一种基于PCIE卡的控制系统及方法与流程

一种基于pcie卡的控制系统及方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，主要涉及一种基于pcie(peripheral component interconnect express)卡的控制系统及方法。


背景技术：

2.在授时系统中，高稳晶体是其关键部件之一，晶体输出频率稳定性是衡量该授时系统能否实现高精度授时的重要指标，但是在实际工作中，环境温度对高稳晶体频率的输出稳定性还是有较大影响的。在一些温度下，高稳晶体的输出频率随输入控制，有较大的变化率，此时仅仅在输入端进行微调，输出频率可能就会发生大幅度的变化，高稳晶体在此温度范围内进行控制很难得到理想的频率特性。而在另外一些环境温度下，高稳晶体的输出频率变化较小，此时在输入端进行调整控制，输出频率变化不大，或者输出频率随输入控制呈现比较有规律的变化，高稳晶体在此温度范围内就很容易控制，高稳晶体的输出特性是很容易预见的。我们都希望高稳晶体能够工作在这种环境温度下，获得最佳的高稳晶体频率输出特性及控制方法。
3.pcie卡一般都是插在电脑主板上pcie插槽上工作的一种特殊的设备，而电脑主板上除了pcie插槽外还有其它电子器件，尤其是主板的处理器，机箱主板的供电电源既是发热源又是干扰源。pcie卡工作在主机箱这种相对封闭的环境，作为授时系统，卡上的高稳晶体也会受到主机箱相对封闭温度环境的影响，要提升pcie卡的授时精度，需要调整pcie卡工作的环境温度，使其输出最佳的频率特性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种基于pcie卡的控制系统，这种卡工作时插在电脑主机的pcie插槽中，和电脑进行数据通讯；一方面上位机通过对pcie卡高稳晶体的输入控制，使得高稳晶体输出最佳的频率特性；另一方面，利用电脑的处理器完成pcie卡工作频率和环境温度关系的数据采集和图线绘制。从而掌握高稳晶体输入控制与最佳频率输出之间的关系，更有效地控制pcie卡的高稳晶体，提高授时精度。
5.具体的，本发明的技术方案包括：
6.一种基于pcie卡的控制系统，设置屏蔽罩单元，所述的屏蔽罩单元包括屏蔽罩及设置在屏蔽罩中的高稳晶体、温度传感器和风扇，温度传感器搜集高稳晶体的温度数据；
7.设置fpga，fpga通过pcie接口与电脑主机插接；fpga分别与风扇、高稳晶体和温度传感器连接，fpga收集温度传感器的温度数据并将温度数据传输给电脑主机，fpga接收电脑主机传来的指令控制高稳晶体的控制电压和风扇的转速；
8.还设置频率计，所述的频率计收集高稳晶体的频率数据，并通过电脑主机上的gpib接口卡与电脑主机插接，将高稳晶体的频率数据传输给电脑主机。
9.可选的，所述的电脑主机中设置驱动和上位机；驱动封装了pcie接口的硬件信息、数据读写操作函数和中断操作函数；上位机接收来自fpga发来的温度数据以及频率计发来
的频率数据，利用数学方法绘制温度与频率曲线；上位机下发高稳晶体电压控制信号和风扇转速控制信号给fpga，通过fpga控制高稳晶体的控制电压和风扇的转速。
10.可选的，所述的屏蔽罩由依次连通设置的控温区、过渡区和工作区组成；所述控温区的长度小于工作区的长度，所述过渡区的宽度和长度均小于工作区的宽度和长度；控温区内设置风扇，工作区内设置高稳晶体和温度传感器。
11.可选的，在所述工作区的侧下壁上设置多个通风孔。
12.可选的，在所述屏蔽罩的内壁上贴设绝热层。
13.一种基于pcie卡的控制方法，设置基于pcie卡的控制系统，所述的基于pcie卡的控制系统为本发明所述的基于pcie卡的控制系统；
14.s1：频率计和温度传感器分别测量高稳晶体的输出频率数据及温度数据，并通过pcie接口在pcie卡中断通讯后将数据发送给电脑主机；
15.s2：电脑主机将收集到温度数据作为横轴，输出频率数据作为纵轴，得到输出频率和温度之间的关系曲线，获取呈线性的曲线，呈线性的曲线对应的频率区间为最佳输出频率区间，呈线性的曲线对应的温度区间为最佳工作温度区间；
16.s3：fpga读取温度传感器的实际温度值，与最佳工作温度区间相比；如果实际温度值比最佳工作温度区间低，fpga发出控制信号关闭风扇或降低风扇转速；如果实际温度值比最佳工作温度区间高，fpga发出控制信号提高风扇转速；
17.s4：高稳晶体获得了最佳工作温度后，调整控制电压获得高稳晶体的最佳输出频率；fpga不断调整高稳晶体的控制电压，使得高稳晶体输出频率曲线为直线，获得高稳晶体的控制电压和输出频率之间的对应关系，由s2获得的最佳输出频率区间进而可以获得最佳控制电压区间。
18.可选的，所述的电脑主机中设置驱动和上位机；驱动封装了pcie接口的硬件信息、数据读写操作函数和中断操作函数；上位机接收来自fpga发来的温度数据以及频率计发来的频率数据，利用数学方法绘制温度与频率曲线；上位机下发高稳晶体电压控制信号和风扇转速控制信号给fpga，通过fpga控制高稳晶体的控制电压和风扇的转速。
19.可选的，所述的s2中，如果无法获得呈线性的曲线，电脑主机根据输出频率和温度之间的关系曲线利用最小二乘法或插值法模拟出呈线性的曲线，以获得最佳输出频率区间和最佳工作温度区间。
20.可选的，所述的s1中pcie卡中断通讯的控制方法包括：
21.s1.1：fpga等待电脑主机的温度采集指令，如果采集指令为是，则进入s1.2，否则继续等待；
22.s1.2：fpga采集温度数据并写入缓冲区；
23.s1.3：缓冲区储存的数据量是否达到了设定门限值，如果没有达到则重复s1.2，直到缓冲区储存的数据量达到设定门限值，进入s1.4；
24.s1.4：当缓冲区储存的数据量达到设定门限值，缓冲区给出达到设定门限值标识，fpga指定一个存储地址，pcie卡中断通讯；
25.s1.5：电脑主机接收到pcie卡中断通讯信号后，在s1.4中的存储地址处读取数据；
26.s1.6：电脑主机对读取的数据处理完成后，发出采集数据终止信号给fpga；否则执行s1.1。
27.有益效果：
28.本发明提出的基于pcie卡的控制系统及方法，容易获得高稳晶体最佳工作环境温度区间，对于实现高稳晶体快速锁定，提高其频率精度，从而提高整个系统的授时精度具有重要的意义。在确定频率输出和温度之间对应关系，利用上位机绘制关系曲线时，充分利用了电脑主机cpu的资源来操作，电脑主机处理器具有强大的运算能力，使得关系曲线很容易，速度很快，提高了数据处理效率。采用本发明的技术方案，充分使用了电脑主机的处理器资源，这样pcie卡本身就不需要再额外添加处理器资源，由fpga来配合电脑主机处理完成相关的业务，就能实现pcie卡的精度提升。在实现功能的同时，不但降低了pcie卡的设计成本，而且卡由于省掉了处理器，也能够做的更小。
附图说明
29.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
30.图1是本发明的基于pcie卡的控制系统结构示意图；
31.图2是本发明的屏蔽罩单元的结构示意图；
32.图中各标号表示为：
33.1-屏蔽罩、101-控温区、102-过渡区、103-工作区、104-通风孔、105-绝热层、2-高稳晶体、3-风扇。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对技术方案的实施作进一步地详细描述。
35.本发明提供一种pcie卡授时系统关键部件高稳晶体的频率控制系统及方法，寻找其工作频率随温度变化相对稳定的区域，简化晶体的控制，提高其频率输出的稳定性，从而提高整个卡的授时精度。
36.具体的，结合图1和2，本发明的基于pcie卡的控制系统，设置屏蔽罩单元，屏蔽罩单元包括屏蔽罩1及设置在屏蔽罩1中的高稳晶体2、温度传感器和风扇3，温度传感器搜集高稳晶体2的温度数据；设置fpga，fpga通过pcie接口与电脑主机插接；fpga分别与风扇3、高稳晶体2和温度传感器连接，fpga收集温度传感器的温度数据并将温度数据传输给电脑主机，fpga接收电脑主机传来的指令控制高稳晶体2的输入和风扇3的转速；还设置频率计，频率计收集高稳晶体2的频率数据，并通过插装在电脑主机上的gpib接口卡与电脑主机插接，将高稳晶体2的频率数据传输给电脑主机。为了实现对高稳晶体环境温度的改变，引入了一种屏蔽罩系统，人为的制造一个相对封闭的环境。同时利用fpga输出不同频率和脉宽的信号来改变风扇的转速，使得对高稳晶体工作环境温度的调节控制变得方便，并且温度改变效果很容易体现。从而很容易获得高稳晶体最佳工作环境温度区间，对于实现高稳晶体快速锁定，提高其频率精度，从而提高整个系统的授时精度具有重要的意义。因fpga可以
很方便的输出不同频率和脉宽的调整信号，风扇转速调节的范围就很宽。很容易找到高稳晶体的最佳工作温度区间，可实施性好。采用本发明的技术方案，充分使用了电脑主机的处理器资源，这样pcie卡本身就不需要再额外添加处理器资源，由fpga来配合电脑主机处理完成相关的业务，就能实现pcie卡的精度提升。在实现功能的同时，不但降低了pcie卡的设计成本，而且卡由于省掉了处理器，也能够做的更小。在实现方法上采用pcie中断来处理，实时性更好。
37.在本公开的实施例中，电脑主机中与pcie接口连通的包括驱动和上位机；驱动封装了pcie接口的硬件信息、数据读写操作函数和中断操作函数；上位机接收来自fpga发来的温度数据以及频率计发来的频率信息，利用数学方法绘制温度与频率曲线；上位机下发高稳晶体输入控制信号和风扇转速控制信号给fpga，通过fpga控制高稳晶体的输入和风扇的转速。在确定频率输出和温度之间对应关系，利用上位机绘制关系曲线时，充分利用了电脑主机cpu的资源来操作，电脑主机处理器具有强大的运算能力，使得关系曲线很容易，速度很快，提高了数据处理效率。其中fpga作为pcie卡的核心器件，主要完成对温度传感器的控制，并负责控制温度传感器对高稳晶体工作的环境温度的采集以及数据的读取。另外fpga还对高稳晶体的输入进行控制，使得高稳晶体输出最佳的频率特性。第三，fpga也对风扇转速进行控制，通过输出不同频率和脉宽的信号来实现对风扇转速进行的调节，fpga通过输出不同频率和脉宽调制信号来调节风扇转速变慢或加快。第四，fpga内置的pcie接口模块通过电脑主板的pcie插槽与电脑主机相连，通过pcie接口实现与上位机的通讯功能。高稳晶体是pcie卡实现授时功能的关键部件，能够在控制输入的情况下实现最佳频率输出，同时，在无参考源的情况下，也能模拟参考源输出高精度的信号，实现守时功能。以常见的压控振荡器为例，这类高稳晶体，就是通过改变晶体输入的电压，来实现改变晶体频率输出的目的。风扇，可接受fpga的控制，在fpga输出的不同频率和脉宽信号的控制下，实现不同的转速，从而带动屏蔽罩内空气的流动。当fpga通过输出不同频率和脉宽信号的调整风扇使得风扇转速加快，加快屏蔽罩内空气的流动，屏蔽罩内的热空气就加速从微孔流出，带走较多的热量降低屏蔽罩内的温度。pcie接口，是fpga与电脑主机通讯的接口，pcie卡插在电脑主机的pcie插槽上，pcie插槽给pcie卡提供电源，并提供与pcie卡上fpga数据通讯的接口。驱动是连接pcie接口和上位机接口的中间层，封装了pcie接口的硬件信息，数据读写操作，中断操作等函数。上位机作为与pcie卡上的fpga进行数据通讯方。它一方面可以接收fpga通过pcie发送来的温度以及从gpib接口卡通过gpib接口传送来的频率信息，并将其绘制成曲线，并分析找出频率随温度变化相对平缓，频率输出近似为一条线性的情形。另一方面可以通过pcie接口下发控制信号给fpga，通过fpga来控制高稳晶体的输入端，从而改变高稳晶体频率的输出。从而实现上位机对高稳晶体的间接控制。gpib接口卡与频率计作为测试设备，其作用是测量高稳晶体的频率输出，并将测试的频率结果由安装在电脑主机上的gpib接口卡通过gpib接口，将采集的数据发送给上位机接收。
38.在本公开的实施例中，屏蔽罩1依次连通设置控温区101、过渡区102和工作区103；控温区101的长度小于工作区103的长度，过渡区102的宽度和长度均小于工作区103的宽度和长度；控温区101设置风扇3，工作区103设置高稳晶体2和温度传感器。本光明的屏蔽罩1通过长宽不同的设置，形成了几个分区，控温区101主要用于放置风扇3，由于屏蔽罩1的空间本身不大，因此风扇3的占区面积可以较小，能够实现一定的空气流动即可；为了便于对
高稳晶体2的温度控制，高稳晶体2所在的工作区面积较大，一方面可以实现环境温度对其温度本身的调控，另一方面可以实现温度的隔离，使来自风扇3的气流快速的起到降温的作用，而不影响风扇3所在区域的温度，保证风扇3的工作环境温度；且相对隔离的空间，更加方便温度传感器搜集高稳晶体2的温度数据。
39.在本公开的实施例中，在工作区103的侧下方设置多个通风孔104。在屏蔽罩1侧壁下方开有通风孔104，能够与电脑主机箱环境实现空气对流，之所以孔开在屏蔽罩1的侧壁下方，主要是考虑热空气比较轻，减少热量散发，辅助风扇3通过不同转速影响空气对流，这样能够降低屏蔽罩内环境温度的调节难度。
40.在本公开的实施例中，在屏蔽罩1的内壁上贴设绝热层105。屏蔽罩1的结构如图2所示，将风扇3和高稳晶体2罩在封闭空间内容，为了保证对热屏蔽的效果，在屏蔽罩1内层涂敷有绝热层105，能够大幅减缓热量快速地通过金属屏蔽罩散发，保持屏蔽罩1封闭空间相对绝热，辅助风扇3转动时对屏蔽罩1环境温度调节效果。
41.一种基于pcie卡的控制方法，设置基于pcie卡的控制系统，基于pcie卡的控制系统为本公开的基于pcie卡的控制系统；
42.s1：频率计和温度传感器分别测量高稳晶体的输出频率数据及温度数据，并通过pcie接口在pcie卡中断通讯后将数据发送给电脑主机；
43.s2：电脑主机将收集到温度数据作为横轴，输出频率数据作为纵轴，得到输出频率和温度之间的关系曲线，获取呈线性的曲线，呈线性的曲线对应的输出频率区间就是最佳输出频率区间，呈线性的曲线对应的温度区间就是最佳工作温度区间；
44.s3：fpga读取温度传感器的实际温度值，与最佳工作温度区间相比；如果实际温度值比最佳工作温度区间低，fpga发出控制信号关闭风扇或降低风扇转速；如果实际温度值比最佳工作温度区间高，fpga发出控制信号提高风扇转速；
45.s4：高稳晶体获得了最佳工作温度后，调整控制电压获得高稳晶体的最佳输出频率；fpga不断调整高稳晶体的控制电压，使得高稳晶体输出频率曲线为直线，获得高稳晶体的控制电压和输出频率之间的对应关系，由s2获得的最佳输出频率区间进而可以获得最佳控制电压区间。
46.在本公开的实施例中，电脑主机中与pcie接口连通的包括驱动和上位机；驱动封装了pcie接口的硬件信息、数据读写操作函数和中断操作函数；上位机接收来自fpga发来的温度数据以及频率计发来的频率信息，利用数学方法绘制温度与频率曲线；上位机下发高稳晶体输入控制信号和风扇转速控制信号给fpga，通过fpga控制高稳晶体的输入和风扇的转速。
47.在本公开的实施例中，s2中，如果无法获得呈线性的曲线，电脑主机根据输出频率和温度之间的关系曲线利用最小二乘法或插值法模拟出呈线性的曲线，以获得最佳输出频率区间和最佳工作温度区间。
48.在本公开的实施例中，s1中pcie卡中断通讯的控制方法包括：
49.s1.1：fpga等待电脑主机的温度采集指令，如果采集指令为是，则进入s1.2，否则继续等待；
50.s1.2：fpga采集温度数据并写入缓冲区；以防止数据丢失，避免写入数据和读取数据冲突。以fifo(first in first out)作为缓冲区为例；
51.s1.3：缓冲区储存的数据量是否达到了设定门限值，如果没有达到则重复s1.2，直到缓冲区储存的数据量达到设定门限值，进入s1.4；
52.s1.4：当缓冲区储存的数据量达到设定门限值，缓冲区给出达到设定门限值标识，fpga指定一个存储地址，pcie卡中断通讯；比如，当fifo缓冲区储存的数据量达到设定门限，fifo会给出一个“满状态”标识。此时，fpga指定一个存储地址，在这个地址，将“满状态”标识赋值给pcie的中断信号，触发pcie中断；
53.s1.5：电脑主机接收到pcie卡中断通讯信号后，在s1.4中的存储地址处读取数据；
54.s1.6：电脑主机对读取的数据处理完成后，发出采集数据终止信号给fpga；否则执行s1.1。
55.本发明所提出的一种基于pcie卡的控制系统及方法，通过fpga输出不同的工作频率来实现对风扇转速的控制，结合系统中的屏蔽罩，实现对高稳晶体工作的环境温度的调节，找到高稳晶体频率输出随温度变化的最佳工作曲线，这样就能实现高稳晶体的快速锁定，提高系统的授时精度。数据传输过程中，采用了pcie中断传输，使得数据传输可靠，实时性好。整个系统的温度和频率的关系曲线充分利用电脑主机强大的处理器运算能力，能快速找出最佳工作曲线，同时兼顾了系统成本的降低。
56.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
57.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
58.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。