【正文】 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 31 觸發(fā)源選擇觸 發(fā)電 平觸 發(fā) 脈 沖S Y S T R I E 1比 較 器+D A C觸 發(fā) 輸 入T R S 1觸 發(fā) 輸 入T R S 2觸 發(fā) 輸 入T R S 3觸 發(fā) 輸 入T R S 4觸發(fā)
。其主要特性如下 : 流水線式 ADC 單通道 8位，低功耗 36mW(+3V 供電 ) 單電源供電 ： 3V 或 5V177。 采樣電路 采樣電路把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號，以便于數(shù)字系統(tǒng)對信號的存儲 、 處理和顯示。 A/D轉(zhuǎn)換 芯片信號輸入電壓范圍是 0V~2V，最大不得超過 5V，否則極易損壞芯片。在本設(shè)計中，我們使用了 AD843A運(yùn)放，其主要特性參數(shù)如下： 輸入阻抗 ： 大于 lOMΩ 單位增益帶寬積 ： 34MHz 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 29 轉(zhuǎn)換速率 ： 250v/us 輸入偏置電流 ： 阻抗變換電路如下： A D 8 4 3輸 入輸 出+ 圖 38 阻抗變換電路 （ 3）放大及驅(qū)動電路 信號放大電路是 信號調(diào)理電路的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對信號的放大，同時保證在要求的帶寬內(nèi)，失真和噪聲小，增益穩(wěn)定，線性性能好。為了實(shí)現(xiàn)1/2/5衰減，選擇 R1， R2， R3， R4的阻值分別為： 300Ω， 500Ω， 300Ω， 200Ω。 R1+R2=1MΩ ,故通道的 高阻 輸入阻抗為 1MΩ。 R 1C 1R 2C 2V i V o 圖 36 高阻衰減網(wǎng)絡(luò) 其中： 1111 1 CRjRZ ??? 2222 1 CRjRZ ??? 當(dāng)滿足： 2211 CRCR ? 則衰減器的分壓比： 基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的研究 28 212212 RR RZZ Zvvio ???? 與 頻率無關(guān)。信號調(diào)理電路的組成 框圖如下： A45 A1 信號調(diào)理 A/D 轉(zhuǎn)換器 同步 觸發(fā) 存儲器 接口 控制器 DSP P 采 集 控 制 信號調(diào)理 A/D 轉(zhuǎn)換器 同步 觸發(fā) 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 27 高 阻 衰 減 器1 / 1 0 / 1 0 0阻 抗 變 換 主 放 大 級低 阻 衰 減 器1 / 2 / 5驅(qū) 動 放 大 圖 35 信號調(diào)理電路組成框圖 （ 1）衰減電路 衰減電路由兩部分 ：高阻衰減器位于耦合電路之后，用于 100倍衰減；低阻衰減器位于 主放大 電路之后，用于 5倍衰減。 其中，同步觸發(fā)、采集控制和接口控制器等電路通過 FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn)。 模擬信號采集模塊 模擬信號采集模塊用于采集來自數(shù)據(jù)融合器的車輛工況模擬量（油溫、油壓等），采用 2MHz 采樣率，由接口適配器將 16 路工況模擬量分時切換至四路采集通道，完成對模擬信號的采集，并采用該通道測試 GPS、電子羅盤、激光告警以及加固計算機(jī)等設(shè)備的數(shù)字信號的物理狀態(tài)。 當(dāng)計算機(jī)發(fā)鎖存命令時，圖示為 sig_latch 的上升沿，把當(dāng)前最新的計數(shù)鎖存器中的 16 位數(shù)值 t_num 送給鎖存器 latch_num， latch_num 的數(shù)值一直維持到計算機(jī)發(fā)下一個鎖存命令，此時把最近的 t_num 對 latch_num 進(jìn)行刷新。 計數(shù)的過程是這樣工作的：當(dāng) dpulse 跳變到‘ 1’后的下一個 clock 信號的上升沿開始從 0 計數(shù)，直到 dpulse 變?yōu)椤?0’，即 dpulse 從‘ 1’跳變到‘ 0’(這一過程中， t_num 維持上一周期的數(shù)值 )，停止計數(shù)，把當(dāng)前的這一周期的計數(shù)脈沖數(shù)值送給 t_num，對 t_num 刷新，此刷新的脈沖數(shù)一直維持到下一個 dpulse 的下降沿。如果控制字設(shè)定為測量周期，那么取回的數(shù)據(jù)按照計算周期的方法去處理，相應(yīng)的讀回的狀態(tài)字就是正在測量 的 周期；如果控制字設(shè)定為測量頻率，那么取回的數(shù)據(jù)按照計算頻率的方法去處理，相應(yīng)的讀回的狀態(tài)字就是正在測量 的 頻率。 頻率 /周期測量 圖 37 頻率 /周期測量工作 時序 圖 信號脈沖的頻率 測量 和周期 測量 理論上一致，信號的頻率為周期的倒數(shù)，即： F=1/T。當(dāng)用戶發(fā)出計數(shù)器清零命令時 (clr 為‘ 1’電平 )，當(dāng)前的計數(shù)器中的數(shù)值清零。 d[7..0] 數(shù)據(jù)線。 292H為鎖存命令選通地址。 sa[9..0] 地址信號。 基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的研究 24 latch_num 計算機(jī)發(fā)鎖存命令，把當(dāng)前的計數(shù)值鎖存。 t_num 為當(dāng)前的計數(shù)值。 clr 為計數(shù)器清零命令。當(dāng)啟動計數(shù)后， gate 為‘ 1’，一直維持到用戶發(fā)出暫停計數(shù)命令， gate 變?yōu)椤?0’電平。 gate 為用戶啟動計數(shù)和暫停計數(shù)過程中產(chǎn)生的電平。當(dāng)發(fā)鎖存命令后，通道依然按照原來的方式工作。在模塊工作過程中，如果用戶需要改變工作方式，可以重新設(shè)置工作方式，模塊即按新的工作方式進(jìn)行工作。主機(jī)對模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置不同通道的工作方式，此后，模塊即按照用戶的設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)行預(yù)定的工作。六路計數(shù)通道同時工作，用戶可以同時對六路通道進(jìn)行設(shè)置。 計數(shù)電路 D C N T 1+光 藕L M 1 3 9P U L S E I N 1低通濾波器 圖 35 頻率計數(shù)電路示意圖 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 23 待測信號先經(jīng)過低通濾波 器 濾除高頻信號，為了頻率計數(shù)方便，再把經(jīng)過濾波的信號脈沖變換，變?yōu)?5V的 脈沖 信號，然后用光藕進(jìn)行隔離，最后輸入 FPGA進(jìn)行計數(shù)。 基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的研究 22 A D 9 8 3 4A D 8 0 3 3A D 5 5 8 2A D 8 0 3 3R 2R 1+S I N E _ O BS I N E _ OQ _ O U T V O DV O U T 3V R E F H DV R E F L DD A D [ 0 . . 1 1 ]+ 圖 34 信號發(fā)生電路 示意 圖 在本系 統(tǒng)設(shè)計中對輸出的正弦信號無幅度調(diào)節(jié)要求，圖 34所示的電路示意圖 完成對方波實(shí)現(xiàn) ~12V的幅度調(diào)節(jié)。波形發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成（ DDS） 技術(shù)， 它具有頻率分辨率高、相位噪聲低、頻率轉(zhuǎn)換時間短等特點(diǎn) 。 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 21 信號發(fā)生 /計數(shù)模塊 本模塊集 D/A轉(zhuǎn)換器、波形發(fā)生器和頻率計數(shù)器于一體，采用 FPGA芯片對各部分功能進(jìn)行控制。 根據(jù) 裝甲車電子裝備 ATS系統(tǒng) 的實(shí)際要求，本系統(tǒng)的信號發(fā)生 /計數(shù)模塊和數(shù)據(jù)采集模塊 的技術(shù)指標(biāo)如下： 信號發(fā)生 /計數(shù)模塊： D/A通道： ? 4路電壓輸出 基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的研究 20 ? 輸出電壓范圍： 0 ～ +12V ? 分辨率： 12位 ? 建立時間： 5ms ? 輸出壓擺率： 2V/μ S ? 驅(qū)動能力： 5mA 波形發(fā)生通道： ? 方波 /正弦波可選 ? 頻率范圍： 0～ 100KHz，步長 1Hz ? 正弦波輸出幅度： 1V（空載） ? 方波輸出幅度： 0 ～ +12V可調(diào)（空載） 頻率計數(shù)通道： ? 6路計數(shù)通道 ? 頻率 /周期測量功能 ? 計數(shù)頻率范圍： 0～ 20KHz 開關(guān)量輸出： ? 24路開關(guān)量輸出 數(shù)據(jù)采集模塊： A．模擬采集 ? 通用模擬通道： A1， A2， A3， A4； ? 采集速率： 2Msa/S； ? 最大輸入電壓： 10V； ? 靈敏度： 10mv/格～ 2v/格。 裝甲車電子裝備 ATS系統(tǒng) 采用的各模塊大多是 CPCI_3U 模塊， I/O 信號采用下出線，目前流行的 PXI 總線不能完全適合在本系統(tǒng)中采用，因此在設(shè)計中各模塊采用 3U CPCI 標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，主要由 CPU 主控模塊、 IDE 硬盤模塊、 4COM 模塊、信號發(fā)生 /頻率計數(shù)模塊、 DSP 模塊、模擬信號采集模塊、數(shù)字信號采集模塊、顯示 /面板塊組成，由這些模塊完成信號和數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、采集、處理分析和判斷。 圖 31 裝甲車電子裝備 ATS系統(tǒng) 組成圖 車長計算機(jī) 駕駛員計算機(jī) 數(shù) 據(jù) 融 合 器 接口適配器 測試儀 GPS 電子羅盤 激光告警 車輛工 況 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 19 裝甲車電子裝備 ATS系統(tǒng) 通過向步兵戰(zhàn)車的各種數(shù)字化設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的輸入激勵信號，再用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集設(shè)備對輸入 的響應(yīng)信號，分析判斷響應(yīng)信號的邏輯狀態(tài)和物理狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)備的故障性能檢測，確定故障裝備的損壞程度。步兵戰(zhàn)車的車載數(shù)字化裝備，包括衛(wèi)星定位設(shè)備、電子羅盤設(shè)備、激光告警設(shè)備以及車載計算機(jī)等。否則將導(dǎo)致指揮失靈、命令無法正確執(zhí)行從而導(dǎo)致延誤戰(zhàn)機(jī)的后果。一旦這些信息的通路出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。 裝甲車電子裝備 ATS 系統(tǒng) 簡介 現(xiàn)代化步兵戰(zhàn)車的電子裝備主要包括了各種常規(guī)儀表、車輛工況，導(dǎo)航，激光告警和車載通信設(shè)備，且基本實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)控制，其戰(zhàn)時維修診斷與平時視情保障能力的需求顯得更加迫切。在驅(qū)動軟件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟件也和數(shù)據(jù)采集的儀器組合在一起。合適的驅(qū)動軟件不但減少了組合 DAQ 板系統(tǒng)的時間，而且是高性能和系統(tǒng)性的最佳組合。驅(qū)動軟件在保持高性能、提供給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件級程序設(shè)計。 從上述分析可以得出一個完整的 I 倍內(nèi)插器的結(jié)構(gòu)如下圖所示： X ( eiω)XI’ ( eiω)HL P( eiω)IXI( eiω) 圖 25 I 倍內(nèi)插器結(jié)構(gòu)圖 基于虛擬儀器的 ATS 結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 虛擬儀器 ATS 軟件組成 (1)驅(qū)動軟件 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一個主要方面是驅(qū)動軟件的使用。 由于 XI(eiω)除了 m為 I 的整數(shù)倍處為 x(m/I)外，其余都為零，所以有： )()()()( ???? iIm i m Im miIiI eXemxemxex ??? ?? ?? ??? ??? ??? ? 從上式可見，內(nèi)插后的信號頻譜為原始序列譜經(jīng) I 倍壓縮后得到的譜。 通過上述分析可以得出一個完整的 D 倍抽取器結(jié)構(gòu)如下圖所示。如果直接抽取，就會使抽取后的頻譜發(fā)生混疊，阻礙信號的恢復(fù)，所以需要先用一個數(shù)字濾波器（濾波器帶寬為 π/D）對 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測試系統(tǒng)的研究 16 就不會發(fā)生混疊。 2?????????? l lD nieDnxndnxnx ? 所以 xD(m)的離散傅立葉變換 XD(eiω)為 ??? ????? ??? ??? ??? ??? ? ??? l Dlim Dmim miDiD eXDemxemxex ][1)(39。 首先定義一個新信號： ?????? ???? 其他,0 ),2,0(),()(39。當(dāng)以 D 倍抽取率對 x(n)進(jìn)行抽取后得到的抽取序列 xD(m)的取樣率為 fs/D，則其無模糊帶寬為 fs/(2D)，當(dāng) x(n)含有大于 fs/(2D)的頻率分量時， xD(m)就必然產(chǎn)生頻譜混疊，導(dǎo)致從 xD(m)中無法恢復(fù) x(n)中小于 fs/(2D)的頻率分量信號。 采樣方 式 實(shí)時采樣 等效時間采樣 定時采樣（等間隔采樣） 變頻采樣（變步長采樣或等點(diǎn)采樣） 間歇采樣 掃描采樣 時序變換采樣 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 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)個數(shù)據(jù)取一個，以形成一個新序列 xD(m)，即： xD(m) = x(mD) 式中 D 為正整數(shù)。等效采樣的優(yōu)點(diǎn)在于能獲得很高的時間分辨率，能觀測的信號帶寬很大。實(shí)時采樣的主要缺點(diǎn)是時間分辨率差，所能觀測的信號帶寬 很小。對于實(shí)時采樣，當(dāng)數(shù)字化一開始，信號波形的第一個采樣點(diǎn)被采樣并數(shù)字化，然后，經(jīng)過一個采樣間隔，再采入第二個，如此往復(fù)。 由于被測信號的種類各種各樣，相應(yīng)的采樣方式也千差萬別，下面給 出了一個采樣方式分類圖。采樣定理的意義在于，時間上連續(xù)的模擬信號可以用時間上離散的采樣值來取代，這樣就為模擬信號的數(shù)字化處理奠定了理論基礎(chǔ)。 理想的滿足上述要求的濾波器對應(yīng)的沖激響應(yīng) h(t)為： )()( tSaTth HHs ????? 當(dāng) fs=2fH時： h(t)=Sa(ωH t)，其中 Sa(x)=