高精度時間自動測量裝置的設計與實現

張　京，龔　俊，袁　霞，秦友倫

(中國兵器工業第五八研究所特電部，四川 綿陽　621000)

高精度時間自動測量裝置的設計與實現

張京，龔俊，袁霞，秦友倫

(中國兵器工業第五八研究所特電部，四川 綿陽621000)

摘要：介紹一種高精度時間自動測量裝置實現的原理和方法，并給出測量裝置的軟硬件設計原理框圖，測量裝置首先對輸入被測信號進行信號調理，然后和啟動信號一起送入高速AD采集卡采集，將采集后的數據通過CPCI總線送到主板進行數據分析，計算出兩路信號某兩點之間的時間值；測量裝置的研制解決了以往測量耗時長、精度低，各項功能和性能指標已達到技術指標要求。

關鍵詞：時間測量；信號調理；高速AD采集

高精度時間自動測量裝置是某項目雷達引信裝置專用的測量設備，主要功能是測量雷達引信裝置產生的引信信號的瞬發度(時間值)，引信信號波形如圖1所示，+5 V啟動電壓下降90%時刻為起始測試電，引信電壓下降90%時刻為計時終止點，瞬發度就是使用高速AD采集卡的觸發采集功能計算出起始測試點與終止測試點之間的時間間隔。研制高精度時間自動測量裝置是一項非常重要的配套工作，關系到整個項目裝置的可靠性、安全性和風險評估。為了滿足對瞬發度的準確、可靠、快速的測量，它具有以下突出特點：具有裝置自檢功能，包括各功能板卡的自檢等；具有測量通道的精度校準功能；具有全自動化測量功能；具有多通道選擇可控功能；測量范圍0~100 μs，精度±1 μs內；抗惡劣環境 (低溫-40℃、高溫65℃)。

1測量裝置的組成及工作原理

1.1　測量裝置的組成

本測量儀采用3U標準CPCI結構嵌入式裝置，由x86主板、高速AD采集卡、信號調理卡、電源模塊、機箱底板以及顯示器組成，此組成構建了一個信號調理和信號采集、處理裝置。高速AD采集卡和信號調理卡通過CPCI總線與主板互連，CPCI接口選用PLX公司的PCI9054橋芯片，裝置組成框圖如圖2所示。

圖1　信號測試示意圖

圖2　裝置組成框圖

1.2　測量裝置工作原理

所有被測信號共5路接入信號調理卡，通過上位機軟件控制信號調理卡內部的繼電器，對被測信號進行通道選擇，只選擇其中需要測量的一路信號，同時斷開其他通道的信號，選通后的被測信號經過信號調理電路將信號電壓幅值按比例縮放到高速AD采集卡的量程范圍(±20 V)內，再接入高速AD采集卡Ch2，+5 V電壓啟動信號接高速AD采集卡的Ch1。高速AD采集卡用+5 V電壓啟動信號作為觸發信號，觸發電平設置在+5 V電壓下降90%(瞬發度測試的起始點)位置，即0.5 V。采集完后，高速AD采集卡產生中斷，通知上位機軟件讀取數據，上位機軟件計算測試起始點和測試終止點之間的間隔點數，乘以高速AD采集卡的采樣周期，計算出瞬發度的值。

為保證信號采集結果的準確性，本測量儀采用最大頻偏約65 PPM的精密晶振為高速AD卡提供65 MHz時鐘源，確保瞬發度測量精度在±1 μs內。每個通道采樣長度8 192點，測量范圍達126 μs。

1.3　誤差分析

采樣周期由65 MHz精密晶振提供，精密晶振最終的輸出頻率fO由標稱頻率 fL和頻偏 fE決定，如式(1)：

(1)

最大頻偏約65 PPM，即fEmax=6.5×10-5，1個時鐘周期誤差如式(2)計算得到，TE≈1.0×10-12s。

(2)

(3)

(4)

瞬發度時間TPmax最長不超過100 μs，需要時鐘周期個數由式(3)得到，N=6 500，整個測試周期的累積誤差可由式(4)得到，E≈6.5 ns，遠高于1 μs的精度指標。

2裝置硬件設計

2.1　高速AD采集卡設計

高速AD采集卡包括通道前端的交直流耦合電路、信號調理電路、模數轉換器、可編程控制單元、本地FIFO緩存和PCI接口，原理框圖如圖3所示。

圖3　高速AD采集卡原理框圖

模數轉換器芯片采用Analog公司的AD9245，該芯片是一款高速、高性能，轉換精度14位的ADC，最高采樣頻率為65 MSPS，輸出數據編碼使用二進制補碼形式輸出。FPGA作為高速AD采集卡的可編程控制單元，負責信號的采集、處理、傳輸和觸發模式等邏輯控制。

2.2　信號調理卡設計

信號調理卡以信號預處理、信號通道選擇和信號轉接為主要功能，原理框圖如圖4所示。

圖4　信號調理卡原理框圖

被測信號有3種不同的電壓幅值：27 V(2路)、60 V(2路)、120 V(1路)，根據測量要求，信號調理卡首先對被測信號加額定電阻和電容，再進行比例分壓處理，將被測信號幅值按比例縮放到高速AD采集卡的量程范圍(±20 V)，但只有選通的信號傳入高速AD采集卡。信號調理卡的繼電器通道設計為閉環電路，用以反饋電路狀態給上位機軟件以確定繼電器通道工作是否正常。FPGA作為信號調理卡的可編程控制單元，負責繼電器通/斷控制、繼電器狀態傳輸等邏輯控制。

3裝置軟件設計

本測量裝置使用Windows XP操作裝置，在Windows環境下，應用層軟件要實現對硬件的IO操作、中斷處理等,需要通過運行在內核層的設備驅動程序來實現，所以裝置軟件由板卡的WDM設備驅動軟件和裝置測量軟件組成。為了方便驅動程序和應用程序的交互，板卡的各個功能封裝成動態鏈接庫(dll)，應用程調用庫里對應的API完成想要的功能，本裝置的軟件組成架構如圖5所示。

圖5　裝置軟件組成框圖

3.1　驅動軟件設計

板卡驅動軟件采用VC6.0+DDK+DriverStudio方式進行編寫，DriverStudio中的DriverWorks中包含WDM驅動程序框架代碼生成向導DriverWizard，在生成的框架編寫板卡功能驅動代碼。DriverWorks帶有許多類庫，DriverWorks的KMemoryRange類封裝了IO訪問的操作，設備驅動程序使用這個類的成員函數ind和outd讀寫板卡的寄存器，KInterrupt類建立中斷對象和關聯中斷服務程序。

3.1.1調理板卡驅動軟件設計

驅動程序完成對調理卡的IO的訪問。動態鏈接庫通過驅動程序完成：打開信號調理卡、關閉信號調理卡、選擇被測的信號通道、獲取通道選擇狀態、PLX9054配置芯片的讀寫(PLX9054配置芯片保存各個通道電壓比例系數)。

3.1.2高速AD采集卡驅動軟件設計

驅動程序完成對高速AD采集卡的IO訪問、中斷處理、讀取高速AD采集卡上FIFO的AD數據。

動態鏈接庫通過驅動程序完成對板卡的采集控制：打開高速采集卡、關閉高速采集卡、采集參數設置、觸發參數控制、采集狀態獲取、讀取采集完成的數據、啟動/停止采集、PLX9054配置芯片的讀寫等功能(PLX9054配置芯片保存校準比例系數)。

3.2測量軟件設計

基于VC++6.0的人機界面具有操作簡便、功能豐富、運行穩定的特點，用 VC++ 6.0開發的上位機測量軟件，不僅可以實時采集每個信號的AD數據，而且可以進行板卡自檢和測量校準。該軟件主要功能模塊包括：裝置初始化、被測信號選擇、自檢測試、測量校準、啟動測量以及計算結果顯示等，測試結果如圖6所示。

圖6　測量軟件主界面

3.2.1裝置初始化模塊

打開高速AD 采集卡，初始化高速采集卡的采集參數：設置高速采集卡采集量程、采集頻率、預觸發模式、預觸發位置、觸發電平、下降沿觸發等參數。打開信號調理卡，所有的繼電器處于關閉狀態。

3.2.2被測信號選擇模塊

根據用戶選擇的信號打開相應的繼電器，讀取繼電器通道狀態，判斷此繼電器是否正常打開。

3.2.3自檢測試模塊

對板卡初始化，若初始化成功則對板卡的關鍵寄存器進行讀寫操作，對比讀寫是否正確，若正寄存器讀寫正確無誤，依次打開各個繼電器，并且檢查繼電器通斷狀態，然后顯示自檢結果。

3.2.4測量校準模塊

由于電子原器件性能及裝置響應等因素的影響，實際測量值與理論值存在極小的差異，為了消除這種影響，裝置要進行測量校準。用泰克信號發生器產生兩路固定相位差的信號，相位差作為基準值，啟動校準，程序對兩路信號進行多次測量，取平均值，基準值與實測的平均值相比得到校準比例系數，把此比例系數存入PLX 9054配置芯片，用于正式測量的校準。

3.2.5啟動測量模塊

啟動測量，即啟動高速AD采集卡采集數據，建立數據讀取線程，此線程首先等待采集完成中斷，然后讀取數據，軟件對數據進行計算處理。

3.2.6數據計算模塊

用+5 V啟動信號作為觸發信號，0.5 V作觸發電平，采用預觸發方式，預觸發點數為測試起始點，計算被測信號電平在預觸發點數后面下降到90%的位置作為測試終止點，計算測試起始點和測試終止點之間的間隔點個數，乘以采樣周期，算出時間值并顯示在界面上，計算時間關鍵代碼：

startPos=PRE_TRIG_POS;

//signal falling value 90%

ch2ThreadVal =signalADbuf[PRE_TRIG_POS]*float(0.9);

fval = signalADbuf[PRE_TRIG_POS];

for(i=PRE_TRIG_POS;i

{

if((fval-signalADbuf[i]) >= ch2ThreadVal) //falling edge

{

endPos = i;

break;

}

}

timeValue = (endPos-startPos )/float(65.0);//time unit:us

4結束語

本測量裝置在研制中，針對性采取諸如濾波、模擬地與數字地間的隔離、電源隔離等一些抗干擾措施，為提高信號采樣的準確性和減少外部信號干擾，所有連接線均采用高速屏蔽線，連接器選用射頻連接器。在軟件設計方面，采用了分層和模塊化設計思想，層次分明，功能明確，易于使用。該測量裝置在經歷了各項試驗后，操作方便，工作正常、穩定、可靠，目前已在某型號項目成功應用。

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(責任編輯楊繼森)

收稿日期：2014-11-15

作者簡介：張京(1967—)，女，工程師，主要從事計算控制技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.026

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0100-04

本文引用格式：張京，龔俊，袁霞，等.高精度時間自動測量裝置的設計與實現[J].四川兵工學報，2015(7):100-103.

Citation format:ZHANG Jing，GONG Jun，YUAN Xia，et al.Design and Implementation of Automatic High Precision Time Measurement Device [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):100-103.

Design and Implementation of Automatic High Precision
Time Measurement Device

ZHANG Jing，GONG Jun，YUAN Xia，QIN You-lun

(Department of Basic Electronic Engineering, No. 58 Research Institute of

China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)

Abstract:This paper introduced an automatic high precision time measurement device, and expounded the hardware and software design method. The measurement device did the signals regulation of the input signal, and then sent it with the start signal to the high speed AD acquisition card, finally analyzed the acquired data collected through the CPCI bus from motherboard and calculated out between two signals’ time value. The measurement device solved the problem of time-consuming, low precision for previous system, all function and performance parameters of the device has already reached the technical requirements of the users.

Key words:time measurement; signals regulation; high speed AD sample

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【信息科學與控制工程】