信號調(diào)理模塊的LXI自動測試系統(tǒng)設(shè)計

(1.海裝沈陽局駐哈爾濱地區(qū)第三軍事代表室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 430071)

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備的現(xiàn)代化、高科技化、復(fù)雜化程度也越來越高，針對設(shè)備的測試內(nèi)容也日趨繁雜，測試工作量急劇增加，而規(guī)定的測試時間越來越短，導(dǎo)致傳統(tǒng)的人工參數(shù)測試方法難以滿足現(xiàn)代測試需求。因此，必須依靠以計算機為核心的測試系統(tǒng)來實現(xiàn)設(shè)備的自動化測試[1]。

自動化測試系統(tǒng)[2-4](Automatic Test System，ATS)有關(guān)的研究工作最早開始于1955年美國的SETE計劃，用以解決軍用電子設(shè)備(如航空電子系統(tǒng)和導(dǎo)彈系統(tǒng)等)的維護問題。自動測試系統(tǒng)是指可以自動進行測量，數(shù)據(jù)處理，并且以合適的方式顯示輸出測試結(jié)果，而無需人員參與或僅需極少參與的系統(tǒng)[5]。與傳統(tǒng)的人工參數(shù)測試方法相比，自動測試可以提高工作效率、降低成本，在現(xiàn)代測試測量技術(shù)中有著十分重要的作用。為滿足自動測試系統(tǒng)課程實驗的教學(xué)演示需要，本文以某信號調(diào)理模塊為被測對象設(shè)計了一套基于LXI總線[6]的多通道自動測試系統(tǒng)。經(jīng)實際應(yīng)用測試，該自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對信號調(diào)理模塊的自動測試，同時可進行通道選擇，具有良好的教學(xué)演示效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

通過分析課程實驗的教學(xué)演示需求，以信號調(diào)理模塊為被測對象設(shè)計的自動測試系統(tǒng)應(yīng)具備如下技術(shù)要求：

1)自動測試系統(tǒng)能夠產(chǎn)生激勵信號作為信號調(diào)理模塊的輸入。

2)自動測試系統(tǒng)能夠采集信號調(diào)理模塊的輸出信號，并具備后續(xù)的分析、處理和顯示功能。

3)能夠通過上位機實現(xiàn)測試通道的選擇切換，將信號調(diào)理模塊依次接入自動測試系統(tǒng)進行測試。

設(shè)計的多通道自動測試系統(tǒng)主要由激勵信號源、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集器以及通道選擇模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機通過LXI總線[7-9]發(fā)送程控儀器指令，用于控制激勵信號源產(chǎn)生輸入信號調(diào)理模塊的激勵信號，數(shù)據(jù)采集器采集選定通道信號調(diào)理模塊的輸出波形信號；同時上位機可通過串口指令控制通道選擇模塊完成測試通道的選擇。上位機基于LabVIEW軟件開發(fā)相應(yīng)的軟件界面，用于實現(xiàn)人機交互以及測試系統(tǒng)的控制。

圖1 多通道自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計的多通道自動測試系統(tǒng)主要由激勵信號源、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集器以及通道選擇模塊組成。其中信號調(diào)理模塊采用實驗室已有的某信號模塊，激勵信號源和數(shù)據(jù)采集器分別采用HTLX3730B 100MSPS任意波形發(fā)生器、HTLX4484B八通道同步數(shù)據(jù)采集儀。根據(jù)設(shè)計指標要求，多通道選擇模塊應(yīng)采用5 V供電，具備與信號調(diào)理模塊輸出相連的SMA接口，并通過BNC接口與數(shù)據(jù)采集器的各通道連接，同時可以接收上位機的串口控制指令完成4個測試通道間的切換。

2.1 信號調(diào)理模塊

系統(tǒng)中采用的信號調(diào)理模塊是一款用于配套測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號調(diào)理模塊，其作用是將傳感器輸出的正弦波信號，調(diào)理成同頻率的方波信號，該模塊的具體性能指標參數(shù)如表1所示。

2.2 激勵信號源與數(shù)據(jù)采集器

多通道自動測試系統(tǒng)的搭建需要激勵信號源和數(shù)據(jù)采集器，選用已具備的兩種型號的LXI儀器模塊。下面分別對采用的LXI儀器模塊進行介紹：

表1 信號調(diào)理模塊基本性能指標參數(shù)

1)激勵信號源：使用HTLX3730B 100 MSPS任意波形發(fā)生器。該任意波形發(fā)生器基于LXI總線并符合IVI 1.3標準，具備16位的分辨率和256 MB的板載緩存，最高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率可達100 MS/s，通過待用數(shù)字內(nèi)插技術(shù)可使有效轉(zhuǎn)換率達到400 MS/s，輸出信號的最大帶寬為43 MHz。

2)數(shù)據(jù)采集器：使用HTLX4484B 八通道同步數(shù)據(jù)采集儀。該數(shù)據(jù)采集器可使用8個獨立的單端采集通道或8個獨立的差分通道，所有通道共享512 MB的SDRAM數(shù)據(jù)存儲器，各通道均有一個獨立的16位A/D轉(zhuǎn)換器和信號調(diào)理電路，可實現(xiàn)的最高采樣為2 MSa/s。

2.3 通道選擇模塊

綜合考慮實現(xiàn)硬件資源使用率、實現(xiàn)成本等因素后，選擇采用單片機控制繼電器陣列的方式實現(xiàn)通道選擇模塊，設(shè)計的硬件電路框圖如圖2所示。硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、通信及供電電路和繼電器陣列及外部接口，下面分別對這三部分的硬件電路設(shè)計進行介紹。

圖2 通道選擇模塊硬件電路圖

1)單片機最小系統(tǒng)：通道選擇模塊的微控制器采用基于RISC指令集的Atmel ATmega328-PU，設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。時鐘電路由一個16M無源晶振和兩個22pF電容組成，復(fù)位電路同時具備上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種復(fù)位方式，為便于觀察上電情況和串口通信情況，添加了電源指示燈和串口指示燈。

圖3 ATmega328-PU最小系統(tǒng)原理圖

2)通信及供電電路：為保證通道選擇模塊能夠接收上位機的控制指令進而完成測試通道的選擇，因此需要實現(xiàn)與上位機之間的通信，采用常見的Micro USB接口實現(xiàn)。由于ATmega328-PU單片機的串口輸出為TTL電平，所以采用CH430T電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)串口信號和USB信號之間的轉(zhuǎn)換。由于CH340T的正常工作需要獨立的時鐘源，所以用12 M無源晶振和2個22 pF電容組成時鐘電路。此外針對通道選擇模塊的供電需求設(shè)計了兩種方式：通過USB接口直接供電或者由外部直流電源通過接線端子供電，這兩種供電方式通過一個單刀雙擲開關(guān)進行選擇。通信及供電電路的原理圖如圖4所示。

圖4 通信及供電電路原理圖

3)繼電器陣列及外部接口：考慮單片機I/O口的負載驅(qū)動能力有限，無法直接驅(qū)動控制繼電器，因此采用ULN2803驅(qū)動芯片，該驅(qū)動芯片最多可實現(xiàn)八路驅(qū)動，現(xiàn)選用其中四路用作繼電器驅(qū)動。在COM引腳外接高電平時，一旦單片機的I/O口輸出低電平，對應(yīng)的繼電器吸合，使能信號調(diào)理模塊的輸入，從而實現(xiàn)通道選擇的功能。由于激勵信號源的輸出接口為SMA，數(shù)據(jù)采集器的輸入接口為BNC，因此通道選擇模塊的外部接口設(shè)計為一個SMA接口和4個BNC接口。繼電器陣列及外部接口的原理圖如圖5所示。

圖5 繼電器陣列及外部接口原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

多通道自動測試系統(tǒng)的自動測試、通道選擇功能的實現(xiàn)需要在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計。通過分析該多通道自動測試系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計的系統(tǒng)軟件應(yīng)實現(xiàn)以下功能點：

1)具備本地人機交互界面，能夠響應(yīng)鼠標、鍵盤操作。

2)能夠控制激勵信號源、數(shù)據(jù)采集器這兩個LXI儀器模塊。

3)實現(xiàn)與通道選擇模塊之間的串口通信，用于發(fā)送通道選擇控制指令。

因此系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機軟件設(shè)計和下位機程序設(shè)計，下面就多通道自動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計工作進行介紹。

3.1 上位機軟件架構(gòu)設(shè)計

由于上位機的控制軟件既要響應(yīng)軟面板的用戶事件，又需在后臺執(zhí)行激勵信號源和數(shù)據(jù)采集器的控制操作，同時還要進行采集波形信號的分析處理，因此需要采用多線程的設(shè)計實現(xiàn)。然而各個線程之間并非完全獨立，它們之間還會進行必要的數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，因此控制軟件采用“生產(chǎn)者-消費者”架構(gòu)，即通過順序隊列(FIFO)緩沖區(qū)實現(xiàn)線程之間的同步和通信。

在生產(chǎn)者線程中使用事件結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)用戶在軟面板執(zhí)行例如按下按鍵、輸入數(shù)據(jù)等操作時，就會產(chǎn)生一個對應(yīng)的事件，在控制程序中每個事件都映射著一個操作響應(yīng)函數(shù)。每當(dāng)用戶操作被事件結(jié)構(gòu)響應(yīng)后，都會將一個捆綁有對應(yīng)事件枚舉變量的簇送入順序隊列緩沖區(qū)，供消費者線程讀取。此外，在簇中還有一個用來傳遞事件數(shù)據(jù)的變量。在消費者線程中使用狀態(tài)機結(jié)構(gòu)。首先判斷順序隊列緩沖區(qū)是否為空，如果非空則從中依次讀取緩存簇并進行解綁，然后使用條件結(jié)構(gòu)根據(jù)簇中的枚舉變量執(zhí)行相應(yīng)分支的響應(yīng)操作。基于“生產(chǎn)者-消費者”架構(gòu)完成上位機控制軟件的設(shè)計，能夠有效避免用戶事件的丟失，提高測試系統(tǒng)的運行可靠性，其執(zhí)行流程圖如圖6所示。

圖6 上位機控制軟件執(zhí)行流程圖

3.2 上位機儀器驅(qū)動設(shè)計

系統(tǒng)中上位機通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送SCPI(Standard Commands for Programmable Istruments)指令對激勵信號源和數(shù)據(jù)采集器進行控制。此外，上位機還需通過串口指令控制通道選擇模塊完成測試通道選擇。雖然兩者的硬件接口分別是LAN口和串口，但是控制軟件可以調(diào)用VISA(Virtual Instrument Software Architecture)對不同接口的儀器以統(tǒng)一的形式發(fā)送程控指令[10-11]。圖7分別為VISA資源庫中的打開、關(guān)閉、發(fā)送和讀取4種基本結(jié)構(gòu)，通過VISA庫對自動測試系統(tǒng)中的儀器進行控制時，均需要調(diào)用上述4種基本結(jié)構(gòu)。

圖7 VISA資源中的4種基本結(jié)構(gòu)

由于多通道自動測試系統(tǒng)中的儀器設(shè)備具有較多共同的屬性和調(diào)用方法，因此采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行儀器驅(qū)動程序的設(shè)計。針對各儀器設(shè)備間共有的屬性和方法創(chuàng)建ATS_Instr類作為父類，儀器驅(qū)動程序中的其他類，例如ATS_LXIFgen(激勵信號源)類、ATS_LXIDAQ(數(shù)據(jù)采集器)類和ATS_ATmegaSwitch(通道選擇模塊)類均是繼承自ATS_Inst父類的子類，它們之間的繼承關(guān)系如圖8所示。

圖8 儀器驅(qū)動程序類間的繼承關(guān)系

ATS_LXIFgen類的實例化儀器是HTLX3730B激勵信號源，該子類在父類的基礎(chǔ)上增加了波形輸出配置程序接口；ATS_LXIDAQ類的實例化儀器是HTLX4484數(shù)據(jù)采集器，該子類在父類的基礎(chǔ)上增加了采樣率和采樣點數(shù)的屬性，還增加了配置輸入、信號采集以及信號處理程序接口；ATS_ATmegaSwitch類的實例化設(shè)備是通道選擇模塊，該子類在父類的基礎(chǔ)上增加了通道選擇程序接口，同時上述3個子類還根據(jù)自身特性重寫了儀器初始化、啟動和停止的程序接口。采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行儀器驅(qū)動程序的設(shè)計，不僅可以減少重復(fù)的代碼量而且便于后期的代碼維護升級。

3.3 下位機程序設(shè)計

通道選擇模塊中的ATmega328-PU微控制器程序采用串口命令驅(qū)動的狀態(tài)機實現(xiàn)，即通過接收的上位機指令來決定狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)。不同的狀態(tài)機狀態(tài)對應(yīng)不同的I/O口輸出電平組合，進而控制繼電器陣列狀態(tài)實現(xiàn)測試通道的選擇。下位機的程序流程如圖9所示。

圖9 下位機程序流程圖

上位機與下位機之間的串口通信命令幀采用4個字節(jié)，前兩個字節(jié)0xFF作為幀頭，第三個字節(jié)為命令數(shù)據(jù)，第四個字節(jié)為命令數(shù)據(jù)的反碼。不同的命令數(shù)據(jù)對應(yīng)不同測試通道選擇，它們之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 通達選擇命令表

3.4 上位機軟面板設(shè)計

上位機軟面板通過調(diào)用儀器模塊的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對多通道自動測試系統(tǒng)的控制，例如激勵信號源輸出信號設(shè)置，測試通道設(shè)備選擇等，同時還集成了波形顯示窗口以便于用戶對波形的觀察。如圖10所示上位機軟面板主要由3個區(qū)塊組成：波形顯示區(qū)塊、設(shè)備選擇區(qū)塊以及輸入信號設(shè)置區(qū)塊。

圖10 上位機軟面板

4 實驗結(jié)果與分析

為驗證設(shè)計的多通道自動測試系統(tǒng)的功能正確性，首先上位機通過LXI總線發(fā)送程控命令對測試系統(tǒng)中的激勵信號源、數(shù)據(jù)采集器兩種型號的LXI儀器模塊進行連接、功能測試，通過串口發(fā)送串口指令控制通道選擇模塊進行通道切換測試，隨后對整個系統(tǒng)進行了整體功能測試。

4.1 LXI總線通信連接測試

在設(shè)計的多通道自動測試系統(tǒng)中，上位機與激勵信號源、數(shù)據(jù)采集器之間的通信依賴于LXI總線，因此首先對測試系統(tǒng)中LXI總線通信功能進行測試。用LabVIEW編寫用于測試LXI總線通信連接的程序，程序具體實現(xiàn)調(diào)用VISA發(fā)送一個通用的SCPI指令*IDN？，該指令用于查詢LXI儀器的設(shè)備信息。測試結(jié)果如圖11所示，LXI儀器模塊返回相關(guān)設(shè)備信息，說明LXI總線的通信連接正常。

圖11 LXI總線通信連接測試

4.2 激勵信號源、數(shù)據(jù)采集器功能測試

激勵信號源、數(shù)據(jù)采集器的功能測試采用如下方法實現(xiàn)：采用SMA接頭轉(zhuǎn)BNC接頭的信號傳輸線將激勵信號源輸出端和數(shù)據(jù)采集器的一個輸入通道相連接，用LabVIEW編寫兩者的測試程序并同時運行，測試結(jié)果如圖12和圖13所示，激勵信號源的輸出設(shè)置和數(shù)據(jù)采集器測得的波形一致，表明兩者的功能正確。

圖12 激勵信號源測試

圖13 數(shù)據(jù)采集器測試

4.3 系統(tǒng)整體功能測試

完成自動測試系統(tǒng)中各模塊的功能測試后，對整個系統(tǒng)進行全局功能測試。激勵信號源的輸出端與通道選擇模塊的SMA接口連接，作為系統(tǒng)的測試信號輸入；信號調(diào)理模塊由直流穩(wěn)壓電源輸出的24 V供電，并將其輸入、輸出端連接至通道選擇模塊上的接線端子；最后將通道選擇模塊的4個BNC輸出端與數(shù)據(jù)采集器的4個采集通道相連接，通過以上步驟完成測試系統(tǒng)的搭建。此后，用戶可通過上位機軟面板控制系統(tǒng)進行關(guān)于信號調(diào)理模塊的自動測試。圖14顯示的是某次測試實例的結(jié)果，上位機控制激勵信號源產(chǎn)生幅值為5.00 V、頻率為1 000 Hz的正弦波作為測試信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊的作用后，數(shù)據(jù)采集器采集到賦值為2.78 V、頻率為1 000 Hz的方波輸出信號，由于輸出波形信號符合預(yù)期的指標參數(shù)，所以自動測試系統(tǒng)的合格指示燈為綠色，表明信號調(diào)理模塊通過測試。除此之外，通過上位機發(fā)送串口指令進行了通道選擇測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)可實現(xiàn)測試通道的靈活選擇切換，具備良好的教學(xué)演示效果。

圖14 系統(tǒng)整體功能測試

5 結(jié)束語

本文從自動測試課程實驗的教學(xué)演示實際需求出發(fā)，以某信號調(diào)理模塊為被測對象，設(shè)計開發(fā)了一套基于LXI總線的自動測試系統(tǒng)并進行了相關(guān)測試，測試結(jié)果表明該自動測試系統(tǒng)可由計算機控制產(chǎn)生輸入信號調(diào)理模塊的激勵信號，對信號調(diào)理模塊的輸出信號進行采集、分析處理以及顯示，同時具備通道選擇切換功能，在實際應(yīng)用滿足自動測試系統(tǒng)課程實驗的教學(xué)演示需求。