【導讀】本文介紹了一種基于USB、PCM編碼和以太網三層通訊的虛擬儀器——DDS TM儀器平臺。分析了三層通訊的各自特點和相互關系,重點介紹了DDS TM儀器的組成,然后從虛擬儀器的角度簡要介紹系統軟件,最后給出實例。
在現代航空航天、高速列車等大型工程試驗中,往往要求對多科目、多位置的數百路高低速動態(tài)信號進行連接長時間同步采集、記錄、實時處理,并且要求測試數據網上綜合。DDS儀器(數字式動態(tài)信號測試儀器)正是為了滿足現代大型工程測試需要,綜合在遙控測中成熟的PCM編碼技術、最新的 USB(通用串行總線)桌面接口技術和已廣泛應用的以太網技術,成功開發(fā)的全新數字化測控儀器平臺。
虛擬儀器是目前國內外測試技術與儀器制造業(yè)十分關注的熱點話題,其技術發(fā)展非常迅速。它通過用傳統儀器的部分功能甚至全部功能的軟件化,在通用的計算機平臺上,靈活地實現了傳統的測量和控制能力。USB連接方式簡單,是一種成本較低的解決方案。而USB接口的儀器單元不僅可內置于計算機機箱中使用,也可以單獨構成儀器,置于計算機外工作,通過USB電纜傳輸信號至主機。特別是USB 支持即插即用(PnP),系統能夠自動地對USB設備進行配置。由此,建立在USB基礎上的虛擬儀器平臺便有了競爭力。
DDS儀器軟件的核心部分為自主源代碼,有利于系統應用程序的最底層開發(fā),直接面向用戶的需求。同時,軟件也結合了現有多種較成熟儀器平臺的技術,提供了與它們之間的接口。
從PCM編碼、USB、以太網三層通信入手,本文將論述綜合測試平臺的通訊結構與特點,DDS儀器的硬件體系結構以及系統軟件構建的虛擬儀器平臺。直升機測試的實例將展現該系統的應用。
一、三層通信結構介紹
1.1 USB通信層
起源于1995年的USB,近年來得到了飛快發(fā)展。除了作為標準外設接口應用之外,它也正在成為多種新型應用的通用連接標準,包括數據采集、測試測量等。由于USB1.1支持12Mbps(高速)和1.5Mbps(低速)兩種速度,因此能滿足大部分工業(yè)實時測試的要求。而且,由于USB自身的特點,使得由它構成的系統具有了優(yōu)勢。
采用USB構成的系統具有可擴展性。通過使用Hub擴展,可駁接多達127個外投。USB具有良好的即插即用與熱插拔特性,從而使由此構成的DDS儀器可以方便地增加和刪減測試單元,組成現場所需的測試儀器。與傳統的安裝在臺式機機箱內的數據采集板卡相比,USB接口不僅可以方便地應用于臺式計算機,而且更廣泛地應用于便攜式計算機,有利于數據采集系統小型化、便攜化,而且再也不會受計算機插槽數量、地址、中斷等資源的限制。
另外,安裝在機箱內的板卡往往會受到機箱內數據噪聲環(huán)境的干擾。與之相反,DDS TM儀器是一個獨立的模擬電路環(huán)境,具有安靜的電磁氛圍,數字噪聲極小。即使對于測量上千千瓦交流電機振動的微伏級輸入信號,也能得到干凈、精密的信號波形。鑒于以上優(yōu)點,DDS儀器采用USB通信協議與數據采集計算機通信,實現數據在桌面的匯總。隨著USB2.0的推出,USB的速率將達到480Mbps。
1.2 PCM編碼的通信
USB是優(yōu)秀的桌面接口技術,當它與PCM編碼通信相結合,優(yōu)勢互補,就能產生一種簡單、高速、抗干擾力強并適用于無線、同軸、光纖等多種介質的遠距離數據采集系統。其基本思想是在現場測試點,將傳感器采集的模擬量數字化后進行 PCM編碼,按照通信雙方約定好的協議將數據上傳。在PC機近端有一個雙向的PCM編碼與USB的轉換接口,利用這個轉換接口接收數據并通過USB接口傳輸至PC機進行分析。而主機向設備發(fā)送控制信息的過程正好相反,數據通過轉換接口以PCM編碼的形成再向遠端傳輸。
1.3 以太網通信層
一個大型測試項目通常由多個測試科目組成,每個科目又有多臺DDS儀器。在進行實時數據處理時,將可能有多個數據處理工作站按照各自的要求,從不同的DDS儀器上取得信號數據流。以太網正是為測試信號的數據綜合提供了最方便的方法。
二、數字式動態(tài)信號測試儀器(DDS儀器)
DDS義器采用USB總線作為儀器的通訊總線,現已開發(fā)成功USB接口的A/D 轉換單元、數字式動態(tài)應變儀單元、數字式電位器調理單元、PCM編碼接收單元等一系列單元模塊。根據現場需要,可隨時將模塊插入DDS儀器機箱內組合成所要求的測控系統。在DDS儀器中,最左邊的USB接口A/D單元(ADKM01_USB)上帶有USBHUB(集線器),通過DDS儀器內的HUB擴展為每個調理單元提供USB接口。USB接口A/D單元上有32路模擬信號輸入,3路脈沖信號輸入。模擬信號經調理單元放大處理后送到A/D轉換單元,且每個調理單元的調節(jié),如增益、零點、低通濾波器截止頻率等均通過USB接口,由軟件完成調節(jié)控制。
在此系統中,其中的PCM編碼接收單元采用CPLD,于在線可編程芯片(ISP芯片)上完成信號的串并轉換、譯碼和分路輸出等功能。與之相應,信號發(fā)送端的可編程器件實現多路信號重新組合、PCM編碼、并/串轉換,經驅動后進行遠距離傳輸。無論是發(fā)送端還是接收端,都只需一片ISP芯片完成通信的全部功能。
譯碼模塊分別提取信息碼流中的位同步和幀同步信號,并將PCM碼譯成NRZ碼。分路模塊接收譯碼模塊輸出的位同步時鐘、幀同步信號和串行NRZ碼流,將串行信號分路,輸出寬度為16位的并行信號。數據重排模塊接收來自三個分路模塊的并行信號,將它們按一定的規(guī)律送入緩存并發(fā)出中斷申請。USB單片機接收到中斷后,從緩存中取出數據并通過USB總線傳送給計算機。使用ISP芯片不僅減小了設備的體積,減少了電路的外部連續(xù),而且減少了外部干擾的機會,提高了電路的可靠性。
三、DDS TM儀器軟件體系
DDS儀器軟件體系建立在Windows98或Windows2000操作系統上,采用虛擬儀器的實現方法,面向最終用戶。DDS儀器軟件分三大部分,由設備驅動程序,儀器操作、信號記錄軟件和DataScop信號分析軟件組成。
DDS儀器操作、信號記錄軟件采用最直觀、簡潔的方法實現了DDS儀器即插即用的配置管理,其虛擬儀器界面的設計沿用磁帶機、示波器、數字表、應變儀等傳統儀器的操作習慣,并提供了信號實時頻譜分析及顯示,信號多重檢索,電視攝像同步,調理單元自動調節(jié)、成組調節(jié)等多種高效、快速儀器調節(jié),儀器設定狀態(tài)數據管理,信號實時網絡傳輸等強大功能。
DataScop信號分析軟件通過TCP/IP協議,從DDS儀器軟件獲取實時或回放數據,可完成數據標定,測試零線確定,提供常用時域分析、頻域分析、統計分析、信號曲線、圖表輸出。根據用戶要求,還可內建如:機車車輛動力學分析模塊,飛機強度分析模塊等實時處理模塊。信號分析可自動連續(xù)處理。
四、應用實例與結論
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