总线的仪器实时控制系统展开了研究，并最终将所设计的测量控制器在FPGA器件内部实现。为了确保测量控制的实时性能，在课题研究中采用硬件电路实现全部的控制功能。尽管硬件控制相对于软件控制，从实现的角度考虑要复杂很多，但硬件控制器的高速度、信号流的并行性、基于时钟边沿的控制信号输出等一系列特性可以从根本上保证控制系统的实时性能。由硬件构成的测量控制器与主计算机系统进行信息交互的媒介选择了高性能的PCI总线。为了能将PCI总线操作与控制器的本地总线操作进行相互转换，需要在掌握PCI总线协议的基础上，研究并实现PCI总线接口功能。在课题研究中采用PCI9054接口芯片实现这一功能，其中重点研究问题是本地总线信号时序关系及本地总线接口设计、PCI9054的寄存器配置、中断处理机制、DMA工作方式。实践证明：以高性能的PCI总线为基础，通过在中断服务程序中启动DMA传输，可以实时采集存储在FIFO中的测量数据。至于测量控制器内部的逻辑电路设计，则是本课题研究的核心内容。在分析测量原理的基础上，归纳出对控制电路的功能需求，明确控制信号，并制定总体控制方案，设计各个控制子模块。设计完成的测量控制器通过硬件描述语言(HDL)加以描述，在FPGA器件内部配置实现。在论文中对数个关键控制模块的设计思想、原理进行了重点论述。内含控制逻辑电路的FPGA器件与PCI9054接口芯片最终装配在一块PCI接口的控制电路板上。板卡的布局布线规范问题是控制电路板制作过程中的重点研究问题。另外为使应用程序能够访问测量控制器，开发了控制电路板的Windows驱动程序。本课题设计的仪器实时控制系统在半导体管特性图示仪中取得了较好的应用效果，控制电路可以稳定的工作。通过逻辑分析仪对控制电路的实际工作过程进行观察，可以确认输出控制信号的时序关系符合设计预期，控制电路也能配合测量进程采集测量数据，并通过中断方式实时传送到主机存储器中。总之，在国内半导体管特性图示仪的研究制造领域，本课题首次应用PCI总线、FPGA设计、多状态机的协同设计等一系列崭新的技术，设计出具备良好实时性能的控制系统，进而为达到图示仪的各项设计指标奠定坚实的基础。