信號調理模塊的LXI自動測試系統設計

(1.海裝沈陽局駐哈爾濱地區第三軍事代表室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學 儀器科學與工程學院，哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 430071)

0 引言

隨著電子技術的發展，各種電子設備的現代化、高科技化、復雜化程度也越來越高，針對設備的測試內容也日趨繁雜，測試工作量急劇增加，而規定的測試時間越來越短，導致傳統的人工參數測試方法難以滿足現代測試需求。因此，必須依靠以計算機為核心的測試系統來實現設備的自動化測試[1]。

自動化測試系統[2-4](Automatic Test System，ATS)有關的研究工作最早開始于1955年美國的SETE計劃，用以解決軍用電子設備(如航空電子系統和導彈系統等)的維護問題。自動測試系統是指可以自動進行測量，數據處理，并且以合適的方式顯示輸出測試結果，而無需人員參與或僅需極少參與的系統[5]。與傳統的人工參數測試方法相比，自動測試可以提高工作效率、降低成本，在現代測試測量技術中有著十分重要的作用。為滿足自動測試系統課程實驗的教學演示需要，本文以某信號調理模塊為被測對象設計了一套基于LXI總線[6]的多通道自動測試系統。經實際應用測試，該自動測試系統實現了對信號調理模塊的自動測試，同時可進行通道選擇，具有良好的教學演示效果。

1 系統結構及原理

通過分析課程實驗的教學演示需求，以信號調理模塊為被測對象設計的自動測試系統應具備如下技術要求：

1)自動測試系統能夠產生激勵信號作為信號調理模塊的輸入。

2)自動測試系統能夠采集信號調理模塊的輸出信號，并具備后續的分析、處理和顯示功能。

3)能夠通過上位機實現測試通道的選擇切換，將信號調理模塊依次接入自動測試系統進行測試。

設計的多通道自動測試系統主要由激勵信號源、信號調理模塊、數據采集器以及通道選擇模塊組成，系統結構如圖1所示。上位機通過LXI總線[7-9]發送程控儀器指令，用于控制激勵信號源產生輸入信號調理模塊的激勵信號，數據采集器采集選定通道信號調理模塊的輸出波形信號；同時上位機可通過串口指令控制通道選擇模塊完成測試通道的選擇。上位機基于LabVIEW軟件開發相應的軟件界面，用于實現人機交互以及測試系統的控制。

圖1 多通道自動測試系統結構

2 系統硬件設計

設計的多通道自動測試系統主要由激勵信號源、信號調理模塊、數據采集器以及通道選擇模塊組成。其中信號調理模塊采用實驗室已有的某信號模塊，激勵信號源和數據采集器分別采用HTLX3730B 100MSPS任意波形發生器、HTLX4484B八通道同步數據采集儀。根據設計指標要求，多通道選擇模塊應采用5 V供電，具備與信號調理模塊輸出相連的SMA接口，并通過BNC接口與數據采集器的各通道連接，同時可以接收上位機的串口控制指令完成4個測試通道間的切換。

2.1 信號調理模塊

系統中采用的信號調理模塊是一款用于配套測量發動機轉速傳感器輸出的信號調理模塊，其作用是將傳感器輸出的正弦波信號，調理成同頻率的方波信號，該模塊的具體性能指標參數如表1所示。

2.2 激勵信號源與數據采集器

多通道自動測試系統的搭建需要激勵信號源和數據采集器，選用已具備的兩種型號的LXI儀器模塊。下面分別對采用的LXI儀器模塊進行介紹：

表1 信號調理模塊基本性能指標參數

1)激勵信號源：使用HTLX3730B 100 MSPS任意波形發生器。該任意波形發生器基于LXI總線并符合IVI 1.3標準，具備16位的分辨率和256 MB的板載緩存，最高數據轉換率可達100 MS/s，通過待用數字內插技術可使有效轉換率達到400 MS/s，輸出信號的最大帶寬為43 MHz。

2)數據采集器：使用HTLX4484B 八通道同步數據采集儀。該數據采集器可使用8個獨立的單端采集通道或8個獨立的差分通道，所有通道共享512 MB的SDRAM數據存儲器，各通道均有一個獨立的16位A/D轉換器和信號調理電路，可實現的最高采樣為2 MSa/s。

2.3 通道選擇模塊

綜合考慮實現硬件資源使用率、實現成本等因素后，選擇采用單片機控制繼電器陣列的方式實現通道選擇模塊，設計的硬件電路框圖如圖2所示。硬件電路主要包括單片機最小系統、通信及供電電路和繼電器陣列及外部接口，下面分別對這三部分的硬件電路設計進行介紹。

圖2 通道選擇模塊硬件電路圖

1)單片機最小系統：通道選擇模塊的微控制器采用基于RISC指令集的Atmel ATmega328-PU，設計的單片機最小系統的原理圖如圖3所示。時鐘電路由一個16M無源晶振和兩個22pF電容組成，復位電路同時具備上電自動復位和手動按鍵復位兩種復位方式，為便于觀察上電情況和串口通信情況，添加了電源指示燈和串口指示燈。

圖3 ATmega328-PU最小系統原理圖

2)通信及供電電路：為保證通道選擇模塊能夠接收上位機的控制指令進而完成測試通道的選擇，因此需要實現與上位機之間的通信，采用常見的Micro USB接口實現。由于ATmega328-PU單片機的串口輸出為TTL電平，所以采用CH430T電平轉換芯片實現串口信號和USB信號之間的轉換。由于CH340T的正常工作需要獨立的時鐘源，所以用12 M無源晶振和2個22 pF電容組成時鐘電路。此外針對通道選擇模塊的供電需求設計了兩種方式：通過USB接口直接供電或者由外部直流電源通過接線端子供電，這兩種供電方式通過一個單刀雙擲開關進行選擇。通信及供電電路的原理圖如圖4所示。

圖4 通信及供電電路原理圖

3)繼電器陣列及外部接口：考慮單片機I/O口的負載驅動能力有限，無法直接驅動控制繼電器，因此采用ULN2803驅動芯片，該驅動芯片最多可實現八路驅動，現選用其中四路用作繼電器驅動。在COM引腳外接高電平時，一旦單片機的I/O口輸出低電平，對應的繼電器吸合，使能信號調理模塊的輸入，從而實現通道選擇的功能。由于激勵信號源的輸出接口為SMA，數據采集器的輸入接口為BNC，因此通道選擇模塊的外部接口設計為一個SMA接口和4個BNC接口。繼電器陣列及外部接口的原理圖如圖5所示。

圖5 繼電器陣列及外部接口原理圖

3 系統軟件設計

多通道自動測試系統的自動測試、通道選擇功能的實現需要在硬件設計的基礎上進行相應的系統軟件設計。通過分析該多通道自動測試系統的工作原理，設計的系統軟件應實現以下功能點：

1)具備本地人機交互界面，能夠響應鼠標、鍵盤操作。

2)能夠控制激勵信號源、數據采集器這兩個LXI儀器模塊。

3)實現與通道選擇模塊之間的串口通信，用于發送通道選擇控制指令。

因此系統軟件設計主要包括上位機軟件設計和下位機程序設計，下面就多通道自動測試系統的軟件設計工作進行介紹。

3.1 上位機軟件架構設計

由于上位機的控制軟件既要響應軟面板的用戶事件，又需在后臺執行激勵信號源和數據采集器的控制操作，同時還要進行采集波形信號的分析處理，因此需要采用多線程的設計實現。然而各個線程之間并非完全獨立，它們之間還會進行必要的數據交換和信息傳遞，因此控制軟件采用“生產者-消費者”架構，即通過順序隊列(FIFO)緩沖區實現線程之間的同步和通信。

在生產者線程中使用事件結構，因此當用戶在軟面板執行例如按下按鍵、輸入數據等操作時，就會產生一個對應的事件，在控制程序中每個事件都映射著一個操作響應函數。每當用戶操作被事件結構響應后，都會將一個捆綁有對應事件枚舉變量的簇送入順序隊列緩沖區，供消費者線程讀取。此外，在簇中還有一個用來傳遞事件數據的變量。在消費者線程中使用狀態機結構。首先判斷順序隊列緩沖區是否為空，如果非空則從中依次讀取緩存簇并進行解綁，然后使用條件結構根據簇中的枚舉變量執行相應分支的響應操作?；凇吧a者-消費者”架構完成上位機控制軟件的設計，能夠有效避免用戶事件的丟失，提高測試系統的運行可靠性，其執行流程圖如圖6所示。

圖6 上位機控制軟件執行流程圖

3.2 上位機儀器驅動設計

系統中上位機通過TCP/IP協議發送SCPI(Standard Commands for Programmable Istruments)指令對激勵信號源和數據采集器進行控制。此外，上位機還需通過串口指令控制通道選擇模塊完成測試通道選擇。雖然兩者的硬件接口分別是LAN口和串口，但是控制軟件可以調用VISA(Virtual Instrument Software Architecture)對不同接口的儀器以統一的形式發送程控指令[10-11]。圖7分別為VISA資源庫中的打開、關閉、發送和讀取4種基本結構，通過VISA庫對自動測試系統中的儀器進行控制時，均需要調用上述4種基本結構。

圖7 VISA資源中的4種基本結構

由于多通道自動測試系統中的儀器設備具有較多共同的屬性和調用方法，因此采用面向對象的方法進行儀器驅動程序的設計。針對各儀器設備間共有的屬性和方法創建ATS_Instr類作為父類，儀器驅動程序中的其他類，例如ATS_LXIFgen(激勵信號源)類、ATS_LXIDAQ(數據采集器)類和ATS_ATmegaSwitch(通道選擇模塊)類均是繼承自ATS_Inst父類的子類，它們之間的繼承關系如圖8所示。

圖8 儀器驅動程序類間的繼承關系

ATS_LXIFgen類的實例化儀器是HTLX3730B激勵信號源，該子類在父類的基礎上增加了波形輸出配置程序接口；ATS_LXIDAQ類的實例化儀器是HTLX4484數據采集器，該子類在父類的基礎上增加了采樣率和采樣點數的屬性，還增加了配置輸入、信號采集以及信號處理程序接口；ATS_ATmegaSwitch類的實例化設備是通道選擇模塊，該子類在父類的基礎上增加了通道選擇程序接口，同時上述3個子類還根據自身特性重寫了儀器初始化、啟動和停止的程序接口。采用面向對象的方法進行儀器驅動程序的設計，不僅可以減少重復的代碼量而且便于后期的代碼維護升級。

3.3 下位機程序設計

通道選擇模塊中的ATmega328-PU微控制器程序采用串口命令驅動的狀態機實現，即通過接收的上位機指令來決定狀態機的跳轉。不同的狀態機狀態對應不同的I/O口輸出電平組合，進而控制繼電器陣列狀態實現測試通道的選擇。下位機的程序流程如圖9所示。

圖9 下位機程序流程圖

上位機與下位機之間的串口通信命令幀采用4個字節，前兩個字節0xFF作為幀頭，第三個字節為命令數據，第四個字節為命令數據的反碼。不同的命令數據對應不同測試通道選擇，它們之間的對應關系如表2所示。

表2 通達選擇命令表

3.4 上位機軟面板設計

上位機軟面板通過調用儀器模塊的驅動程序實現對多通道自動測試系統的控制，例如激勵信號源輸出信號設置，測試通道設備選擇等，同時還集成了波形顯示窗口以便于用戶對波形的觀察。如圖10所示上位機軟面板主要由3個區塊組成：波形顯示區塊、設備選擇區塊以及輸入信號設置區塊。

圖10 上位機軟面板

4 實驗結果與分析

為驗證設計的多通道自動測試系統的功能正確性，首先上位機通過LXI總線發送程控命令對測試系統中的激勵信號源、數據采集器兩種型號的LXI儀器模塊進行連接、功能測試，通過串口發送串口指令控制通道選擇模塊進行通道切換測試，隨后對整個系統進行了整體功能測試。

4.1 LXI總線通信連接測試

在設計的多通道自動測試系統中，上位機與激勵信號源、數據采集器之間的通信依賴于LXI總線，因此首先對測試系統中LXI總線通信功能進行測試。用LabVIEW編寫用于測試LXI總線通信連接的程序，程序具體實現調用VISA發送一個通用的SCPI指令*IDN？，該指令用于查詢LXI儀器的設備信息。測試結果如圖11所示，LXI儀器模塊返回相關設備信息，說明LXI總線的通信連接正常。

圖11 LXI總線通信連接測試

4.2 激勵信號源、數據采集器功能測試

激勵信號源、數據采集器的功能測試采用如下方法實現：采用SMA接頭轉BNC接頭的信號傳輸線將激勵信號源輸出端和數據采集器的一個輸入通道相連接，用LabVIEW編寫兩者的測試程序并同時運行，測試結果如圖12和圖13所示，激勵信號源的輸出設置和數據采集器測得的波形一致，表明兩者的功能正確。

圖12 激勵信號源測試

圖13 數據采集器測試

4.3 系統整體功能測試

完成自動測試系統中各模塊的功能測試后，對整個系統進行全局功能測試。激勵信號源的輸出端與通道選擇模塊的SMA接口連接，作為系統的測試信號輸入；信號調理模塊由直流穩壓電源輸出的24 V供電，并將其輸入、輸出端連接至通道選擇模塊上的接線端子；最后將通道選擇模塊的4個BNC輸出端與數據采集器的4個采集通道相連接，通過以上步驟完成測試系統的搭建。此后，用戶可通過上位機軟面板控制系統進行關于信號調理模塊的自動測試。圖14顯示的是某次測試實例的結果，上位機控制激勵信號源產生幅值為5.00 V、頻率為1 000 Hz的正弦波作為測試信號，經過信號調理模塊的作用后，數據采集器采集到賦值為2.78 V、頻率為1 000 Hz的方波輸出信號，由于輸出波形信號符合預期的指標參數，所以自動測試系統的合格指示燈為綠色，表明信號調理模塊通過測試。除此之外，通過上位機發送串口指令進行了通道選擇測試，測試結果表明該系統可實現測試通道的靈活選擇切換，具備良好的教學演示效果。

圖14 系統整體功能測試

5 結束語

本文從自動測試課程實驗的教學演示實際需求出發，以某信號調理模塊為被測對象，設計開發了一套基于LXI總線的自動測試系統并進行了相關測試，測試結果表明該自動測試系統可由計算機控制產生輸入信號調理模塊的激勵信號，對信號調理模塊的輸出信號進行采集、分析處理以及顯示，同時具備通道選擇切換功能，在實際應用滿足自動測試系統課程實驗的教學演示需求。