CN107329863B - 一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其数据交互网络分成三种类型：第一种是平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络，来完成用户各功能整件与嵌入式COMe模块之间的数据交互；第二种是跨平台数据交互的总线网络；第三种是使用高速总线通过总线桥接芯片或者FPGA转换成低速总线，实现用户的各功能整件之间或者与嵌入式COMe模块之间的数据交互。本发明通过使用不同类型COMe模块管脚位置定义相同的总线接口，其它总线接口通过公用总线接口转接或者FPGA方式实现，功能实现独立，不依赖COMe模块种类，所以硬件平台对不同类型的COMe模块都适用，不同类型的模块可以即插即用。

Description

一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台。

背景技术

嵌入式计算机模块(COMe)是一种将CPU、芯片组、内存和***设备设计在一个部件的高集成性板卡，使用时就像一个元器件***到板子上，***升级也更加方便，可以节省用户***开发时间，使用户更加集中精力专注于自身擅长的领域开发研究。

由于嵌入式计算机模块的大部分功能需要搭配一些***电路才能正常工作，所以用户使用时需要搭配自行开发的载板。COMe模块有Type1，2，6和10类型，Type1和10类型资源有限功耗低，一般用于便携式仪器，Type2和6类型性价比高，一般用于台式仪器。Type2：保留了IDE接口，PCI接口；Type6：去掉IDE、PCI接口，同时增加了USB3.0、DDI以及预留接口。

目前市面上基于COMe模块设计的测量仪器硬件平台，其中一种设计方法是为Type2、6或者10设计专用载板，COMe模块只能使用上述三类中的某一类型，通过专用连接器固定到设计的载板上，***总线接口如果是非标的，需要用户自行设计相关电路；另一种设计方法是购买COMe模块供应商提供的定制服务，将测量仪器硬件平台选定的COMe模块与按照用户要求定制的载板，重新设计PCB合并成为一个整体，厂家为用户提供服务，负责设计测量仪器所需的各种总线接口。

以上两种设计方法共同特点是：COMe模块只能使用上述三类中的某一类型，用户设计的***硬件设备为固定类型的总线接口，数量和种类不可更改，测量仪器中所有硬件都是这个类型硬件平台专用的，不加修改很难直接移植到其它类型硬件平台使用。不同之处是：第一种设计方法可以在同一类型COMe模块产品目录内有条件的选择相互兼容的COMe模块来达到硬件平台性能升级目的，***总线接口类型相对第二种设计方法要少一些，但是设计成本相对要低一些；第二种设计方法由于硬件平台是定制设计，硬件平台的性能是不可升级的，定制费用比较昂贵，但是相对于第一种硬件平台设计方法在硬件电路布局方面更加合理，结构紧凑，可靠性更高，测量仪器体积可以做到更小，内部各整件结构布局更加合理。

总的来说，测量仪器这两种硬件平台设计方法特点就是专用性很强，适用于某一类型的COMe模块，不同类型之间硬件不可通用，COMe模块种类选择余地很小，平台硬件升级比较困难。

考虑到市场上用户对测量仪器指标要求越来越高的趋势和特殊应用背景需求增多的情况，仪器硬件需要处理的数据量成倍增加，相应的硬件之间传输数据的速度也需要越来越快，这对仪器硬件平台提出了很高的要求。如果当前硬件性能无法满足应用需要，那就必须得进行硬件升级。

随着总线技术的发展，很多之前主流的总线技术已经面临淘汰，被新的总线技术取代，比如PCI总线被PCIe总线取代，由于COMe模块Type2接口总线类型相较于Type6接口总线类型技术落后，所以Type2接口类型的COMe模块会逐渐被Type6接口类型的COMe模块取代，现有使用Type2类型硬件平台的测量仪器面临无法生产的难题。上述两种测量仪器硬件平台设计方法在硬件不进行大量修改的前提下，都无法解决硬件平台不同种类之间升级的难题，耽误了仪器的上市时间，而且新的硬件改动还需要重新做很多可靠性试验工作。

现有技术方案具有如下缺点：

(1)现有方法只适用于采用某一类型COMe模块硬件平台的仪器，不兼容不同类型的COMe模块；

(2)现有方法设计的测量仪器适用于某一类型的COMe模块的硬件平台，由于模块没有统一的电气、机械属性，不同的COMe模块集成的设备控制器性能也有区别，当既有硬件电路性能不满足新仪器的设计需求时，仪器硬件平台升级不易；

(3)现有方法设计的测量仪器适用于某一类型的COMe模块的硬件平台，Type2类型总线接口以老一代总线类型为主，高性能总线接口较少，总体性能相对落后；Type6类型总线接口以新一代总线类型为主，高性能总线接口较多，总体性能相对先进；这两种类型平台总线类型不同导致的最直接的后果就是用户现有已经验证好的硬件在两种平台上不通用，在这个平台上设计的硬件电路如果不加修改很难移植到其它类型的硬件平台上直接使用，可移植性不高，加大了仪器开发难度和成本，耽误了仪器上市时间；

(4)现有方法设计的测量仪器硬件平台PCIe总线端口数量是固定的，一般是3-5个，由于用户设备对高速数据传输的需求越来越多，这些数量的高速总线端口难以满足高性能应用的要求；

(5)目前COMe模块不支持USB端口从模式，无法通过USB端口实现测量仪器程控。

发明内容

本发明提出了一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，解决采用COMe硬件平台的仪器由于COMe模块种类不同导致的仪器COMe模块的载板不通用的问题，解决基于不同种类COMe模块设计的外设硬件电路可移植性不强的问题，解决仪器硬件平台总线类型受限于单一类型COMe模块的问题，解决COMe模块PCIe总线端口数量过少和不可动态调整带宽的问题，解决了基于COMe模块设计的硬件平台不支持USBTMC协议进行仪器程控的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其数据交互网络分成三种类型：第一种是平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络，来完成用户各功能整件与嵌入式COMe模块之间的数据交互；第二种是跨平台数据交互的总线网络；第三种是使用高速总线通过总线桥接芯片或者FPGA转换成低速总线，实现用户的各功能整件之间或者与嵌入式COMe模块之间的数据交互。

可选地，所述平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络，将PEG端口配置成3个PCIe端口，分别是：1×8和2×4，×8端口向下兼容×1/2/4工作模式，×4端口向下兼容×1/2模式，外接用户设备数据传输速率从2.5Gbps到20Gbps之间实现动态调整。

可选地，还使用FPGA另外扩展出一组SPI总线端口。

可选地，所述平台内部硬件与外部设备之间数据交互的总线网络，保留现有的总线接口，新的高速总线接口通过使用USB3.0和SATA总线外加相应电路实现。

可选地，使用Super I/O芯片，将RS232、PS2总线通过COMe模块的LPC总线端口进行通信，GPIB总线使用接口芯片NAT9914进行通信，Super I/O芯片或者NAT9914芯片将产生的数据发送到FPGA，再通过一组PCIe×1总线与COMe模块进行通信。

可选地，还设计了USB3.0接口，用于扩展大容量存储外设。

可选地，选择把一组PCIe×1总线端口通过PCIe桥接芯片转换成为PCI总线，实现各种类型的硬件平台都支持PCI总线接口。

可选地，还包括测量仪器USB从设备接口，采用8051单片机、单通道PCIe总线收发器、USB3.0接口控制器和高速FIFO实现；

PCIe接口控制器与COMe模块通信使用了一组PCIe×1总线端口，PCIe协议采用PCIe2.0协议；USB接口控制器与主机接口采用USB3.0协议，总线向下兼容USB2.0协议，USB接口控制器自适应采用USB2.0或者USB3.0协议的主机接入。

可选地，还包括支持USBTMC协议的固件程序开发流程，具体为：

首先，按照USBTMC协议规定的格式配置设备的各类描述符，使主机将仪器识别为USBTMC设备；

然后，添加USBTMC协议中规定的十几种类自定义请求，反映设备的各类属性；

设备端收取并处理主机发送的自定义请求，解析主机发送的Bulk信息，再根据得到的实际信息，设备设置回复信息，向主机回复Bulk信息。

可选地，仪器上电后，固件程序首先校验EEPROM中存储的数据是否正确，然后实现PCIe接口控制器、高速FIFO和USB接口控制器的初始化，配置完成参数后，主机通过USB接口对仪器进行程控操作。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过使用不同类型COMe模块管脚位置定义相同的总线接口，其它总线接口通过公用总线接口转接或者FPGA方式实现，功能实现独立，不依赖COMe模块种类，所以硬件平台对不同类型的COMe模块都适用，不同类型的模块可以即插即用；

(2)本发明设计的仪器硬件平台，由于使用了COMe模块统一的电气、机械属性，当模块性能不满足仪器功能需求时可以随时升级，而且模块选择余地很大，节省产品开发时间；

(3)本发明设计的硬件平台总线接口种类丰富，具有COMe模块Type2、6和10类型大部分总线接口，既可以兼顾老的硬件设备使用旧总线接口，也可以添加新的硬件设备使用更高性能的总线接口，使得硬件设备可移植性高，缩短项目开发时间，节约成本；

(4)本发明通过配置COMe模块PEG端口，使其成为3个高性能的PCIe端口，支持PCIe×8/×4/×2/×1，数据传输带宽最大达到20Gbps，满足高性能应用需求；通过添加PCIeSwitch芯片扩展PCIe×1端口数量，使用FPGA控制Switch芯片配置管脚，可以实现在线动态调整数据下行传输带宽的功能，使得整机PCIe端口数量最大达到11个；

(5)本发明基于USB3.0协议实现USBTMC协议的仪器程控技术，并且向下兼容USB2.0，数据传输速度可达到5.0Gbps，可以实现需要数据实时处理的复杂仪器功能，例如信号源任意波形发生功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的PCI总线的硬件架构示意图；

图2为本发明基于COMe的测量仪器通用硬件平台的总线结构示意图；

图3为本发明的USB Client端口实现原理框图；

图4为本发明的USBTMC协议实现流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据前面的硬件平台设计目标和不同类型的COMe模块管脚定义分析，本发明设计硬件平台的指导思想为兼容不同类型的COMe模块，接口总线性能满足各种类型的测量仪器功能需求，并且采用最精简的***体系结构来保证硬件平台的可靠性和经济性，硬件平台各种总线端口根据项目需要可裁剪。

本发明的硬件平台的数据交互网络，可以分成三种类型：第一种是平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络，来完成用户各功能整件与嵌入式COMe模块之间的数据交互；第二种是跨平台数据交互的总线网络，比如平台通过USB3.0接口外接移动硬盘实现平台内部软件数据的多重备份；第三种是使用高速总线通过总线桥接芯片或者FPGA转换成低速总线，实现用户的各功能整件之间或者与嵌入式COMe模块之间的数据交互。

首先，对第一种类型平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络设计进行说明。

在硬件平台内部，用户设计的各功能整件与COMe模块有很多高速数据传输的需求，使用COMe模块基础配置的前3个PCIe×1总线端口可以满足大部分需要。根据目前测量仪器的性能指标发展趋势，数据传输量会不断增加，所以总线的传输带宽要能根据需要进行调整。PCIe总线协议在物理层上提供1～32路可选信道可以几乎实现无限扩展传输能力。选用的COMe模块Type2和Type6类型都具有PEG端口，Type10类型没有PEG端口。PEG端口兼容标准的PCIe设备，可以通过配置端口参数调整工作模式。所以使用PEG端口来设计PCIe总线接口具有很高的通用性。本发明硬件平台的这种设计方式适用于Type2和Type6类型COMe模块，用户如果有高性能的应用需要用到PEG端口则应该选用高性能的COMe模块，如果不需要用到PEG端口则可以选用低配置的COMe模块以节省成本。本发明将PEG端口配置成为了3个PCIe端口，分别是：1×8和2×4(lanes#0-7+#8-11+#12-15)，×8端口向下兼容×1/2/4工作模式，×4端口向下兼容×1/2模式，外接用户设备数据传输速率从2.5Gbps到20Gbps之间可以实现动态调整。在测量仪器内部需要用到的其它高速总线端口还有LVDS、ENET、DDI和SATA，这些总线都选用COMe模块第一组端口，USB端口选用前4组端口，总线其它端口是否存在依赖用户所选的COMe模块硬件配置，取决于硬件平台成本控制要求。

在硬件平台中还有一些经常用到的低速总线，比如SPI、SMB、I2C总线端口，这些端口Type2、6和10类型都具有，直接引出即可使用，本发明的设计方案还使用FPGA另外扩展出一组SPI总线端口。

接下来，对第二种类型平台内部硬件与外部设备之间数据交互的总线设计进行说明。

目前，国内外现有的各种测量仪器面板上预留的与用户外接硬件设备标准通信接口，一般有VGA/GPIB/PS2/ENET/USB2.0/RS232等标准接口，但在很多新出的仪器上，eSATA或者USB3.0接口逐渐成为标配，适用于高速数据传输的应用需求。新设计的硬件平台为了兼容现有仪器，旧有的总线接口必须保留，新的高速总线接口通过使用USB3.0和SATA总线外加相应电路实现，这些接口都可依据项目要求进行裁剪。由于COMe模块接口标准不支持GPIB/PS2/RS232总线，所以这些总线都必须得通过专用硬件电路转换成COMe模块支持的总线类型。目前一般使用Super I/O专用芯片，将RS232、PS2总线通过COMe模块的LPC总线端口进行通信；GPIB总线使用专用接口芯片NAT9914实现，然后这些芯片将产生的数据发送到FPGA，再通过一组PCIe×1总线与COMe模块进行通信。USB2.0协议能够达到的最高传输速度为60MB/s(理论值)，鉴于大容量移动存储设备的出现，这个速度已不能满足大数据量的传输要求，USB3.0协议的最高传输速度达到了625MB/s(理论值)，速度整整提高了10倍，而且USB3.0协议自从2008年发布以来到现在，相应配套硬件已经发展得非常成熟，所以本平台也设计了USB3.0接口，用于扩展大容量存储外设。USB3.0端口仅适用于选用Type6类型的COMe模块，所有类型的COMe模块都支持eSATA端口，但eSATA端口支持的硬件设备要少很多，需要硬件设备满足协议版本要求才可使用。这些高速总线接口支持仪器实现复杂信号模拟的实时运算与播放能力，支持数据实时采集和备份的需要。

最后，对第三种类型平台内部COMe模块不直接支持的常用总线端口扩展设计进行说明。

PCI总线是过去二十年一种主流的总线接口，现在已经被PCIe总线取代，但用户很多现有硬件设备是基于PCI总线接口设计的。由于PCI总线接口只存在于Type2类型的硬件平台，所以这些硬件设备无法直接应用于不支持PCI总线接口的Type6和10类型的硬件平台。当新设计的测量仪器需要使用这些硬件设备时，需要重新设计总线接口，相关的改动和测试工作量很大，提高了开发成本，也会使仪器上市时间推迟。如果在各种类型的硬件平台上实现PCI总线接口会节省很大的人力物力资源。实现这个目的有三类方法，如下表所示：

实现方式	成本	研发周期	开发难度
				自行设计总线接口	较高	很长	协议复杂，难度很大
购买FPGA的IP核	非常高，还需购买驱动程序	短	简单
				桥接芯片	很低	较短	中等

如图1所示，本发明设计的硬件平台选择把一组PCIe×1总线端口通过芯片转换成为PCI总线，实现各种类型的硬件平台都支持PCI总线接口。PCIe桥接芯片的出现使得解决这个问题难度大幅下降，它能实现PCIe到PCI的平滑过渡，兼容原有硬件平台的PCI驱动程序，不需做任何形式的修改，具有传输速率快、实时性高和性价比高等优势。

如图2所示，硬件平台通过FPGA使用一组PCIe×1总线接口实现了高性能的SPI总线接口，理论传输速度是COMe模块自带SPI总线端口速度的4倍；实现了用户自定义格式的本地总线接口(Local Bus)，本地总线速度最大可达32MB/s，适用于控制硬件平台内用户各种低速硬件设备；实现了自测试总线接口(ADC)，可以与SPI或者Local Bus总线接口结合使用实现测量仪器内部各种硬件设备工作状态的自测试功能。

测量仪器USB从设备接口在基于COMe模块的硬件平台上的实现。

本发明的硬件平台采用了高性能的8051单片机、单通道PCIe总线收发器、USB3.0接口控制器和高速FIFO，设计了一种在COMe硬件平台实现USB从设备接口的方法，可以实现测量仪器USB端口程控功能，主要包括两个方面：硬件方案设计，单片机固件程序开发。

(1)具体的硬件设计方案如图3所示：

数据传输方面采用了专用总线接口芯片，优点是速度快、可靠性高、成本低。PCIe接口控制器与COMe模块通信使用了一组PCIe×1总线端口，PCIe协议采用了PCIe2.0协议，适用于各种性能的COMe硬件平台；USB接口控制器与主机接口采用了USB3.0协议，总线向下兼容USB2.0协议，控制器可以自适应采用了USB2.0或者USB3.0协议的主机接入。上述设计可充分利用PCIe总线带宽，理论数据带宽可以达到5Gbps，满足仪器实时传输大量数据的要求。总线接口控制器、存储器和高速FIFO的参数初始化是由8051单片机中的固件程序来完成。

(2)支持USBTMC协议的固件程序开发流程如图4所示：

8051单片机可根据需要灵活配置USB接口控制器功能，固件程序独立于操作***，通用性强。USBTMC协议是基于USB2.0协议，但有其自身的特点，支持USBTMC协议的设备必须具有三种传输类型的端点，分别是控制端点、批量输出端点和批量输入端点。首先，按照USBTMC协议规定的格式配置设备的各类描述符，使主机将仪器识别为USBTMC设备；然后，添加USBTMC协议中规定的十几种类自定义请求，反映设备的各类属性；设备端收取并处理主机发送的自定义请求，解析主机发送的Bulk信息，再根据得到的实际信息，设备设置回复信息，向主机回复Bulk信息。仪器上电后，固件程序首先是校验EEPROM中存储的数据是否正确，然后实现PCIe接口控制器、高速FIFO和USB接口控制器的初始化，配置完成参数后，主机便可以通过USB接口对仪器进行程控操作。

现有方法只适用于采用某一类型COMe模块硬件平台的仪器，不兼容不同类型的COMe模块。本发明各种总线接口功能实现独立，不依赖COMe模块种类，所以硬件平台对不同类型的COMe模块都适用，不同类型的模块可以即插即用。

本发明设计仪器硬件平台，由于使用了COMe模块统一的电气、机械属性，当模块性能不满足仪器功能需求时可以随时升级，而且模块选择余地很大，节省产品开发时间。

本发明设计的硬件平台总线接口种类丰富，具有COMe模块Type2、6和10类型大部分总线接口，既可以兼顾老的硬件设备使用旧总线接口，也可以添加新的硬件设备使用更高性能的总线接口，使得硬件设备可移植性高，缩短项目开发时间，节约成本。

本发明实现PCI总线端口的硬件方案，驱动程序可以使用现有的PCI总线驱动，无需修改，大量节约开发时间，节省人力成本。

现有方法设计的测量仪器硬件平台PCIe总线端口数量是固定的，一般是3-5个。本发明通过配置COMe模块PEG端口和添加PCIe Switch芯片扩展PCIe×1端口数量，使得整机PCIe端口数量最大达到11个。

目前COMe模块不支持USB端口从模式，无法通过USB端口实现测量仪器程控。本发明实现了基于USBTMC协议的仪器程控技术，理论数据传输速度可达到5.0Gbps，可以实现需要数据实时处理的复杂仪器功能。

本发明实现了一种通用性强的支持USBTMC协议的仪器程控方法，即可适用于COMe硬件平台的仪器，也可适用于ARM内核硬件平台的仪器，硬件实现部分独立，软硬件可移植性很高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，其数据交互网络分成三种类型：第一种是平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络，来完成用户各功能整件与嵌入式COMe模块之间的数据交互；第二种是跨平台数据交互的总线网络；第三种是使用高速总线通过总线桥接芯片或者FPGA转换成低速总线，实现用户的各功能整件之间或者与嵌入式COMe模块之间的数据交互；

所述平台内部以嵌入式COMe模块为核心的内部总线网络，将PEG端口配置成3个PCIe端口，分别是：1×8和2×4，×8端口向下兼容×1/2/4工作模式，×4端口向下兼容×1/2模式，外接用户设备数据传输速率从2.5Gbps到20Gbps之间实现动态调整；

所述平台内部还使用FPGA另外扩展出一组SPI总线端口。

2.如权利要求1所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，所述平台内部硬件与外部设备之间数据交互的总线网络，保留现有的总线接口，新的高速总线接口通过使用USB3.0和SATA总线外加相应电路实现。

3.如权利要求2所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，

使用Super I/O芯片，将RS232、PS2总线通过COMe模块的LPC总线端口进行通信，GPIB总线使用接口芯片NAT9914进行通信，Super I/O芯片或者NAT9914芯片将产生的数据发送到FPGA，再通过一组PCIe×1总线与COMe模块进行通信。

4.如权利要求2所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，还设计了USB3.0接口，用于扩展大容量存储外设。

5.如权利要求1所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，选择把一组PCIe×1总线端口通过PCIe桥接芯片转换成为PCI总线，实现各种类型的硬件平台都支持PCI总线接口。

6.如权利要求1所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，还包括测量仪器USB从设备接口，采用8051单片机、单通道PCIe总线收发器、USB3.0接口控制器和高速FIFO实现；

PCIe接口控制器与COMe模块通信使用了一组PCIe×1总线端口，PCIe协议采用PCIe2.0协议；USB接口控制器与主机接口采用USB3.0协议，总线向下兼容USB2.0协议，USB接口控制器自适应采用USB2.0或者USB3.0协议的主机接入。

7.如权利要求6所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，还包括支持USBTMC协议的固件程序开发流程，具体为：

首先，按照USBTMC协议规定的格式配置设备的各类描述符，使主机将仪器识别为USBTMC设备；

然后，添加USBTMC协议中规定的十几种类自定义请求，反映设备的各类属性；

设备端收取并处理主机发送的自定义请求，解析主机发送的Bulk信息，再根据得到的实际信息，设备设置回复信息，向主机回复Bulk信息。

8.如权利要求7所述的一种基于COMe的测量仪器通用硬件平台，其特征在于，仪器上电后，固件程序首先校验EEPROM中存储的数据是否正确，然后实现PCIe接口控制器、高速FIFO和USB接口控制器的初始化，配置完成参数后，主机通过USB接口对仪器进行程控操作。

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