多通道AXIe模擬信號并行測試模塊設計

中電科思儀科技股份有限公司 劉明軍 唐建立 夏 磊

本文主要闡述了中電科思儀科技股份有限公司研制的多通道AXIe模擬信號并行測試模塊的設計。該模塊是一個多功能、32通道、單槽的AXIe模塊，每個通道集成了6個獨立的功能儀表，包括函數發生器、任意波形發生器、數字化儀、數字萬用表、限值檢測器以及定時器/計數器。與傳統模擬信號測試儀表相比，該模塊的突出優點在于它的高集成度、并行測試，單個AXIe模塊就能提供192個通用模擬儀表的功能，可廣泛應用于模擬電路板、數模混合電路板故障診斷自動測試系統的集成。

目前，國內在模擬電路測試方面的主要手段還是通過集成現有的各種臺式儀器或者專用的功能單一的模塊儀器，這種方法的優點在于可以選用高精度的測試儀器，缺點在于整個測試系統需要配置數量眾多的模擬測試儀表，體積龐大，測試成本高。如果我們適當降低模擬測試儀表的精度，使其覆蓋大多數常用的測試，那么我們就可以利用目前先進的數字技術和總線技術為用戶提供一套高集成度的模擬測試儀表，降低用戶系統集成的成本，提高測試系統的靈活性。

本文設計實現的多通道AXIe模擬信號并行測試模塊是一個多功能、32通道、單槽的AXIe模塊，每個通道集成了6個獨立的功能儀表，包括函數發生器、任意波形發生器、數字化儀、數字萬用表、限值檢測器以及定時器/計數器。一個模塊共集成了192個功能儀表，能同時對多路模擬信號進行多功能的并行測試，這就能在很大程度上滿足模擬電路對功能測試方面的高要求。

1 多通道AXIe模擬信號并行測試模塊的硬件設計

AXIe模擬信號并行測試模塊是一個多功能、32通道、單槽的AXIe綜合性測試儀器，它主要由信源儀表和測試儀表兩大類儀表組成，能夠同時在每個通道上為待測模擬電路提供激勵或者檢測從模擬電路上采集到的響應。AXIe模擬信號并行測試模塊體系結構框圖及實物圖如圖1所示。

圖1 VXI模擬電路測試模塊結構框圖及實物圖

由圖1可以看出，AXIe模擬信號并行測試模塊由9個功能單元組成，分別是：電源變換/穩壓單元、中央電壓表單元、AXIe接口單元、波形存儲器單元、中斷系統單元、AXIe觸發單元、通道系統單元、開關單元。電源變換/穩壓單元完成AXIe標準的電源電壓到通道儀表所需電壓的轉換。中央電壓表單元實現中央電壓表功能，能對所有通道的電壓進行測試，精度比通道儀表中的數字多用表要高。AXIe接口單元、中斷系統單元和AXIe觸發單元實現模塊與AXIe的通訊。波形存儲器單元實現任意波和數字化儀的波形數據的存儲功能。開關矩陣完成輸入和輸出信號與通道儀表連接的功能。

1.1 通道儀表單元的設計

通道儀表單元是整個模塊的核心，每個通道由六種功能儀表組成，這六種儀表分為兩類，一類是信源儀表，另一類是測量儀表。一個VXI模擬電路測試模塊共集成了192個儀表，并且通道間儀表相互獨立。單通道信源儀表和測量儀表的結構框圖如圖2所示。

圖2 單通道信源儀表和測量儀表的結構框圖

信源儀表包括函數發生器（Function Generator）和任意波發生器（Arb）。信源儀表為檢修、調試模擬電路時提供激勵信號。本文設計實現的函數發生器能為UUT提供一系列的標準波形，包括正弦波、方波、三角波和直流信號，而任意波形發生器能為待測模擬電路提供復雜的任意波形。

測量儀表包括數字化儀（Digitizer）、數字多用表（DMM）、限值檢測器（Limit Detector）、定時器/計數器（Timer/Counter）等四種儀表。四種儀表共享同一個輸入通路和同一個信號采集功能單元。輸入通道實現量程選擇和測量模式選擇。輸入信號經量程選擇以及放大、衰減處理后，送入信號采集功能單元；信號采集功能單元主要由比較器和A/D構成。四種儀表中的數字多用表（DMM）是利用A/D直接得到測量數據，而限值檢測器和定時器/計數器利用比較器將輸入信號處理后，將輸出信號送入FPGA，由FPGA來分析處理得到最終測量值。四種儀表中只有數字化儀可以采用兩種采樣方式中的任意一種，其余三種儀表只能固定用一種采樣方式。

1.2 開關單元的設計

開關單元是AXIe模擬信號并行測試模塊的重要組成部分，它完成輸入/輸出信號與通道儀表之間的連接。開關單元采用繼電器來實現，一個通道需要兩個繼電器，32個通道共需要64個繼電器。兩個繼電器實現一個通道的四種工作方式，它們分別是測量、源&測量、隔離、矩陣。繼電器連接方式如圖3所示。

圖3 通道繼電器連接圖

由圖3中可以看出，兩組繼電器有四個輸出腳連接在一起，另外四個輸出腳分別對應“源”、“測量”、“I/O”和“矩陣”四種輸入/輸出端口，通過對繼電器的開關進行控制即可實現四種輸入/輸出端口的互連互通。

1.3 高密度、多功能儀器小型化設計

AXIe模擬并行測試模塊在320mm×280mm大小的印制板上實現32個通道非常困難，因此每個通道以至整個模塊都需要具有極高的集成度。本文設計中，選用ALTERA公司的超大規模FPGA，以保證關鍵技術的實現，實際設計中共使用了5片，成功地節約了近10%的空間。在通道儀表設計方面，本文借助軟件無線電的思想，設計具有開放性、可擴展、結構簡單的硬件平臺，為高集成度、小型化設計奠定基礎。通道儀表硬件電路分為基于A/D器件的采集單元和基于D/A器件的激勵單元，6種功能儀表相應的分為測量類儀表和激勵源類儀表兩大類。對測量類儀表來說，其輸入通道以及采樣器件是共享的，不同的測量儀表利用相同的硬件資源得到采樣的數據，根據不同的儀表功能來調用不同的處理軟件對采樣數據進行處理，最終得到測量結果；對激勵源類儀表來說，其輸出通道以及激勵器件也是共享的，不同的激勵源儀表通過調用不同的處理軟件產生激勵數據，激勵數據傳送到激勵器件并經輸出通道，最終輸出相應的激勵信號。這樣的設計能最大程度地減小冗余，從而有效地減小每個通道占用的空間。

1.4 多通道儀器同步控制設計

本文通道儀表中任意波形發生器和數字化儀是模擬電路板故障診斷和模擬信號測試必備的儀表，對AXIe總線模擬信號并行測試模塊來說，它們在通道儀表中的地位非常重要，其關鍵之處是如何在32個通道中同時實現任意波形發生器或數字化儀的功能，以及如何對RAM中波形數據讀寫的固定速度與通道輸入輸出波形可變速度之間進行協調控制，本文提出一種多通道儀器同步控制技術來解決此問題。

由于目前的技術水平以及工藝水平的限制，作為數據傳輸控制的大規模FPGA的引腳數量不可能滿足32個通道的要求，即讓每個通道D/A的數據線以及存儲波形數據的RAM的數據線都與FPGA連接，并且彼此間獨立，且能并行的同步工作，這樣一來，要使32個通道的任意波形發生器或數字化儀能同時工作，則必須設立中央控制單元來控制32個通道的數據。本項目利用地址選擇、分時處理、FIFO緩沖的方法來實現此項關鍵技術。由于引入分時處理，則中央控制單元的工作時鐘要至少為通道任意波或數字化儀最高采樣率的32倍，通道的最高采樣率為2MSa/s，則中央控制單元的時鐘至少要為64MHz。因此，該項關鍵技術的重點和難點是如何實現存儲波形的RAM時序邏輯控制與通道儀表時序邏輯控制之間的協調一致。本項目將設計采用單片1Gbit高速大容量DDR SDRAM，共四片；DDR SDRAM讀寫主控時鐘設計為100MHz，并在中央控制FPGA中實現任意波形發生器和數字化儀所需的全部控制信號；波形數據存儲在DDR SDRAM中，由中央控制FPGA協調控制DDR SDRAM輸入輸出數據，并利用FIFO緩沖方法來實現RAM中波形數據讀寫的固定速度與通道輸入輸出波形可變速度之間的協調控制；最后由通道控制FPGA依據中央控制FPGA發出的控制信號控制通道D/A和A/D，最終實現32通道任意波形發生器和數字化儀的同步控制技術。任意波形發生器多通道同步控制仿真波形時序圖如圖4所示。

圖4 多通道儀器同步控制仿真波形時序圖

如圖4所示，DDR SDRAM中的任意波數據是在rdclk的時鐘控制下被通道讀出的，即每來一個時鐘上升沿讀出一個數據。本文設計中32個通道采用4片通道FPGA進行控制，每片通道FPGA控制8個通道，因此需要對4片通道FPGA產生4個片選控制信號，即圖中所示fpga1arbcs、fpga2arbcs、fpga3arbcs、fpga4arbcs；通道FPGA中針對每一個片選信號還要產生對應8個通道的片選控制信號，有了這些片選信號就可以控制每個通道分時讀取DDR SDRAM中正確位置的任意波數據。

2 多通道AXIe模擬信號并行測試模塊的軟件設計

AXIe模擬信號并行測試模塊的軟件主要由軟面板和驅動程序構成。AXIe模擬信號并行測試模塊內部沒有CPU，模塊必須通過軟面板和驅動程序的控制才能工作。驅動程序符合IVI規范，并且為主流的應用程序開發環境（ADE）提供編程接口。用戶通過軟面板的單一界面就可以完成對6種模擬儀表的設置和控制，軟面板提供圖形化的用戶界面，方便用戶進行儀表的控制。

AXIe模擬信號并行測試模塊驅動程序由多個控制具體儀器的軟件模塊組成，這些軟件模塊通過與驅動程序之外的其他軟件協同工作來完成測試任務，這既包含驅動程序與儀器之間的通信接口，又包含與面向儀器使用者的應用程序軟面板的接口。

AXIe模擬信號并行測試模塊的軟面板提供圖形化的用戶界面，方便用戶進行儀表的控制，比如設計過程中，為數字化儀提供類似數字示波器的用戶界面。通過軟面板，用戶可以方便地操作AXIe模擬信號并行測試模塊的各個儀表，輸出預期的信號或者顯示測量結果。另外，通過驅動程序，用戶可以快速地開發模擬測試程序。在設計中該模塊能為每一種模擬儀表都提供一個滿足VPP規范的驅動程序，方便用戶進行模擬電路板或數模混合電路板故障診斷自動測試系統的集成。軟面板的主界面設計如圖5所示。

圖5 軟面板主界面示意圖

主界面運行后，通過點擊測量儀表欄中的儀表按鈕來調用各儀表的控制面板。對每一種類型儀表，所有對該儀表的設置和顯示都可以在該儀表的控制面板中完成。

結論：多通道AXIe模擬信號并行測試模塊采用了通用、開放、可擴展的體系結構，在硬件系統方面遵循行業標準和國際規范，模塊具有體積小、移動性好的特點，是標準的AXIe模塊。在軟件系統方面提供了符合IVI規范的驅動程序，以插件形式不斷增強功能以及具有完善的二次開發接口等諸多優秀特性。本文的研究成果主要創新點在于模擬電路測試儀表多通道、多功能、高集成度、并行測試等技術的實現。