開(kāi)放型模塊化高性?xún)r(jià)比ATS的自主研發(fā)

摘要 結合VXI／PXI／LXI、多DSP并行處理、FPGA和ISP(In System Programming)、高速緩存、VI(Virtual Instrument)等先進(jìn)技術(shù)，按照測量、控制、通信、計算機(MC3)一體化系統的思路，針對頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、瞬時(shí)性強、信號種類(lèi)繁多等綜合參數動(dòng)態(tài)測試應用背景，探討了開(kāi)放型模塊化高性?xún)r(jià)比自動(dòng)測試系統ATS(Automatic Testmg System)的研制與開(kāi)發(fā)。
關(guān)鍵詞 開(kāi)放型 模塊化 高性?xún)r(jià)比ATS多DSP并行處理 多功能 


引 言
    現代儀器科學(xué)與技術(shù)的核心是利用微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果來(lái)解決信息的獲取、變換、傳輸、存儲、處理與分析、利用。代表著(zhù)測控技術(shù)與儀器行業(yè)最高水平的綜合ATS順應時(shí)代潮流，向模塊化、智能化、多功能化、數字化、網(wǎng)絡(luò )化和標準化方向迅猛發(fā)展，數字信號處理解決方案DSPS成為數字化時(shí)代解決電子儀器開(kāi)放式體系結構OSA設汁的必要技術(shù)環(huán)節。ATS成為復雜電子設備、武器裝備、現代化指揮系統安全運行和準確操作所必需的重要支撐技術(shù)，是使裝備系統處于良好運行狀態(tài)的重要保證。測試儀器的后勤支援保障作用和儀器視同裝備的觀(guān)念，已得到業(yè)界專(zhuān)家的認同。而PXI／VXI／LXI等ATS又過(guò)于昂貴，因此自主研發(fā)開(kāi)放型高性?xún)r(jià)比ATS具有重要的現實(shí)意義和廣泛的應用價(jià)值。


1 系統總體設計
    根據現實(shí)需求和潛在的未來(lái)需求，整合VXI／PXI／LXI、多DSP并行處理、FPGA／ISP、高速緩存，VI等先進(jìn)技術(shù)，按照測量、控制、通信、計算機(MC3)一體化系統的思路以及模塊化、總線(xiàn)接口標準化、通用化等電子儀器開(kāi)放式體系結構(OSA)準則，本著(zhù)先進(jìn)、實(shí)用、可靠和經(jīng)濟的原則，針對頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、瞬時(shí)性強、信號種類(lèi)繁多等綜合參數動(dòng)態(tài)測試應用背景，進(jìn)行開(kāi)放型、模塊化、高性?xún)r(jià)比的ATS設計，其總體結構如圖1所示。



    ATS硬件平臺主要包括：零槽通信控制模塊，高速采集與實(shí)時(shí)處理模塊，高精度采集與實(shí)時(shí)處理模塊，大動(dòng)態(tài)范圍高精度多通道智能計數器模塊，基于MUX(Analog Mu(tipIexer)、PGA(Progranlmable-Gain Instrumentatlon Amplifier)、DCP(Digitally Controlled Potentiometer)、DAC(Digital to Analog Converter)、AMP(Amplifier)等高性能集成IC技術(shù)的大動(dòng)態(tài)范圍程控模擬前端調理(AFE)電路，以及作為ATS“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )”的儀器內部總線(xiàn)等。


2 系統功能模塊設計
2.1 零槽通信控制模塊設計
    如圖1所示，零槽通信控制模塊在整個(gè)系統中起承上啟下的橋梁作用：既是上層PC軟件直接操控的對象，接收上位PC控制命令、上傳系統狀態(tài)信息和測試數據；又是底層硬件的“大腦”，對內控制各功能模塊。零槽通信控制模塊原理框圖如圖2所示，主要包括外部PC通信接口模塊(如UART、EPP、USB、Internet、IDE、ISA、PCI／PXI、FireWire、藍牙等標準PC外設接口)，內部總線(xiàn)接口模塊(多DSP／MPU之間的SLC，主要有SCI、I2C、SPI、IDMA、HPI、Link、SPORT、Share-in Bus、DPRAM／FIFO數據池、網(wǎng)絡(luò )交換機等總線(xiàn)接口形式)和擴展功能模塊(主要用于人機交互、基于Flash／CF卡／硬盤(pán)的ROM擴展和基于DRAM／SDRAM的RAM擴展)。在設計時(shí)遵循“軟硬件一體化”和“在系統持續升級化”的原則，以高性能DSP為主控中心、以FPGA／CPLD為編譯碼與時(shí)序邏輯控制設備，進(jìn)行開(kāi)放性、模塊化設計。至于采用何種接口，要根據實(shí)際情況具體問(wèn)題具體分析。



2.2高速采集與實(shí)時(shí)處理模塊設計
    高速采集與實(shí)時(shí)處理模塊主要對寬帶電壓信號(如各類(lèi)壓電傳感器輸出信號)進(jìn)行程控調理、高速連續采集、大容量同步緩存、實(shí)時(shí)處理及同步數據傳輸等。如圖3所示，多通道高速連續采集與實(shí)時(shí)處理模塊主要包括基于信號程控選擇(MUX)、程控放大(PGA)、程控衰減(DCP)、直流電平偏置、抗混迭濾波(LPF)以及自校正參考源(DAC)等具有白檢和自標定功能的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的程控模擬前端AFE(Analog Front End)，在FPGA／ISP的控制下，可對大動(dòng)態(tài)范圍(-10～+10V)寬帶電壓信號進(jìn)行智能化精密調理，直流測暈精度達到了O．O5％FS(FullScale，滿(mǎn)量程)。利用DSP以及其他數字部件(MUX)，通道輸入信號可切換為內部的DAC。用DAC產(chǎn)生特定的直流、交流標定信號，不僅可以標定通道的增益與零偏，而且還可自檢模擬通道的功能正確與否。由高速ADC、高性能DSP和高速緩存(FIFO一級緩存和SDRAM二級緩存)三者構成一個(gè)靈活、緊湊的實(shí)時(shí)信號處理結構，能夠保證DSP充分發(fā)揮高密度、實(shí)時(shí)信號處理能力(數字濾波、特征提取和測試數據實(shí)時(shí)壓縮等)，同時(shí)實(shí)現高速緩存、連續采樣和同步數據傳送?；赟PORT接口，本卡既可接受PC的監控調試和通信控制，又可與其他系統進(jìn)行分布式同步瓦聯(lián)。通過(guò)總線(xiàn)接口邏輯控制FPGA／CPLD和驅動(dòng)隔離部分，可以SPORT、多SHARC DSP共享總線(xiàn)、HPI／IDMA、LinkPorts等方式建立起與零槽通信控制模塊的通信控制和數據交換。既可通過(guò)DSP標準JTAG口，借助商品化DSP開(kāi)發(fā)器進(jìn)行PC監控調試，又可利用DSP兩根可編程I/O引腳，輔以特定的時(shí)序控制實(shí)現PC-UART口監控調試DSP，本模塊可獨立自成系統。



2．3 高精度采集與實(shí)時(shí)處理模塊設計
    如圖4所示，多通道高精度連續采集與實(shí)時(shí)處理模塊主要包括模擬前端調理電路、高精度串行ADC、FPGA、高速緩存(SDRAM)、觸發(fā)定時(shí)控制、DSP、總線(xiàn)接口和PC監控調試接口等部分。主要適用于熱電偶、應變片、壓阻、熱電阻等傳感器初步調理的電壓信號、通用電壓信號進(jìn)行高精度程控調理和實(shí)時(shí)采集。影響采集系統精度的主要因素是ADC轉換位數和輸入ADC的電壓范圍。為擴大系統測試動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現精密測量，除了選擇性能優(yōu)良的ADC芯片和充分抑制信號傳輸通道噪聲外，還需要將大動(dòng)態(tài)范圍的輸入電壓信號進(jìn)行程控調理，實(shí)現ADC最佳輸入范圍。為實(shí)現l～10000倍的程控增益倍數設計(微弱信號)，模擬前端調理電路由一級放大(PGA)、二級放大(程控增益放大器和程控濾波器PGA＆F)部分組成。PGA可提供1、10、l00和l000倍的一級程控增益PGA＆F可提供l～16倍的二級程控增益與截止頻率為lO～150 kHz的程控濾波，DAC為8路模擬調理電路提供調零信號。利用DSP以及其他數字部件(MUX、差動(dòng)放大器。PGA等)，通道輸入信號同樣可切換為內部的DAC。DSP同步控制大容量SDRAM(如HY57V641620)，可實(shí)現模塊4M字高速同步緩存；在保證采樣數據高速采集的同時(shí)，可為DSP觸發(fā)判別或實(shí)時(shí)處理提供數據緩沖。由ADC、DSP和高速緩存SDRAM三者構成一個(gè)靈活、緊湊的實(shí)時(shí)信號處理結構，保證DSP發(fā)揮實(shí)時(shí)信號處理能力。FPGA主要實(shí)現8路高精度串行ADC(如24位)輸出數據的串／并轉換和ADC控制等?？偩€(xiàn)接口部分同2．2小節。



2．4 智能計數器模塊設計
    圖5為基于DSP和FPGA的8通道大動(dòng)態(tài)范圍高精度智能計數器模塊原理框圖。
    圖中主要包括大動(dòng)態(tài)范圍計數器模擬前端調理電路、基于DSP和FPGA的智能計數器和總線(xiàn)接口部分(同2．2和2．3小節)，用于轉速傳感器等脈沖式傳感器測量，也可接入TTL信號直接進(jìn)行時(shí)間計數與頻率測量。計數器模擬前端調理電路包括隔直濾波、輸入阻抗匹配、限壓保護、分壓限流、高速比較以及緩沖整形等部分，可自動(dòng)將大動(dòng)態(tài)范圍(BW：l Hz～lO MHz，