【正文】 在本設(shè)計(jì)中，要求實(shí)時(shí)采樣率 2MSPS，輸入模擬帶寬1MHz，單通道 8 位，低功耗，單電源供電，為減小體積，要求自帶基準(zhǔn)電壓源和采樣保 持器，這里選用了美國(guó) AD公司的 AD7822。 A D G 4 0 8輸 出衰 減 控 制輸 入R 1R 2R 3R 4R 5R 6 圖 37 低阻衰減電路 低阻衰減電路如圖，由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、高速模擬開(kāi)關(guān)組成， R R R R4組成分壓網(wǎng)絡(luò)，切換用高速模擬開(kāi)關(guān) ADG408來(lái)實(shí)現(xiàn)， R5， R6用來(lái)調(diào)零。模擬信號(hào)采集模塊組成框圖如下： 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 26 圖 34 模擬信號(hào)采集模塊組成框圖 4路模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，完成對(duì)信 號(hào)的隔離，放大和衰減，接著由采樣電路把模擬信號(hào)按一定規(guī)律取樣，量化編碼后 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ，觸發(fā)電路選擇觸發(fā)源和觸發(fā)方式，采集控制電路用來(lái)控制整個(gè)模塊有序正確的工作，同時(shí)把采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，接口控制器實(shí)現(xiàn)模塊和 DSP的通信。因此在測(cè)量方法上一致，但是在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)分上，我們使用控制字和狀態(tài)字進(jìn)行區(qū)分。當(dāng) 291H， 290H 分別為讀取鎖存計(jì)數(shù)值的高八位和低八位。當(dāng)用戶(hù)再次發(fā)出啟動(dòng)計(jì)數(shù)命令時(shí)， gate 再次跳變?yōu)椤?1’。根據(jù)不同的工作方式，模塊對(duì)輸入脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行刷新，模塊的寄存器中始終保持最新的測(cè)量數(shù)據(jù)，主機(jī)可隨時(shí)讀取最新的數(shù)據(jù)。模塊框圖如 下圖 ： P C I I S A 橋 P L X 9 0 5 2局 部 總 線(xiàn)D A CF P G A 芯 片 光 電 隔 離放 大 器D A 輸 出D D S低 通 濾 波正 弦 波 / 方波 變 換切 換 電 路波 形 輸 出脈 沖 變 換低 通 濾 波6 路 計(jì) 數(shù) 通 道脈 沖 輸 入光 電 隔 離2 4 路 開(kāi) 關(guān) 量 輸出 圖 33 信號(hào)發(fā)生 /計(jì)數(shù)模塊框圖 信號(hào)發(fā)生電路 本模塊用于信號(hào)發(fā)生的芯片是 AD9834，此芯片參考時(shí)鐘最高可達(dá) 50MHZ，輸出頻率最高可達(dá) 25MHZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于指標(biāo)上的 100KHZ 的要求，輸出為正弦波 /三角波。 裝甲車(chē)電子裝備 ATS系統(tǒng) 是以步兵戰(zhàn)車(chē)為主要檢測(cè)對(duì)象，為了使 裝甲車(chē)電子裝備 ATS系統(tǒng) 能夠適應(yīng)不同的車(chē)型，將 該 ATS系統(tǒng) 分為二部分：測(cè)試儀和接口適配器，對(duì)不同的車(chē)型，只需更換適配器。步兵戰(zhàn)車(chē)的數(shù)字化系統(tǒng)是車(chē)輛控制中心，各類(lèi)信號(hào)的準(zhǔn)確采集和命令正確執(zhí)行是否，直接關(guān)系到戰(zhàn)車(chē)的戰(zhàn)斗力。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)進(jìn)行操作的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如 CPU 中斷、 DMA 傳送、存儲(chǔ)器等。)()( /)2( ????? 由上式可見(jiàn)，抽取序列的頻譜（離散傅立葉變換） XD(eiω)為抽取前原始序列的頻譜 X(eiω)經(jīng)頻移和 D 倍展寬后的 D 個(gè)頻譜的疊加和。缺點(diǎn)是只能用來(lái)觀(guān)測(cè)重復(fù)信號(hào)，其它都不行，而且速度比較慢。 2．采樣方式 采樣定理為我們確定采樣頻率與信號(hào)帶寬之間的關(guān)系提供了理論依據(jù)，它對(duì)信息理論的發(fā)展具有重要意義，但在具體實(shí)現(xiàn)由連續(xù)信號(hào)到離散信號(hào)的轉(zhuǎn)變基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 14 時(shí)，又涉及采樣方式問(wèn)題，設(shè)計(jì)采樣方式的總體原則是：以保證采樣精度為前提，以被測(cè)信號(hào)的具體特性為依據(jù)，盡量以較低的速率實(shí)現(xiàn)采樣，從而減少數(shù)據(jù)量，降低對(duì)傳輸、變 換系統(tǒng)的要求，提高數(shù)據(jù)處理的效率。 上述 Nyquist 采樣定理告訴我們，如果以不低于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣速率對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行采樣，那么所得到的離散采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)。數(shù)據(jù)采集板的程序設(shè)計(jì)依靠驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)化和易于移植，因而用戶(hù)能夠用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)虛擬儀器面板、自基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 12 動(dòng)測(cè)試程序。 本課題采用 PCI 總線(xiàn)式 體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建模塊化、開(kāi)放式的高性能虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 VXI 總線(xiàn)式的虛擬儀器 ATS VXI 總線(xiàn)是高速計(jì)算機(jī)總線(xiàn) VME 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI 屏蔽。但是它與 PC 機(jī)相連需要專(zhuān)用接口以及 GPIB 儀器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳遞速率較低，逐漸被其他形式的儀器所代替。而儀器硬件設(shè)備則主要包括 :各種計(jì)算機(jī)內(nèi)置插卡和外置測(cè)試設(shè)備。 測(cè)試對(duì)象圖 象 采 集 卡信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡G P I B 接 口 儀 器 G P I B 接 口 卡串 口 儀 器V X I 儀 器P X I 儀 器現(xiàn) 場(chǎng) 總 線(xiàn) 儀 器P C 機(jī) / 工 作 站虛 擬 儀 器 軟件 （ 設(shè) 備 驅(qū)動(dòng) 、 測(cè) 試 控制 、 輸 出 顯示 等 ） 圖 21 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬儀器通常由硬件設(shè)備與接 口 、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件、測(cè)試功能軟件和虛擬儀器面板等組成，虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 2I 所示。第三章，基于虛擬儀器 ATS 的實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器技術(shù)的發(fā)展，在用戶(hù)和 廠(chǎng) 商的推動(dòng)下，一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 化組織先后提出和推薦了一批總線(xiàn)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，形成了各種總線(xiàn) 式 的 ATS。對(duì)于虛擬儀器來(lái)說(shuō)軟件是關(guān)鍵部分，軟件一經(jīng)開(kāi)發(fā)， 可 重復(fù)使用，并 可 根據(jù)用戶(hù)需求任意修改，因而其價(jià)格低廉，僅為傳統(tǒng)儀器的五至 十 分之一。任何一個(gè)使用者都 可 以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 10 器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以又有“軟件就是一切”之說(shuō)。在上述的背景下，出現(xiàn)了新的儀器概念 — 虛 擬儀器 。而且 ATS 可靠性和可維修性低，維修費(fèi)用過(guò)高。 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 8 診 斷數(shù) 據(jù)U U T 測(cè)試 需 求測(cè) 試 程序 文 檔產(chǎn) 品數(shù) 據(jù)機(jī) 內(nèi) 測(cè)試 數(shù) 據(jù)維 護(hù)數(shù) 據(jù)I E E E 1 2 2 6信 息 架 構(gòu)數(shù) 據(jù) 測(cè)試 形 式儀 器 功 能 和參 數(shù) 數(shù) 值開(kāi) 關(guān) 功 能 和參 數(shù) 數(shù) 值適 配 器 功能 和 參 數(shù)診 斷 數(shù) 據(jù) 運(yùn) 行 時(shí) 服 務(wù) 資 源 管 理 多 媒 體格 式V P P 2系 統(tǒng) 接 口通 用 儀器 類(lèi)儀 器 驅(qū)動(dòng) 器通 信 管理 器開(kāi) 關(guān) 矩陣接 受 器 /夾 具網(wǎng)絡(luò) 圖 11 NxTest ATS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 （ 4）采用 IEEE1232 標(biāo)準(zhǔn)，定義了 ATS 故障診斷服務(wù)接口。 國(guó)外軍用 ATS 的新發(fā)展 二十世紀(jì)九十年代中后期以來(lái)，軍用 ATS 開(kāi)發(fā)研制的指導(dǎo)思想是以綜合通用的 ATS 為主導(dǎo)，采用共同的硬件及 軟件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)資源共享為原則。除了 GPIB 接口總線(xiàn)系統(tǒng)，還有一些其它的通用接口系統(tǒng)，例如 IEEE 538接口 (CAMAC)和航空 1553接口，主要用于核物理和航空航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，它們也可以和 GPIB 總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)使用。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用比較簡(jiǎn)單的定時(shí)器或掃描器作為控制器，其接口也是專(zhuān)用的。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ ATS）介紹 我們通常將能自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、傳輸，并以適當(dāng)方式顯示或輸出測(cè)試結(jié)果的系統(tǒng)稱(chēng)為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) (以下 簡(jiǎn)稱(chēng) ATS)。為了保障武器系統(tǒng)的可靠性、維修性和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，發(fā)揮其應(yīng)有的戰(zhàn)斗 力，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)維護(hù)手段已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化武器系統(tǒng)的保障要求，軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已逐步成為武器系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要保證。分類(lèi)號(hào) TP311 密級(jí) UDC 編號(hào) 83009040253 電子科學(xué)研究院 碩士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 指導(dǎo)教師 學(xué)科專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 論文提交日期 論文答辯日期 培養(yǎng)單位 授 予單位 電子科學(xué)研究院 答辯委員會(huì)主席 I 摘要 隨著測(cè)試儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試儀器更緊密的結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，隨之就出現(xiàn)了新的測(cè)試儀器 —— 虛擬儀器。 同時(shí)，現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和儀器儀表技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，成為推動(dòng)軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)不斷進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力。在 ATS 中，整個(gè)測(cè)試工作都是在預(yù)先編制好 的測(cè)試程序統(tǒng)一指揮下自動(dòng)完成的。因此，第一代測(cè)試系統(tǒng)通用性比較差。 第二代 ATS 雖然比人工測(cè)試顯示出前所未有的優(yōu)越性，但是在這些系統(tǒng)中，電子計(jì) 算機(jī)并沒(méi)有充分發(fā)揮作用，系統(tǒng)中仍是使用傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備 (只不過(guò)是配備了新的標(biāo)準(zhǔn)接口 )，整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程基本上還是對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)試的模擬。主要思路為：采用共同的測(cè)試策略，從設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始，通過(guò)“ 增值開(kāi)發(fā)”的方式使后一階段測(cè)試設(shè)備的研制能利用前一階段的開(kāi)發(fā)成果，滿(mǎn)足通用化、系列化、組合化的要求，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”、“一機(jī)多型” ； TPSs 要能夠移植，軟件模塊可以重用；使用商業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)、成熟的儀器設(shè)備，大量采用商用貨架產(chǎn)品（ COTS）技術(shù) —— 商品化的產(chǎn)品和技術(shù)，縮短研究開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低成本，以滿(mǎn)足軍事需求。 （ 5）廣泛采用測(cè)試領(lǐng)域和其他相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，如 IEEE122 IEEE123 IVI、VPP、 IEEE144 TCP/IP 等，具有更好的適應(yīng)性和兼容性。 （ 2）測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)尚未形成完整的體系。 虛擬儀器 (Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng) VI)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試 (CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。根據(jù)虛擬儀器的軟特性 ，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器主要有以下特點(diǎn) 。顯而易見(jiàn)，其開(kāi)發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用也是比較低的，并利于技術(shù)更新，周期為 12 年。 現(xiàn)代軍用測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向是三化 :標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化。第四章，講述軟件實(shí)現(xiàn)方法。其中，硬件設(shè)基于虛擬儀器的 ATS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 備與接 口 可以是各種以 PC 總線(xiàn)為基礎(chǔ)的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡 (PCDAQ )、通用接口總線(xiàn) (如 GPIB)接口卡、串行口、 VXI 總線(xiàn)儀器、 PXI 總線(xiàn)儀器等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備 。根據(jù)所用儀器硬件的不同 (見(jiàn)圖 21)，虛擬儀器可分為GPIB(IEEE488)總線(xiàn)式、以計(jì)算機(jī)數(shù) 據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PCI 總線(xiàn)式、 VXI總線(xiàn)式、 PXI 總線(xiàn)式、并行總線(xiàn)式、串行總線(xiàn)式、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)式等不同的硬件體系結(jié)構(gòu)， 目 前虛擬儀器的發(fā)展主流是 GPIB, PCI, VXI 和 PXI 四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 GPIB測(cè)試系統(tǒng)適合于精確度要求高、但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，成本也較高。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠(chǎng)家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。 PCI 總線(xiàn) 式虛擬儀器 ATS 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 今天，已有大量的科技和工程人員對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行總線(xiàn)擴(kuò)展以便將其用于實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的性能決定了整個(gè)過(guò)程的速度。下面從數(shù)學(xué)上來(lái)進(jìn)一步證明 Nyquist 采樣定理，也就是推導(dǎo)用離散采樣值 x(n)表示帶限信號(hào) x(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 由于被測(cè)信號(hào)的種類(lèi)各種各樣，相應(yīng)的采樣方式也千差萬(wàn)別，下面給 出了一個(gè)采樣方式分類(lèi)圖。 采樣方 式 實(shí)時(shí)采樣 等效時(shí)間采樣 定時(shí)采樣（等間隔采樣） 變頻采樣（變步長(zhǎng)采樣或等點(diǎn)采樣） 間歇采樣 掃描采樣 時(shí)序變換采樣 隨機(jī)變量采樣 步進(jìn)采樣 步退采樣 差額采樣 基于虛擬儀器的 ATS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 多速率采樣原理 所謂整數(shù)倍抽取是將把原始采樣序列 x(n)每隔 (D1)個(gè)數(shù)據(jù)取一個(gè)，以形成一個(gè)新序列 xD(m)，即： xD(m) = x(mD) 式中 D 為正整數(shù)。如果直接抽取，就會(huì)使抽取后的頻譜發(fā)生混疊，阻礙信號(hào)的恢復(fù)，所以需要先用一個(gè)數(shù)字濾波器（濾波器帶寬為 π/D）對(duì) X(eiω)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行 D 倍抽取 ， 則抽取后的頻譜基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 16 就不會(huì)發(fā)生混疊。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提供給用戶(hù)易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件級(jí)程序設(shè)計(jì)。一旦這些信息的通路出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。 裝甲車(chē)電子裝備 ATS系統(tǒng) 采用的各模塊大多是 CPCI_3U 模塊， I/O 信號(hào)采用下出線(xiàn)，目前流行的 PXI 總線(xiàn)不能完全適合在本系統(tǒng)中采用，因此在設(shè)計(jì)中各模塊采用 3U CPCI 標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由 CPU 主控模塊、 IDE 硬盤(pán)模塊、 4COM 模塊、信號(hào)發(fā)生 /頻率計(jì)數(shù)模塊、 DSP 模塊、模擬信號(hào)采集模塊、數(shù)字信號(hào)采集模塊、顯示 /面板塊組成，由這些模塊完成信號(hào)和數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、采集、處理分析