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(jī)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(hù)問題。自動測試系統(tǒng)是指可以自動進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)基于LabVIEW軟件開發(fā)相應(yīng)的軟件界面，用于實現(xiàn)人機(jī)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(biāo)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(jī)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(jī)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(biāo)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(jìn)行介紹：

表1 信號調(diào)理模塊基本性能指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(dá)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(dú)立的單端采集通道或8個獨(dú)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(dú)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(jī)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(jī)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(jìn)行介紹。

圖2 通道選擇模塊硬件電路圖

1)單片機(jī)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(jī)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(jī)的控制指令進(jìn)而完成測試通道的選擇，因此需要實現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，采用常見的Micro USB接口實現(xiàn)。由于ATmega328-PU單片機(jī)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(dú)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(jìn)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(jī)I/O口的負(fù)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(jī)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(jìn)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(diǎn)：

1)具備本地人機(jī)交互界面，能夠響應(yīng)鼠標(biāo)、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(jī)軟件設(shè)計和下位機(jī)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(jìn)行介紹。

3.1 上位機(jī)軟件架構(gòu)設(shè)計

由于上位機(jī)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(jìn)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(dú)立，它們之間還會進(jìn)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(fèi)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(fèi)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(fèi)者線程中使用狀態(tài)機(jī)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(jìn)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(fèi)者”架構(gòu)完成上位機(jī)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(yùn)行可靠性，其執(zhí)行流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)控制軟件執(zhí)行流程圖

3.2 上位機(jī)儀器驅(qū)動設(shè)計

系統(tǒng)中上位機(jī)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(jìn)行控制。此外，上位機(jī)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(hù)升級。

3.3 下位機(jī)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(jī)實現(xiàn)，即通過接收的上位機(jī)指令來決定狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)。不同的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)對應(yīng)不同的I/O口輸出電平組合，進(jìn)而控制繼電器陣列狀態(tài)實現(xiàn)測試通道的選擇。下位機(jī)的程序流程如圖9所示。

圖9 下位機(jī)程序流程圖

上位機(jī)與下位機(jī)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(dá)選擇命令表

3.4 上位機(jī)軟面板設(shè)計

上位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行通道切換測試，隨后對整個系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jī)軟面板控制系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(biāo)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(jī)發(fā)送串口指令進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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。