上海航天電子技術(shù)研究所 孫斯亮 魯 毅 汪小麗
基于PXI平臺的通用化多功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
上海航天電子技術(shù)研究所 孫斯亮 魯 毅 汪小麗
當(dāng)前基于PXI平臺的標(biāo)準(zhǔn)模塊功能單一,價(jià)格昂貴,為了節(jié)約成本,需要選用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊并自制模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試系統(tǒng)搭建。本文針對有線裝置及無線基帶裝置測試系統(tǒng)的基本需求,設(shè)計(jì)了一種基于PXI平臺的通用化多功能模塊,實(shí)現(xiàn)了信號采集、信號輸出、數(shù)據(jù)通訊、觸點(diǎn)控制等多個(gè)功能,有效降低了測試系統(tǒng)成本與體積,提高了模塊通用化水平及測試系統(tǒng)搭建效率。
通用化;多功能;設(shè)計(jì)
隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展,用戶只需選購相應(yīng)模塊即可快速完成測試系統(tǒng)搭建。然而標(biāo)準(zhǔn)模塊功能單一,價(jià)格昂貴,利用多個(gè)不同種類的標(biāo)準(zhǔn)模塊才能完成測試系統(tǒng)搭建,最終系統(tǒng)搭建成本昂貴,體積龐大,單個(gè)模塊內(nèi)資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為了節(jié)約成本,縮小體積,用戶大多采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)合自制模塊方案搭建系統(tǒng),然而該方案設(shè)計(jì)調(diào)試工作量巨大,通用化較差,搭建周期較長,節(jié)約成本有限,。因此,開發(fā)一款功能豐富的通用化多功能模塊對降低測試系統(tǒng)的搭建成本和體積,提高模塊通用化水平及測試系統(tǒng)搭建效率有著重要意義。
本文提出了一種基于PXI平臺的通用化多功能模塊,采用模塊化、通用化、集成化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了信號采集、信號輸出、數(shù)據(jù)通訊、觸點(diǎn)控制等功能,集成了萬用表卡、多功能采集卡、示波器卡、數(shù)據(jù)通訊卡、繼電器卡、調(diào)制信號源等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊功能,滿足了有線裝置及無線基帶裝置測試系統(tǒng)的基本需求,有效降低了測試系統(tǒng)成本與體積,提高了測試系統(tǒng)集成度、通用化水平及搭建效率。
通用化多功能模塊主要由信號調(diào)理單元、繼電器觸點(diǎn)單元、電源轉(zhuǎn)換單元、采集與控制單元、數(shù)據(jù)通信單元組成,信號調(diào)理單元負(fù)責(zé)將電壓、電流、阻抗等采集信號進(jìn)行調(diào)理,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,繼電器觸點(diǎn)單元通過數(shù)字信號程控對外提供可控繼電器觸點(diǎn),電源轉(zhuǎn)換單元對PXI背板電源進(jìn)行調(diào)壓轉(zhuǎn)換為多電壓供電及驅(qū)動(dòng)信號,采集與控制單元負(fù)責(zé)調(diào)理后的數(shù)字信號進(jìn)行采集并根據(jù)數(shù)據(jù)通訊單元指令產(chǎn)生數(shù)字和模擬信號,數(shù)據(jù)通訊單元負(fù)責(zé)對內(nèi)部信號電平及形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,完成與模塊外部被測件及PXI總線數(shù)據(jù)的通訊與傳輸。圖1為通用多功能模塊的功能框圖。
信號調(diào)理單元由功率電阻、放大電路、數(shù)字電位器、分壓電路、開關(guān)矩陣、隔離電路、程控放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成,功能框圖如圖2所示。其中,輸入電流信號通過功率電阻進(jìn)行電流采樣后,將采樣正負(fù)端電壓通過放大電路進(jìn)行放大,最終通過隔離電路轉(zhuǎn)換為對外部隔離地電壓信號。輸入阻值信號由電源轉(zhuǎn)換單元供電,經(jīng)程控?cái)?shù)字電位器分壓轉(zhuǎn)換為共地電壓信號,輸入電壓信號經(jīng)過分壓電路轉(zhuǎn)換為對外部隔離地電壓信號。根據(jù)需求使用多個(gè)上述電路,上述電壓信號通過程控多選一開關(guān)矩陣輸出單路信號,進(jìn)而通過隔離電路轉(zhuǎn)換為共地電壓信號,最后經(jīng)程控放大器放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號至采集與控制單元,該單元有效覆蓋了為了增加多功能采集卡通用性自制的各種調(diào)理模塊。
電源轉(zhuǎn)換單元由濾波電路、升壓DC-DC模塊、固定降壓DC-DC模塊、可調(diào)降壓DC-DC模塊、調(diào)節(jié)電路、隔離電路組成,功能框圖如圖3所示。電源轉(zhuǎn)換單元由PXI背板供電,其中背板5V經(jīng)濾波電路直接輸出,背板3.3V一路經(jīng)濾波電路直接輸出,另一路通過固定降壓DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為2.5V經(jīng)濾波電路輸出,背板12V一路經(jīng)濾波直接輸出,另一路通過升壓DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為36V電壓后,經(jīng)調(diào)節(jié)電路及可調(diào)降壓DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為24V~34V可調(diào)電壓,可調(diào)電壓經(jīng)隔離電路及濾波電路后對外輸出,上述電壓均連接至模塊外部接插件可通過電纜引出使用或檢測。
繼電器觸點(diǎn)單元由多個(gè)微型固體繼電器與驅(qū)動(dòng)電路組成,功能框圖如圖4所示,繼電器正負(fù)觸點(diǎn)全部連接至模塊接插件,用戶根據(jù)實(shí)際需要通過電纜自定義正負(fù)觸點(diǎn)屬性,驅(qū)動(dòng)電路主要由多級并聯(lián)非門電路及接口電阻組成,該電路接收電平信號并進(jìn)行電流補(bǔ)償為繼電器控制電路提供控制信號,通過導(dǎo)通繼電器內(nèi)部發(fā)光二極管,驅(qū)動(dòng)繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作,有效覆蓋了程控繼電器卡的功能。
采集與控制單元由時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)緩存、現(xiàn)場可編程門陣列(簡稱FPGA)、存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成,功能框圖如圖5所示。其中時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生主時(shí)鐘,數(shù)據(jù)緩存實(shí)現(xiàn)對FPGA接收信號的緩存,F(xiàn)PGA內(nèi)置嵌入式軟件通過數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)解析、串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波及軟件無線電等手段將數(shù)據(jù)通訊單元輸出的控制信號進(jìn)行解析并根據(jù)配置產(chǎn)生選擇算法處理產(chǎn)生數(shù)字信號對外輸出,同時(shí)將外部采集的數(shù)字信號根據(jù)配置算法進(jìn)行處理后輸出至數(shù)據(jù)通訊單元,其中FPGA輸出數(shù)字信號通過程控信號調(diào)理單元對采樣速率及采樣通道數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并對調(diào)理后的數(shù)字信號進(jìn)行處理,有效覆蓋了萬用表卡、示波器卡及多功能采集卡的功能,通過繼電器觸點(diǎn)單元,實(shí)現(xiàn)對對繼電器觸點(diǎn)的控制,通過數(shù)據(jù)通訊單元完成與外部被測件的數(shù)據(jù)通訊,存儲器負(fù)責(zé)對FPGA處理算法進(jìn)行存儲,下次加電自動(dòng)初始化FPGA設(shè)置,選擇處理算法。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號程控電源轉(zhuǎn)換模塊調(diào)節(jié)電路,同時(shí)FPGA內(nèi)部使用調(diào)制及變頻等算法產(chǎn)生數(shù)字信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生基帶調(diào)制信號,有效覆蓋了調(diào)制信號源的功能。
數(shù)據(jù)通訊單元由PXI接口電路、數(shù)據(jù)通訊接口電路組成。PXI接口電路將PXI總線信號進(jìn)行處理后傳輸至采集與控制單元,并將信號調(diào)理單元處理好的信號傳輸至PXI總線供總線上其他模塊使用,數(shù)據(jù)通訊接口電路將采集與控制單元輸出的通訊信號及同步信號進(jìn)行隔離、差分及電平轉(zhuǎn)換,完成與被測件數(shù)據(jù)傳輸與通訊,有效覆蓋了數(shù)據(jù)通訊卡的功能。
本文介紹的基于PXI的通用化多功能模塊實(shí)現(xiàn)了萬用表、多功能采集卡、示波器卡、數(shù)據(jù)通訊卡、繼電器卡、調(diào)制信號源等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊功能,有效覆蓋了大部分有線裝置以及無線裝置低頻部分的測試需求。本模塊搭建的自動(dòng)化測試系統(tǒng)相對使用已有標(biāo)準(zhǔn)化模塊體積小、成本低,功能多,相對于使用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)合自制模塊,通用性強(qiáng),開發(fā)周期短。本模塊定型為標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行量產(chǎn)后,將進(jìn)一步降低成本及周期,有效提高基于PXI平臺的自動(dòng)化測試系統(tǒng)搭建效率。
[1]孫斯亮等.基于PXI總線的多星座導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)[P].201621098282.4,2016.
[2]孫斯亮等.多星座導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2017.
[3]高利.?dāng)?shù)字萬用表的研究與設(shè)計(jì)[J].?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014.
[4]錢國平.基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集模塊的研制[D].哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.
孫斯亮(1989—),男,漢族,河南洛陽人,理學(xué)碩士,研究方向:電子技術(shù)。