CN104142160A

CN104142160A - 一种遥测系统变换器地面测试系统

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Publication number: CN104142160A
Application number: CN201410321149.XA
Authority: CN
Inventors: 沈三民; 刘文怡; 刘建梁; 黄江鹏; 孙伟; 张凤英
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2014-11-12

Abstract

本发明公开了一种遥测系统变换器地面测试系统，包括上位机和地面测试设备，上位机计算机采用研华公司生产的2U工业控制计算机，PCI卡插在工控机的插槽内，通过光纤与地面测试设备相连接完成命令下发与数据回传；地面测试设备包括AC/DC、电源转换卡、PCI接口卡、背板转接卡、模拟量信号源卡、数字量信号源卡、图像信号源卡；遥测系统变换器地面测试设备进行单元测试和联合试验，结果表明测试设备各项功能均达到任务指标要求。

Description

一种遥测系统变换器地面测试系统

技术领域

本发明涉及测试计量技术及仪器领域，尤其涉及的是一种遥测系统变换器地面测试系统。

背景技术

随着国防科技的发展，我国在航天、航空领域均取得了重大成就，特别是天宫号航天器的成功发射标志着中国在航天领域已经进入世界一流，遥测系统作为航天器地面控制系统，在航天飞行器的研制、试验、成型过程中都扮演着中流砥柱的角色，变化器作为遥测系统发送端的核心设备，其功能是将前端传感器输入的电信号变换为多路参量信息，以便后端采编单元完成采集、压缩、存储。变换器能否正常可靠工作关乎整个遥测系统的工作性能，如何保证变换器准确、稳定、高效率的工作性能是变换器研制、生产当中的关键环节。

传统的测试手段主要是依靠人工、手动等手段测试设备功能，其效率低下、准确性很低，远远不能满足航空航天复杂性、多样性、高精度的技术要求，而自动测试系统将很好地解决这些问题，它集多种测试功能于一体，能够同步产生多种模式信号激励，更将测试仪器与信号激励源有机结合在一起完成复杂的测试任务，它为被测设备提供高效率、高可靠性的保障与维护。功能完备的自动测试系统可以有效提高被测设备的性能，使得研制与生产的费用降低，具有重大实用价值。

从上世纪50年代后期，西方国家就开始投入大量人力、财力、物力发展早期的军用自动测试系统，其中以美国自动测试领域的发展最为显著，经过近60年的发展与完善，从早期的专用型测试系统，到后期的基于GPIB总线的台式仪器系统，再到基于VXI、PXI总线的三代测试系统，完成了测试系统模块化、通用化的转变，目前，国外的自动测试系统正朝向通用型、标准型、智能型的方向快速发展，以一种综合功能强大、通用性良好的系统来代替传统装用的测试系统，设计时可以采用通用的硬件和软件开发平台，构建一种通用化的测试系统，同时可以使用开放的工业标准，减少软件开发的成本及不断升级的费用，规范系统开发的过程，提高测试系统功能的完善性与通用性，考虑测试程序集TPS开发难度与程序升级的成本，设计一种可重复使用的TPS程序集，增加了系统的可移植性，从硬件到软件均考虑采用高性能的部件以便达到提高测试效率的效果，并采用多功能数据总线、分布式网络传感器、网络化的仪器实现网络化自动测试系统，可以完成远程控制并对数据远程分析处理。

基于上述的指导思想，美国提出了一种新型的自动测试系统即NxTest ATS^[16]，新一代测试系统特征是：(1)测试系统软件结构采用IEEE1226 ABBET体系，各组件的功能模块可以连接在软件总线上；(2)硬件系统使用组件技术，各功能模块通过标准接口与其他组件通信；(3)标准IVI仪器驱动器规范的使用可以尽可能的实现硬件仪器的可互换性，IEEE1226资源管理标准增加了系统TPS程序集的可移植性；(4)引进其他领域成熟的工业标准，增加了系统的适应性和兼容性。

NxTest ATS涉及到得关键技术包括信息融合、网络通信、视频测试、微型传感、组件技术、综合诊断保障以及故障预测状态管理等，总之，经过数十年的发展，国外自动测试系统初步已经实现系统化、标准化、通用化、统一化的测试设备，并将进一步升级达到改善测试系统设备之间的互换，实现最大限度完成不同被测设备的功能测试，形成了完整综合通用性的测试设备。

我国自动测试技术起步较晚，但是发展很快。从上世纪80年代开始到现在形成两代具有代表性的测试系统：CAMAC和VXI测试系统，CAMAC测试系统很大程度上实现了检测技术的自动化，提高了测试设备工作的效率，极大地完善了被测设备的功能，但是在数据传输速率、传输带宽、总线接口等方面还存在很大不足，鉴于以上原因，开发出了新型的VXI总线测试系统，它包括数据采集存储模块和各种功能模块，相对于CAMAC测试系统，它重点是提高了系统的集成化程度，标准化、开放性的结构具有良好的扩展能力，采用光纤传输的方案极大地提高了数据传输速率。

总体来说，我国自动测试领域通用性较差，没有统一的行业规范及软件使用标准，测试系统针对性较强、兼容性不高，数据分析自动化程度不高以及远远达不到智能化的要求，并且大都测试系统均从国外进口，国产化程度较低。

发明内容

本发明全面考虑了航天通用地面测试系统标准化、模块化、通用化的设计体系，采用模块化的设计思想，将测试设备需要实现的功能分类并整合，每个模块分别实现不同功能，并采用标准化的通信协议，完成上位机与功能模块通信，最后通过上位机对接收到得数据进行在线分析并得到分析结果，实现了系统的自动测试。

本发明的技术方案如下：

一种遥测系统变换器地面测试系统，包括上位机和地面测试设备，上位机计算机采用研华公司生产的2U工业控制计算机，PCI卡插在工控机的插槽内，通过光纤与地面测试设备相连接完成命令下发与数据回传；地面测试设备包括AC/DC、电源转换卡、PCI接口卡、背板转接卡、模拟量信号源卡、数字量信号源卡、图像信号源卡；

所述的AC/DC：将220V交流电压转变为直流电压供给测试设备使用；

所述的电源转换卡：将AC/DC生成±9V和+5V电压连接到背板同时对+5V电压进行电压隔离；

所述的PCI接口卡：PCI接口卡完成与上位机的通信，焊接不同的器件可以实现高速和低速两种模式，通过光纤与背板连接，可以转发上位机的命令；

所述的背板转接卡：背板转接卡起一个中转站的功能，上游通过PCI接口卡与上位机接通，下游用接插件挂接各个功能模块，同时将+5V电压供给各模块的数字电路，每个模块都有独立的地址以便于将上位机下发的命令转发给各模块；

所述的模拟量信号源卡：模拟量信号源卡分为两部分，其中低压模拟信号源卡输出24路0～8V直流量和24路正弦波，高压信号源输出28路直流量，包括24路0～48V单极性电压和4路双极性-15V～+15V电压；

所述的数字量信号源卡：数字量信号源卡产生一路帧同步信号和一路移位脉冲信号，同时接受一路PCM数据；

所述的图像信号源卡：图像信号源卡模拟输出一路图形信号用来测试单机的图像接收、存储、分析的功能；

所述地面测试设备与上位机之间用光纤连接，与遥测系统变换器即对方单机用电缆连接，确认连接正确无误后开始通电工作，首先由上位机下发测试信息，地面设备收到命令后返回正常的状态信息，表示地面测试设备能够正常工作，上位机通过PCI接口与地面测试设备进行数据通信，将命令信息下发到背板转接卡，然后由背板转接卡解析命令，分析出模块地址以及需要执行的操作，最后由背板转接卡转发到对应的功能板执行相应的命令操作，地面测试设备可以发送信号源并接收遥测变换器回传的数据，在上位机测试软件界面对接收到的数据存储、分析与处理。

所述的遥测系统变换器地面测试系统，工控机与地面测试设备之间数据通信选用PCI总线，电路设计采用的是PLX公司的PCI9054芯片，接口芯片工作模式采用PCI9054的C模式，选择从模式作为PCI总线的数据传输方式。

所述的遥测系统变换器地面测试系统，PCI接口卡设计为FPGA+PCI9054的控制模式，采用外围的接口控制电路，为上位机和地面测试设备之间搭建一个数据通道，完成命令下发和数据传输，设计中由FPGA作为本地总线控制器，用来控制PCI总线实现数据传输。

所述的遥测系统变换器地面测试系统，背板转接卡与上位机之间是通过光纤进行数据通信，背板转接卡与模拟量信号源卡、数字量信号源卡、图像信号源卡之间的的数据通信采用422接口；422接口的数据发送与接收是由DS26C31和DS26C32芯片来实现的，并通过接插件连接向功能卡的31/32芯片。

遥测系统变换器地面测试设备进行单元测试和联合试验，结果表明测试设备各项功能均达到任务指标要求，另外，文章也对测试设备设计中所用到的PCI总线、LVDS接口做了详细论述。

附图说明

图1为本发明总体设计框图；

图2为PCI9054内部构成；

图3为LVDS工作原理图；

图4为PCI接口卡硬件框图；

图5为PC背板接口卡原理框图；

图6为数字信号源卡接口电路；

图7为数字信号源卡原理框图；

图8为图像信号源板框图；

图9为LVDS接口电路图；

图10为模拟量总体设计框图；

图11为数模转换芯片电路原理图；

图12为偏置电路原理图；

图13为放大电路原理图；

图14为D/A转换电路原理图；

图15为信号保持电路原理图；

图16为二级放大及滤波电路；

图17为地面测试设备供电示意图；

图18为5V电压隔离；

图19为7805和7905电路设计.

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

系统总体设计框图如图1所示，由图1可以看出，整个系统包括上位机和地面测试设备，上位机计算机采用研华公司生产的2U工业控制计算机，PCI卡插在工控机的插槽内，通过光纤与地面测试设备相连接完成命令下发与数据回传。

1、AC/DC：将220V交流电压转变为直流电压供给测试设备使用；

2、电源转换卡：将AC/DC生成±9V和+5V电压连接到背板同时对+5V电压进行电压隔离；

3、PCI接口卡：PCI接口卡完成与上位机的通信，焊接不同的器件可以实现高速和低速两种模式，通过光纤与背板连接，可以转发上位机的命令；

4、背板转接卡：背板转接卡起一个中转站的功能，上游通过PCI接口卡与上位机接通，下游用接插件挂接各个功能模块，同时将+5V电压供给各模块的数字电路，每个模块都有独立的地址以便于将上位机下发的命令转发给各模块；

5、模拟量信号源卡：模拟量信号源卡分为两部分，其中低压模拟信号源卡输出24路0～8V直流量和24路正弦波，高压信号源输出28路直流量，包括24路0～48V单极性电压和4路双极性-15V～+15V电压；

6、数字量信号源卡：数字量信号源卡产生一路帧同步信号和一路移位脉冲信号，同时接受一路PCM数据；

7、图像信号源卡：图像信号源卡模拟输出一路图形信号用来测试单机的图像接收、存储、分析的功能。

测试设备的具体工作流程是：地面测试设备与上位机之间用光纤连接，与遥测系统变换器(对方单机)用电缆连接，确认连接正确无误后开始通电工作，首先由上位机下发测试信息，地面设备收到命令后返回正常的状态信息，表示地面测试设备能够正常工作，上位机通过PCI接口与地面测试设备进行数据通信，将命令信息下发到背板转接卡，然后由背板转接卡解析命令，分析出模块地址以及需要执行的操作，最后由背板转接卡转发到对应的功能板执行相应的命令操作，地面测试设备可以发送信号源并接收遥测变换器回传的数据，在上位机测试软件界面对接收到的数据存储、分析与处理。

工控机与地面测试设备之间数据通信选用PCI总线，电路设计采用的是PLX公司的PCI9054芯片。PCI9054内部结构图如图2所示，包括内部寄存器、总线状态机、内部FIFO和PCI总线接口组成；

(1)接口芯片工作模式选择

PCI9054本地总线可以在M，C，J三种模式下进行工作。本发明中采用的PCI9054的C模式，其中模式选择可以通过PCI9054芯片专设的模式选择引脚来完成，176引脚9054芯片其模式选择引脚为Pin156(MODE0)、Pin157(MODE1)，模式定义如下表1所示，本发明中两个引脚都接地。

表1MODE0和MODE1定义表

工作模式	MODE0	MODE1
			M模式	1	1
J模式	1	0
			C模式	0	0

(2)数据传输方式选择

当工作在C模式时，PCI9054支持三种数据传输模式，即PCI Initiator模式、PCITarget模式和DMA(Director Memory Access)数据传输模式，本发明选择从模式作为PCI总线的数据传输方式。

LVDS接口技术

在数字电路设计中，LVDS数据传输方式正在成为一种普遍的设备间互联方式。它是美国国家半导体公司在1994年正式推出的一种低电压摆幅实现高速信号传输的接口方式。当时以TTL标准的数据传输技术传输距离短，信号损耗大，相互之间存在信号干扰时常出现电平翻转误码。LVDS的出现很好的解决了这些问题，它的传输电平非常低，可以快速实现电平切换，同时双绞电缆间传输可以相互抵消干扰，传输性能稳定。它的接口比较灵活，可以有很多种组合传输方式。由于数据传输时采用低压和低电流方式驱动输出，与传统的ECL逻辑相比，它采用CMOS工艺，电压摆幅更低，大概只有三百多毫伏左右。在一般数据传输时，LVDS数据传输距离能达到10米以上，如果在发送和接收端分别加上驱动器和均衡器就可以对LVDS的数据传输延长传输距离。在高速系统内部和系统背板级互联等数据传输设计中，LVDS以其Gbps的数据传输速率优势正在被一些复杂的大批量数据交互连接通信场合普遍采用。

LVDS传输数据的连接方式主要有两种，可以是一个发送端对一个接收端或者是一个发送端对多个接收端。多个接收端的情况还需要通过计算调节接收电阻的大小以实现各端口间的阻抗匹配。LVDS传输方式的内部结构如图3，在发送端主要是恒流源和驱动器，接收端主要是差分接收器和回路电阻。从图3中可以看出因为接收器相对回路电阻的阻抗非常大，这样在发送端恒流源的作用下，就在差分传输线两端的100欧姆电阻上形成了一个大概350mV的压差，在恒流源方向转换时，电阻两端的压差也反向，就形成了高低逻辑电平的翻转状态。在驱动器和接收器之间的线缆可是双绞线也可以是同轴电缆，电缆的双绞有利于差分信号的传输，能够有效降低数据传输过程中的误码率。

LVDS技术在电子系统通信中的应用简化了设计复杂度，提高了数据传输码率，增加了系统稳定性，有利于系统成本的控制。LVDS技术适合用于本次设计的特点主要为：

(1)高速传输能力

LVDS技术信号摆幅低，能实现快速翻转，这样就可以实现数据的而高速传输。驱动端的恒流源技术是用低电压信号摆幅技术形成高速信号变换，这样就形成快速逻辑切换效果。

(2)高抗噪性能

由于LVDS传输电压低、电流小，所以产生的电子干扰小；而且双线传输的差分信号会产生共模作用，干扰会相互耦合抵消；同时一般采用双绞线进行LVDS数据传输，在双绞线形成反向的等值电流，这样线路周围的电磁会反向，从而相互抵消，降低了电磁辐射。

(3)低电压摆幅

LVDS标准发送端恒流源的驱动电流非常小，很小的驱动电流决定终端电阻有着很低的电压摆幅和很小的输出电流，为高低电平的快速逻辑切换提供了条件，使LVDS进行高速数据传输成为可能。

(4)集成能力强

LVDS数据传输的低电压和低输出电流决定了这种传输方式的低功耗，低功耗影响着半导体器件单位面积内的逻辑组合数，这就为增加电路的集成度提供了条件，即有可能提高电路板的效能，降低电路板成本。

实施例2

PCI接口卡插入工控机对应的卡槽内，PCI接口卡上有光电转换模块通过光纤与背板转接卡的光电转换模块相连接，完成上位机与地面测试设备之间的通信，地面测试设备内包括AC/DC、电源转换卡、背板转接卡、低压模拟信号源卡、高压模拟信号源卡、数字信号源卡和图像信号源卡，AC/DC和电源转换卡组成的电源模块一方面向整个测试平台提供所需的电源(包括±25V，±9V，+5V，+55V电压)，另一方面向待测设备提供+28V电源，背板转接卡起到一个路由器的作用，它将上位机下发的命令根据不同的板卡地址发送给功能板卡，并接收数字信号源卡回传的对方单机的状态数据上传给工控机，同时背板转接卡还给各功能板卡提供+5V电压，模拟、数字及图像信号源分别完成各自的功能，整个系统的硬件实现了模块化设计。

PCI接口卡电路设计

PCI9054作为PCI总线设计中的接口芯片，可以有效实现PCI总线和本地总线之间数据传输。PCI接口卡就是利用PCI9054芯片的功能特性，设计为FPGA+PCI9054的控制模式，采用外围的接口控制电路，为上位机和地面测试设备之间搭建一个数据通道，完成命令下发和数据传输，设计中由FPGA作为本地总线控制器，用来控制PCI总线实现数据传输，如图4所示为PCI接口卡硬件设计框图，本地总线控制器采用FPGA来实现，用来控制PCI9054的模式完成与计算机PCI总线连接，PCI9054采用C模式，传输模式选择从模式，外部FIFO完成数据缓存，EEPROM是PCI9054芯片的配置寄存器，当板卡通电后PCI9054开始读取配置寄存器内的值从而完成配置。光电转换模块可以使电信号转换为光信号，在光纤的接收端再将光信号转换为电信号实现光纤的发送与接收。

FPGA作为本地总线的控制器，即PCI局部总线目标设备，完成上位机与下位机的通信。本发明采用FPGA+PCI9054的模式来完成PCI局部总线的设计。

PCI9054寄存器配置

打开工控机后，PCI9054开始加载外部的配置寄存器，寄存器内的值是提前设定好的，包括设备标识、Local空间配置等信息，PCI设备能都正常启动关键在于EEPROM中的初始化配置是不是成功加载，寄存器配置失败将会使得PCI9054无法正常工作。采用的EEPROM芯片是Microchip公司生产的93LC56，93LC56具有2K内部ROM，供电电压3.3V，支持电擦写与串行读写方式。

93LC56的DI/DO引脚可以设置为上拉或者下拉，使用时焊接R62或R63来完成配置芯片状态选择，当焊接下拉电阻R63时，此时EEPROM为无效状态，上电后9054芯片会进行默认的初始化程序，当焊接上拉电阻R62时，此时EEPROM有效，可以进行EEPROM的烧录或使用烧录好的EEPROM。

光电转换模块电路设计

光电转换模块电路采用武汉远创生产的光电收发一体模块OCM3343和OCM3443，选用的光电收发模块功耗极低，满足设计要求，最高传输速率可达84MB/S，并与FPGA的LVTTL电平兼容，可直接与FPGA外设I/O引脚相连。

背板接口卡电路设计

背板接口卡起一个中转站的功能，上游通过PCI接口与上位机相连，下游用接插件挂接各个功能模块，背板上设计了16组标准接口，所以最多可以挂接除电源板以外的16块功能板卡，每个模块都有独立的地址以便于将上位机下发的命令转发给各模块，同时将数据回传给上位机，PC接口背板同时完成电源变换，变换出功能板卡所需要的电源供给功能模块。其原理框图如图5所示。

在本发明中背板与上位机之间是通过光纤进行数据通信，背板与其他功能板卡(数字、图像、模拟信号源卡)之间的的数据通信采用422接口。422接口的数据发送与接收是由DS26C31和DS26C32芯片来实现的，并通过接插件连接向功能卡的31/32芯片，所以我们设计了接插件的接口定义，包括数据收发以及供电电压，这样有利于板卡之间标准化的连接以及扩展。接插件的接口定义如表2所示：

表2接插件接口定义

序号	功能	引脚	方向	备注
					1	数据发送+	1	输出	与2双绞

2	数据发送-	2	输出	与1双绞
					3	数据接收+	3	输入	与4双绞
4	数据接收-	4	输入	与3双绞
					5	+28V	5，6	输出	截面加粗
6	28VGND	7.8	地信号	截面加粗
					7	+15V	9，10	输出	截面加粗
8	15VGND	11，12	地信号	截面加粗
					9	-15V	13，14	输出	截面加粗
10	+5V	15，16	输出	截面加粗
					11	5VGND	17，18	地信号	截面加粗
12	-5V	19，20	输出	截面加粗

数字信号源卡电路设计

数据信号源卡一共发送三路信号并接收一路PCM数据，还有能够实时监测对方单机的状态，并且与对方单机的数据通信接口采用RS-422传输方式，具体接口电路如图6所示。

根据任务书的要求，设计三发一收的数据，并且数据收发都是由422来通信，由于接收的数据量比较大，FPGA内部FIFO空间不够大，所以设计了外部FIFO用来缓存数据，数据收发板原理框图如图7所示。

图像信号源卡电路设计

图像信号源卡的主要作用是向遥测系统变换器模拟输出2路图像信号源，以便测试数据变换器图像的采集、存储功能的正确性。信号源的指标要求为：

A)图像数据：

1)图像图幅：平飞400*256，下压800*300；

2)图像帧频：60帧/s；

3)每个像素点灰度数据：8bits。

B)测高数据：

1)帧频：100帧/s；

2)每帧数据量：26Byte/帧。

测试设备与数据记录装置的实时图像接口之间采用LVDS通讯，数据传输时钟12MHz，传输速率144Mbps。LVDS收发器进行共地设计，收发器数据均设置为上升沿数据有效，数据发送端采取隔离措施。在遥测系统中，数据记录装置采集摄像头的图像数据，并存储，然后恢复原始图像数据以便分析，图像信号源卡模拟遥测系统的摄像装置，将图像数据传给数据记录器从而分析其功能是否完备，保证其可靠性。图像信号源卡的设计框图如图8所示。

本发明选择的LVDS接口芯片采用DS92LV1023串化器，DS92LV1203芯片是一个10位总线型低压差分信号串化器，实际作用能把10位的并行TTL或者是CMOS数据转化为高速的串行的差分数据，芯片将时钟内嵌到该差分数据中，由于信号进行长信传输时会有损耗，因此采用驱动芯片配合LVDS串化器来保证远距离数据传输的可靠性，驱动器使用CLC001使其再发送端将信号加强，以便延长信号传输的距离，具体LVDS电路图如图9所示。

图9中DS92LV1203通过确定信号触发方式，为上升沿触发，然后在同步时钟TCLK的作用下，芯片DS92LV1023把从FPGA产生的10位并行数据进行串化处理，转换成内嵌时钟信息的串行数据进行传输，因为数据发送端和接收端距离比较远，从而在电缆两端会因为电势差产生直流电流，我们在电路中采用交流耦合的办法消除电路中的电势差，发送端的正负极接入1uF的电容C20和C21完成交流耦合，另外选择传输线特征阻抗电阻R12阻值大小一半的电阻R26和R27在发送端完成阻抗匹配，进一步消除传输线信号的反射以便减少干扰。

模拟信号源卡电路设计

模拟信号源模块任务书要求输出24路0～7V低压信号，28路0～48V高压信号，设计了高压模拟量卡产生高达48V的直流电压信号，又因为高压模拟量卡使用的运放在低压时非线性特性，与低压部分不能兼容，所以需要两块板卡分别产生低压信号和高压信号，模拟信号源部分的总体设计框图如图10所示。

本设计中模拟量低压卡输出0～7V幅值可调的直流量，模拟量高压卡输出为0～48V幅值可调的直流量。整个模拟量系统的工作流程是：整个地面测试设备上电后，首先由发送自检命令，确认设备工作正常返回状态信息给上位机，然后由上位机将板卡号、通道号、幅值命令信息在PCI板卡打包发送给背板，背板解析上位机得到命令，分析出板卡地址(低压卡为00，高压卡为01)和命令的具体内容并转发给对用的板卡执行该命令。

低压模拟量卡设计

根据地面测试设备标准化设计的要求，设计了一块48路模拟量可同时输出的电路板，它不但满足了本设计对模拟量的需求，也为后续型号设备提供方便。此板集成了RS-422接口模块、FPGA逻辑控制模块、数模转换模块、2.5V基准电压模块、信号隔离模块、信号偏置模块和信号放大模块等，可使模拟量最大输出范围为-12.5V～12.5V。

(1)电路隔离模块

本文选用ADuM1400CRW作为AD5628控制信号的隔离芯片，此芯片为四通道数据隔离芯片，采用iCoupler数字隔离技术，其最大转换速率为110Mbps，与传统的采用发光二极管的光耦隔离相比，大大降低了芯片的功耗。同时，ADuM1400CRW所搭载的iCoupler数字隔离技术在数据的传输速率、瞬态共模抑制能力和时序精度等方面大大领先于光耦。因此，这款芯片从性能、功耗和体积上来说都是光耦所无法比拟的。在本发明中，利用2片ADuM1400便可完成对1片AD5628控制信号的隔离，使隔离模块所占面积大大下降。同时为了使数字部分和模拟部分的彻底隔离，将隔离两端分别供电和接地，在本发明中数字端采用3.3V和数字地DGND，模拟端采用A5V和模拟地A1GND。

(2)D/A转换模块

DAC即数模转换器，最常见的就是把并行的二进制数字量转换为直流电压或电流，D/A转换器的主要特性指标包括分辨率、线性度和转换精度，分辨率可由D/A转换器的位数来确定，位数越高，其分辨率越高，用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度，当不考虑外部电路的误差，D/A转换精度就是分辨率的大小，分辨率越高，其转换精度越高，通常情况下11位的分辨率能够基本满足对方设备采集的精度要求，而实际的输出需要考虑误差的影响，设计中采用12位分辨率的高精度D/A转换芯片AD5628。

AD5628是ADI公司生产的分辨率为12位的轨到轨数模转换芯片，采用2.7V至5.5V单电压供电，因本发明需要输出0～+5V电压，因此用+5V供电。AD5628内置一个2.5V、5ppm/℃的片内基准电压源可通过软件写操作来使能，也可上电后关闭内部基准电压源使用外部基准电压源。设计采用内部基准电压源，满量程可达到5V，理论输出电压值的计算公式如下式1，电路原理图如图11所示。

V_{OUT} = 2 \times V_{REFOUT} \times (\frac{D}{2^{N}}) - - - (1)

其中，D是DAC芯片二进制编码的十进制等效值；N是分辨率。对与AD5628而言，D∈(0，4095)，N＝12。

(3)偏置和放大电路

根据AD5628的线性特性，在输出两端的线性度相对较低，为满足设计对幅值和精度的要求，将AD5628输出的0～5V电压偏置为-2.5V～+2.5V，然后再将偏置后的电压放大，如此在线性度良好的范围取得我们要求的电压值，LM236是2.5V基准二极管，用5V供电，串联一个2.5K的电阻R94然后输出端的电压即为2.5V，采用运放OPA4243设计偏置电路，偏置电路设计如图12所示。

放大电路采用运放OPA4227，设计为负反馈放大电路其放大倍数为：1+R151/R150，其中R151选用了12K电阻，R150为4K，所以电压增益为3倍，将-2.5V～+2.5V放大为-10V～+10V，经放大后的理论最高电压满足了设计要求，达到任务中幅值的要求。放大电路设计如图13所示。

高压模拟量卡设计

高压模拟量卡包括FPGA控制部分、D/A转换电路、信号放大调理、多路开关选择、跟随电路、二级放大和滤波电路，上电后FPGA将幅值信息发送到高精度D/A芯片AD9744，转换为对应的电压经过放大调理电路输送到多路选择开关ADG1208，然后经过下级跟随电路增大电流驱动能力，二级放大和滤波电路都采用OPA454芯片来搭建电路。

(1)D/A转换电路及信号调理电路

本发明采用了高速D/A转换芯片AD9744。AD9744是电流输出型，因此需要放大电路实现电流电压转换，AD811是一种电流反馈性运放，最大可到2500V/us的压摆率，使其电压步进电压的建立时间很短，低失真特性和高宽带增益保证了其低电流噪声和出色的直流精度，其特性符合设计要求，设计中采用运放AD811组成的放大电路来进行信号调理，并采取放大和偏置电路将幅值调理到需要的电压值。具体电路如图14所示：

根据虚短虚断的原理可以得出上述电路的具体放大倍数如下：

V_out1＝5/2(V_outB-V_outA)

V_out2＝-4V_out1

V_out3＝3.3-V_out2

(2)模拟开关和跟随电路

处于系统集成性、可靠性以及成本考虑，设计采用多通道模拟开关完成不同通道信号切换，减少了芯片的数量，模拟开关具有切换速率快、功耗小、工作可靠且容易控制等优点，我们从通道数量、泄漏电流、导通电阻、开关速度等技术指标考虑，选用了ADG1208作为模拟开关芯片，ADG1208是八选一的模拟开关，±9V电压供电，可以由软件控制使能端来控制通道的切换，FPGA通过控制使能控制端A0-A2来确定输出通道，具体控制切换关系为000-111对应8个通道。

ADG1208输出的波形信号存在减弱的趋势，为了使得开关输出的信号得以保持，需要在模拟开关后端接入跟随电路以保证其驱动能力，提高带负载能力，便于后续继续对信号放大，因此设计了一个电压跟随电路保持输出信号的稳定，如图15所示。

(3)二级放大和滤波电路

上述经过D/A转换和后续放大调理电路的电压为0～7V，远远达不到要求，所以需要对模拟开关输出的电压信号进行二次放大，运放芯片选择OPA454，此芯片是一种高电压和高电流运放，其供电有0～100V和-50V～+50V两种供电方式，实验发现在0V左右运放的线性度不是很好，运放不能以轨到轨方式工作，所以在0～100V供电时，最低电压达不到0V，本设计选择-9V～+55V电源供电，使得0V包括在供电范围内，设计为负反馈放大电路其放大倍数为：1+R119/R110，其中R119选用了12K电阻，R110为2K，所以电压增益为7倍，经放大后的理论最高电压达到49V，满足了设计要求。

从D/A转换芯片输出的信号中有主频f_c信号，还包含分布在系统频率f₀、2f₀两边、±f_c处的非谐波分量。非谐波分量就是串入系统内的干扰信号，所以需要采用滤波电路调理，主频信号的输入频率较低，采用巴特沃斯低通滤波器对输出信号进行处理，由集成运放OPA454构成RC滤波器，输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，其中第一级电容接至输出端，引入了适量正反馈以改善幅频特性。高压板卡设计的二级放大及滤波电路如图16所示。

电源模块设计

电源模块包括电源转换卡和定制的AC/DC电源(输出+55V、+28V、±9V、±25V、+5V)，其中电源转换卡将+5V电压隔离后供给高压模拟量卡使用，+28V电压供给对方单机作为供电电源使用，+55V、±9V、±25V供给高压模拟量卡作为A/D芯片、放大电路供电使用，±9V电压同时供给低压模拟量卡通过7805和7905转换为线性±5V电压，供给低压卡A/D芯片以及后续放大电路电源使用。系统供电部分是测试设备的主要设计之一，本模块设计的电源既要给对方单机提供28V电源，又要给系统自身板卡供电。电源设计供电示意图如图17所示：

机箱内部AC/DC采用朝阳电源定制的4NIC-QQ252线性电源，输入220V，输出包括55V、28±4V、±25V、±9V、5V，其中±9V和5V接入电源板卡，以便连接到电源接插件给功能板卡供电，5V电压在电源板卡上使用DCR010505芯片进行隔离以便降低噪声影响，其隔离电路图如图18所示。

各功能模块数字电路部分供电由经过隔离的5V电压接入功能板卡，然后在板卡采用电源转换芯片，将5V电压分别转换成3.3V、2.5V和1.2V电压给板卡FPGA芯片供电，我们采用TI公司的TPS703xx系列的电源转换芯片TPS70358和TPS70345来进行电源转换。TPS系列芯片具备了手动复位，工作稳定，噪声小的特点，其中TPS70358输出电压为3.3V和2.5V，TPS70345输出电压为3.3V和1.2V。

考虑电源对输出的模拟信号精度的影响，特别是电源固有的纹波对模拟信号的干扰，我们在模拟量板卡上采用了电源隔离，低压版卡上的5V电压不是由电源板5V来供电，而是由7805、7905芯片产生，输入端由AC/DC电源生成的±9V，当焊接7805时接入+9V输出+A5V，当焊接7905时接入-9V输出-A5V，产生的模拟5V电压用于电压模拟量卡的D/A转换芯片和偏置芯片的电源供电，具体电路设计如图19所示：

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种遥测系统变换器地面测试系统，其特征在于，包括上位机和地面测试设备，上位机计算机采用研华公司生产的2U工业控制计算机，PCI卡插在工控机的插槽内，通过光纤与地面测试设备相连接完成命令下发与数据回传；地面测试设备包括AC/DC、电源转换卡、PCI接口卡、背板转接卡、模拟量信号源卡、数字量信号源卡、图像信号源卡；

2.根据权利要求1所述的遥测系统变换器地面测试系统，其特征在于，工控机与地面测试设备之间数据通信选用PCI总线，电路设计采用的是PLX公司的PCI9054芯片，接口芯片工作模式采用PCI9054的C模式，选择从模式作为PCI总线的数据传输方式。

3.根据权利要求1所述的遥测系统变换器地面测试系统，其特征在于，PCI接口卡设计为FPGA+PCI9054的控制模式，采用外围的接口控制电路，为上位机和地面测试设备之间搭建一个数据通道，完成命令下发和数据传输，设计中由FPGA作为本地总线控制器，用来控制PCI总线实现数据传输。

4.根据权利要求1所述的遥测系统变换器地面测试系统，其特征在于，背板转接卡与上位机之间是通过光纤进行数据通信，背板转接卡与模拟量信号源卡、数字量信号源卡、图像信号源卡之间的的数据通信采用422接口；422接口的数据发送与接收是由DS26C31和DS26C32芯片来实现的，并通过接插件连接向功能卡的31/32芯片。