基于PXI平臺的通用化多功能模塊的設計與實現

上海航天電子技術研究所 孫斯亮 魯 毅 汪小麗

基于PXI平臺的通用化多功能模塊的設計與實現

上海航天電子技術研究所 孫斯亮 魯 毅 汪小麗

當前基于PXI平臺的標準模塊功能單一，價格昂貴，為了節約成本，需要選用多個標準模塊并自制模塊實現自動化測試系統搭建。本文針對有線裝置及無線基帶裝置測試系統的基本需求，設計了一種基于PXI平臺的通用化多功能模塊，實現了信號采集、信號輸出、數據通訊、觸點控制等多個功能，有效降低了測試系統成本與體積，提高了模塊通用化水平及測試系統搭建效率。

通用化；多功能；設計

引言

隨著虛擬儀器技術的發展，用戶只需選購相應模塊即可快速完成測試系統搭建。然而標準模塊功能單一，價格昂貴，利用多個不同種類的標準模塊才能完成測試系統搭建，最終系統搭建成本昂貴，體積龐大，單個模塊內資源浪費嚴重。為了節約成本，縮小體積，用戶大多采用標準模塊結合自制模塊方案搭建系統，然而該方案設計調試工作量巨大，通用化較差，搭建周期較長，節約成本有限,。因此，開發一款功能豐富的通用化多功能模塊對降低測試系統的搭建成本和體積，提高模塊通用化水平及測試系統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、集成化設計，實現了信號采集、信號輸出、數據通訊、觸點控制等功能，集成了萬用表卡、多功能采集卡、示波器卡、數據通訊卡、繼電器卡、調制信號源等多個標準模塊功能，滿足了有線裝置及無線基帶裝置測試系統的基本需求，有效降低了測試系統成本與體積，提高了測試系統集成度、通用化水平及搭建效率。

1.總體方案

通用化多功能模塊主要由信號調理單元、繼電器觸點單元、電源轉換單元、采集與控制單元、數據通信單元組成，信號調理單元負責將電壓、電流、阻抗等采集信號進行調理，轉換為數字信號，繼電器觸點單元通過數字信號程控對外提供可控繼電器觸點，電源轉換單元對PXI背板電源進行調壓轉換為多電壓供電及驅動信號，采集與控制單元負責調理后的數字信號進行采集并根據數據通訊單元指令產生數字和模擬信號，數據通訊單元負責對內部信號電平及形式進行轉換，完成與模塊外部被測件及PXI總線數據的通訊與傳輸。圖1為通用多功能模塊的功能框圖。

1.1 信號調理單元

信號調理單元由功率電阻、放大電路、數字電位器、分壓電路、開關矩陣、隔離電路、程控放大器、模數轉換電路組成，功能框圖如圖2所示。其中，輸入電流信號通過功率電阻進行電流采樣后，將采樣正負端電壓通過放大電路進行放大，最終通過隔離電路轉換為對外部隔離地電壓信號。輸入阻值信號由電源轉換單元供電，經程控數字電位器分壓轉換為共地電壓信號，輸入電壓信號經過分壓電路轉換為對外部隔離地電壓信號。根據需求使用多個上述電路，上述電壓信號通過程控多選一開關矩陣輸出單路信號，進而通過隔離電路轉換為共地電壓信號，最后經程控放大器放大及模數轉換電路轉換輸出數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理模塊。

1.2 電源轉換單元

電源轉換單元由濾波電路、升壓DC-DC模塊、固定降壓DC-DC模塊、可調降壓DC-DC模塊、調節電路、隔離電路組成，功能框圖如圖3所示。電源轉換單元由PXI背板供電，其中背板5V經濾波電路直接輸出，背板3.3V一路經濾波電路直接輸出，另一路通過固定降壓DC-DC模塊轉換為2.5V經濾波電路輸出，背板12V一路經濾波直接輸出，另一路通過升壓DC-DC模塊轉換為36V電壓后，經調節電路及可調降壓DC-DC模塊轉換為24V~34V可調電壓，可調電壓經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。

1.3 繼電器觸點單元

繼電器觸點單元由多個微型固體繼電器與驅動電路組成，功能框圖如圖4所示,繼電器正負觸點全部連接至模塊接插件，用戶根據實際需要通過電纜自定義正負觸點屬性，驅動電路主要由多級并聯非門電路及接口電阻組成，該電路接收電平信號并進行電流補償為繼電器控制電路提供控制信號，通過導通繼電器內部發光二極管，驅動繼電器觸點動作，有效覆蓋了程控繼電器卡的功能。

1.4 采集與控制單元

采集與控制單元由時鐘電路、數據緩存、現場可編程門陣列（簡稱FPGA）、存儲器、數模轉換電路組成,功能框圖如圖5所示。其中時鐘電路負責產生主時鐘，數據緩存實現對FPGA接收信號的緩存，FPGA內置嵌入式軟件通過數據同步、數據解析、串并轉換、數字信號處理、數字濾波及軟件無線電等手段將數據通訊單元輸出的控制信號進行解析并根據配置產生選擇算法處理產生數字信號對外輸出，同時將外部采集的數字信號根據配置算法進行處理后輸出至數據通訊單元，其中FPGA輸出數字信號通過程控信號調理單元對采樣速率及采樣通道數進行調整，并對調理后的數字信號進行處理，有效覆蓋了萬用表卡、示波器卡及多功能采集卡的功能，通過繼電器觸點單元，實現對對繼電器觸點的控制，通過數據通訊單元完成與外部被測件的數據通訊，存儲器負責對FPGA處理算法進行存儲，下次加電自動初始化FPGA設置,選擇處理算法。數模轉換電路負責將FPGA產生的數字信號轉換為模擬信號程控電源轉換模塊調節電路，同時FPGA內部使用調制及變頻等算法產生數字信號轉換產生基帶調制信號，有效覆蓋了調制信號源的功能。

1.5 數據通訊單元

數據通訊單元由PXI接口電路、數據通訊接口電路組成。PXI接口電路將PXI總線信號進行處理后傳輸至采集與控制單元，并將信號調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，數據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行隔離、差分及電平轉換，完成與被測件數據傳輸與通訊，有效覆蓋了數據通訊卡的功能。

2.結語

本文介紹的基于PXI的通用化多功能模塊實現了萬用表、多功能采集卡、示波器卡、數據通訊卡、繼電器卡、調制信號源等多個標準模塊功能，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。本模塊搭建的自動化測試系統相對使用已有標準化模塊體積小、成本低，功能多，相對于使用標準模塊結合自制模塊，通用性強，開發周期短。本模塊定型為標準模塊進行量產后，將進一步降低成本及周期，有效提高基于PXI平臺的自動化測試系統搭建效率。

[1]孫斯亮等．基于PXI總線的多星座導航接收機自動測試系統[P]．201621098282．4,2016．

[2]孫斯亮等．多星座導航接收機自動化測試系統的設計與實現[J]．數字技術與應用,2017．

[3]高利．數字萬用表的研究與設計[J]．數字技術與應用,2014．

[4]錢國平．基于PXI總線的數據采集模塊的研制[D]．哈爾濱理工大學碩士學位論文,2004．

孫斯亮（1989—），男，漢族，河南洛陽人，理學碩士，研究方向：電子技術。