CN104764944A - 一种集成显示屏的便携式多功能测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成显示屏的便携式多功能测试仪，可以实现一台仪器同时作为多种仪器使用的便携式多功能测试仪，该测试仪集成了触摸显示屏，结构布局紧凑，综合考虑了热源部件的布局风道设计、箱体结构强度和抗振性、电磁兼容性设计，空间利用率高，显控界面美观，具备良好的便携性。

Description

一种集成显示屏的便携式多功能测试仪

技术领域

本发明属于测量测试技术领域，具体涉及一种集成显示屏的便携式多功能测试仪。 

背景技术

在电子测量行业，经常用到万用表、示波器、频谱分析仪、信号源等多种仪器，这些仪器一般体积较大，当需要使用的仪器数量较多时，占地面积大且携带不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多种常用仪器功能，可以实现一台仪器同时作为多种仪器使用的便携式多功能测试仪，该测试仪集成了触摸显示屏，结构布局紧凑，综合考虑了热源部件的布局风道设计、箱体结构强度和抗振性、电磁兼容性设计，空间利用率高，显控界面美观，具备良好的便携性。

本发明的技术解决方案是：

一种集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特殊之处在于：由外部接口和显示屏、PXIe总线背板、嵌入式控制器、万用表模块、示波器模块、任意波形发生器模块、数据采集卡模块、电源模块、滤波器及风扇组成；

所述滤波器对输入的交流220V电源进行滤波，滤波后的电源输入到直流电源模块；

所述直流电源模块负责给液晶触摸屏和PXI总线背板供电，PXI总线背板再给各个PXIe功能模块供电；

所述嵌入式控制器通过导轨插入到PXIe总线背板的零槽位置，所述数字万用表模块、数字示波器模块、任意波形发生器模块和数据采集卡模块通过导轨插入到PXIe总线背板的外围槽位置；

所述数字万用表的4路模拟量输入与箱体右侧面板的4个香蕉头插座1对1相连；

所述数字示波器的2路模拟量输入和1路触发信号与箱体右侧面板的3个BNC插座1对1相连；

所述任意波形发生器的1路模拟量输出和1路触发信号与箱体右侧面板的2个BNC插座相连；

所述数据采集卡的4路模拟量输入和1路触发信号与箱体右侧面板的5个BNC插座1对1相连；

所述嵌入式控制器的1个DVI-I接口与显示屏相连，2个LAN口和4个USB接口分别与箱体的外部LAN和USB接口相连；

所述风扇设置于PXIe总线背板的一侧。

上述外部接口包括：

1.1）测试仪的显示屏采用17英寸大屏幕液晶显示屏搭配工业级精准触摸屏的方式；

1.2）测试仪通过测试电缆与被测对象相连，每一根测试电缆连接一路测试信号，最多连接8路模拟信号测量通道，其中，万用表1路，示波器2路，信号源1路，数据采集/流盘/分析4路；

1.3）示波器、信号源、数据采集/流盘/分析分别配置1路外部触发接口，可支持外部信号触发功能；

1.4）测试仪配置4路USB2.0端口和2路LAN端口，用于连接外围辅助设备。

上述PXIe总线背板共设有12个槽位，包含1个系统槽、1个定时槽和10个混合槽，将定时槽放置在背板的第7个槽位上，以便星形触发信号到各个槽位的等长线设计。

上述PXIe总线背板包括以下几部分：

a）时钟设计

包括时钟及PXI Trigger总线路由；时钟部分提供PXI_CLK10、PXIe_CLK100和PXIe_SYNC100的产生、同步以及时钟的分配；PCIe总线路由主要完成PCIe信号的路由，实现各个槽位信号的路由链接；

b）PCIe总线路由及PCI总线扩展

完成PCIe信号的路由，实现系统槽位与各个槽位以及PCIe to PCI桥的PCIe总线链接，并通过PCIe to PCI桥完成背板PCI总线的扩展，实现混合槽位的设计；

通过PCIe总线交换开关将系统槽的4组PCIe总线分别路由到各个槽位以及PCIe to PCI桥上。外设槽设计为X4的链接宽度，可提供2GB/s的槽位带宽。

为了保证背板8GB/s的系统带宽，在设计中PCIe总线路由采用2片PEX8624和一片PEX8613实现。这两款PCIe总线交换开关均为工业级器件，支持PCIe规范2.0，并自动向下兼容PCIe规范1.0。

PCI总线扩展采用TI公司的PCIe to PCI桥XIO2001，该器件为支持PCIe 规范1.0，可支持6个PCI设备，设计中通过两片PCIe to PCI桥实现2组PCI总线扩展，每组PCI总线连接5个混合槽位。

c）背板供电

电源部分通过DC-DC器件，为背板上的集成电路提供1.0V、1.2V、1.5V和2.5V的供电电压；

背板中的FPGA、PCIe交换开关以及PCIe to PCI桥等器件需要1.0V、1.2V、1.5V和2.5V的供电电压。由于1.0V需要的电流比较大，需要多片DC转换器分别对PEX8624供电，若采用LDO供电，输入输出间的电压压差较大，大部分的能量消耗在LDO上，因此需采用转换效率更高的DC-DC转换器。常见的模块电源噪声较大，容易干扰到背板上的高速信号。这里选用集成电感的高效DC-DC转换芯片EN6360QI来实现，EN6360QI在3.3V电源供电时，转换效率为90%左右。另外，其在空气中的热阻为15℃/W，在最大负荷时，不用散热片的情况下，温升仅为9℃左右。对于其它电压等级的电流需求比较小，一般常用的LDO均可满足。

d）PXI Trigger总线桥接

通过PXI Trigger总线桥接电路，为背板上的PXI Trigger总线增加驱动能力，并实现任意触发方向的程控设置。

采用带3态输出的逻辑电路实现PXI_TRIG[0：7]的桥接功能，选用NXP的74AHCT2G125。该芯片包含两个具有三态输出功能的同向缓冲器，且每一路均有单独的使能引脚，当使能端为高电平时，输出为高阻态，可实现两个桥段之间的隔离。在设计中为了防止两个缓冲器同时被使能，在使能端增加了一个74LVC1G18，具体实现电路如图 1所示。

当EN为高时，PXI_TRIG BUS桥处于隔离模式，当EN为低时，由DIR控制触发方向。通过这种方法实现了PXI_TRIG BUS桥的方向和使能控制，并能对每一根触发线单独设置。其方向和使能控制信号由PCIe交换开关的GPIO提供。

上述的便携式多功能测试仪，其特征在于：该测试仪工作温度范围为-10℃～55℃，存储温度-20℃～70℃。

上述的便携式多功能测试仪，其特征在于：该测试仪支持交直流供电两种方式，交流85～264V，直流120～350V。

上述显示屏外侧贴有导电膜，膜厚度仅为0.133mm，透光率达到80%。

上述显示屏和固定底板之间设有橡胶材料。

上述的便携式多功能测试仪，其特征在于：该测试仪外部安装有橡胶保护套，对测试仪起到一定的保护作用。

本发明的优点在于：本发明可以实现一台仪器同时作为多种仪器使用的便携式多功能测试仪，该测试仪集成了触摸显示屏，结构布局紧凑，综合考虑了热源部件的布局风道设计、箱体结构强度和抗振性、电磁兼容性设计，空间利用率高，显控界面美观，具备良好的便携性。

附图说明

图1为测试仪工作原理图；

图2为 PXIe总线背板的原理框图；

图3为时钟同步及分配原理框图；

图4为PXI Trigger总线桥接电路图；

图5为计算机模块的组成框图；

图6为测试仪外部结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实现过程做进一步详细的说明。

参见图1，PXIe总线背板是测试仪的连接所有功能模块的桥梁，它为各功能模块提供电源，并通过复连的总线传送数据、地址、触发、时钟、仲裁、中断等信号。PXIe总线背板共设有12个槽位，包含1个系统槽、1个定时槽和10个混合槽， PXIe总线背板的原理参见图2。

在背板的槽位布局上，将定时槽放置在背板的第7个槽位上，以便星形触发信号到各个槽位的等长线设计。

背板中主要包括以下几部分：

a）时钟设计

背板中主要包括时钟及PXI Trigger总线路由。时钟部分提供PXI_CLK10、PXIe_CLK100和PXIe_SYNC100的产生、同步以及时钟的分配；PCIe总线路由主要完成PCIe信号的路由，实现各个槽位信号的路由链接。

背板时钟设计包括三类时钟信号的设计，分别是PXI_CLK10时钟，PXIe_CLK100时钟和PXIe_SYNC100同步时钟。这部分的设计采用专用时钟同步器CDC7005实现PXI_CLK10时钟和PXIe_CLK100时钟的同步，然后利用低相噪的多路时钟分配器将时钟分发到各个槽位上。时钟同步及分配原理参见图1。

PXI_CLK10时钟源有3个，分别是背板内置时钟、后面板输入时钟以及定时槽时钟。背板上FPGA实时监测上述3个时钟，按照背板内置时钟、后面输入时钟、定时槽时钟的优先级（由低至高），选择相应的时钟作为PXI_CLK10时钟源，如表1所示。

表1 背板PXI_CLK10时钟源选择关系

b）PCIe总线路由及PCI总线扩展

完成PCIe信号的路由，实现系统槽位与各个槽位以及PCIe to PCI桥的PCIe总线链接，并通过PCIe to PCI桥完成背板PCI总线的扩展，实现混合槽位的设计。

通过PCIe总线交换开关将系统槽的4组PCIe总线分别路由到各个槽位以及PCIe to PCI桥上。外设槽设计为X4的链接宽度，可提供2GB/s的槽位带宽。

为了保证背板8GB/s的系统带宽，在设计中PCIe总线路由采用2片PEX8624和一片PEX8613实现。这两款PCIe总线交换开关均为工业级器件，支持PCIe规范2.0，并自动向下兼容PCIe规范1.0。

PCI总线扩展采用TI公司的PCIe to PCI桥XIO2001，该器件为支持PCIe 规范1.0，可支持6个PCI设备，设计中通过两片PCIe to PCI桥实现2组PCI总线扩展，每组PCI总线连接5个混合槽位。

c）背板供电

电源部分通过DC-DC器件，为背板上的集成电路提供1.0V、1.2V、1.5V和2.5V的供电电压。

背板中的FPGA、PCIe交换开关以及PCIe to PCI桥等器件需要1.0V、1.2V、1.5V和2.5V的供电电压。由于1.0V需要的电流比较大，需要多片DC转换器分别对PEX8624供电，若采用LDO供电，输入输出间的电压压差较大，大部分的能量消耗在LDO上，因此需采用转换效率更高的DC-DC转换器。常见的模块电源噪声较大，容易干扰到背板上的高速信号。这里选用集成电感的高效DC-DC转换芯片EN6360QI来实现，EN6360QI在3.3V电源供电时，转换效率为90%左右。另外，其在空气中的热阻为15℃/W，在最大负荷时，不用散热片的情况下，温升仅为9℃左右。对于其它电压等级的电流需求比较小，一般常用的LDO均可满足。

d）PXI Trigger总线桥接

通过PXI Trigger总线桥接电路，为背板上的PXI Trigger总线增加驱动能力，并实现任意触发方向的程控设置。

采用带3态输出的逻辑电路实现PXI_TRIG[0：7]的桥接功能，选用NXP的74AHCT2G125。该芯片包含两个具有三态输出功能的同向缓冲器，且每一路均有单独的使能引脚，当使能端为高电平时，输出为高阻态，可实现两个桥段之间的隔离。在设计中为了防止两个缓冲器同时被使能，在使能端增加了一个74LVC1G18，具体实现电路参见图4。

当EN为高时，PXI_TRIG BUS桥处于隔离模式，当EN为低时，由DIR控制触发方向。通过这种方法实现了PXI_TRIG BUS桥的方向和使能控制，并能对每一根触发线单独设置。其方向和使能控制信号由PCIe交换开关的GPIO提供。

计算机模块是测试仪的控制测量中心，它通过PXIe总线背板控制万用表模块、示波器模块和数据采集模块测量输入的模拟信号，控制信号源模块输出模拟信号，并将数据和波形显示在触摸屏上。此外，计算机模块通过LAN口或者USB端口可以与外围设备，包括打印机、移动硬盘、交换机等进行数据交换；计算机模块的组成框图参见图5。

便携式多功能测试仪主要包括17英寸触摸液晶屏、PXIe总线背板、嵌入式控制器模块、万用表模块、示波器模块、任意波形发生器模块、数据采集卡模块、电源模块、滤波器、风扇等。各模块之间的关系如下：

1）交流滤波器对输入的交流220V电源进行滤波，滤波后的电源输入到直流电源模块；

2）直流电源模块负责给液晶触摸屏和PXI总线背板供电，PXI总线背板再给各个PXIe功能模块供电；

3）嵌入式控制器模块通过导轨插入到PXIe总线背板的零槽位置，其他四块PXIe功能模块，包括数字万用表模块、数字示波器模块、任意波形发生器模块和数据采集卡模块通过导轨插入到PXIe总线背板的外围槽位置；

4）数字万用表的4路模拟量输入通过屏蔽电缆与箱体右侧面板的4个香蕉头插座1对1相连；

5）数字示波器的2路模拟量输入和1路触发信号通过屏蔽电缆与箱体右侧面板的3个BNC插座1对1相连；

6）任意波形发生器的1路模拟量输出和1路触发信号通过屏蔽电缆与箱体右侧面板的2个BNC插座相连；

7）数据采集卡的4路模拟量输入和1路触发信号通过屏蔽电缆与箱体右侧面板的5个BNC插座1对1相连；

8）嵌入式控制器模块的1个DVI-I接口通过专用电缆与17英寸触摸液晶屏相连，2个LAN口和4个USB接口通过专用电缆分别与箱体的外部LAN和USB接口相连。

由于便携式多功能测试仪集多台仪器于一体，对外接口较多，为了方便用户使用，将各个仪器的接口分类分别引出，同时为了符合大部分用户的操作习惯，将被测信号接入的接口设置在右侧面板，高速数据流盘/多功能相位计/动态信号分析仪这三种仪器共用四个外输入接口（BNC）“CH1”、“CH2”、“CH3”、“CH4”和一个外输入接口（BNC）“TRIG”用作外触发信号输入端，数字示波器有两个外输入接口（BNC）“CH1”、“CH2”和一个外输入接口（BNC）“TRIG”用作外触发信号输入端，信号源有1个外输出接口（BNC）“OUT”和一个外输入接口（BNC）“TRIG”用作外触发信号输入端，数字万用表有四个外输入接口（香蕉头插座）“V”、“COM1”、“COM2”、“I”，其中“COM1”和“COM2”接黑表笔，“V”和“I”接红表笔。

参见图6，便携式多功能测试仪采用带触摸功能的17" TFT LCD显示屏作为人机交互界面，无需键盘和鼠标即可对测试仪进行操作，在需要时，可以通过USB口外接键盘和鼠标进行操作。在显示屏外侧贴有导电膜，膜厚度仅为0.133mm，透光率达到80%，不影响用户对屏幕的观看。导电膜对电磁波具有一定的屏蔽作用，对膜的导电层和机箱之间进行压接处理，使两者之间具有很好的导电性，保证整个机箱的密闭性。在显示屏和固定底板之间加入橡胶材料，提高显示屏的抗振、抗冲击性能。测试仪外部安装有橡胶保护套，具有防滑、防磨损及抗振等作用，对测试仪起到一定的保护作用。

Claims (9)

1.一种集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：由外部接口和设置于固定底板上的显示屏、PXIe总线背板、嵌入式控制器、万用表模块、示波器模块、任意波形发生器模块、数据采集卡模块、电源模块、滤波器及风扇组成；

所述滤波器对输入的交流220V电源进行滤波，滤波后的电源输入到直流电源模块；

所述直流电源模块负责给液晶触摸屏和PXI总线背板供电，PXI总线背板再给各个PXIe功能模块供电；

所述嵌入式控制器通过导轨插入到PXIe总线背板的零槽位置，所述数字万用表模块、数字示波器模块、任意波形发生器模块和数据采集卡模块通过导轨插入到PXIe总线背板的外围槽位置；

所述数字万用表的4路模拟量输入与箱体右侧面板的4个香蕉头插座1对1相连；

所述数字示波器的2路模拟量输入和1路触发信号与箱体右侧面板的3个BNC插座1对1相连；

所述任意波形发生器的1路模拟量输出和1路触发信号与箱体右侧面板的2个BNC插座相连；

所述数据采集卡的4路模拟量输入和1路触发信号与箱体右侧面板的5个BNC插座1对1相连；

所述嵌入式控制器的1个DVI-I接口与显示屏相连，2个LAN口和4个USB接口分别与箱体的外部LAN和USB接口相连；

所述风扇设置于PXIe总线背板的一侧。

2.根据权利要求1所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于，所述外部接口包括：

1.1）测试仪的显示屏采用17英寸大屏幕液晶显示屏搭配工业级精准触摸屏的方式；

1.2）测试仪通过测试电缆与被测对象相连，每一根测试电缆连接一路测试信号，最多连接8路模拟信号测量通道，其中，万用表1路，示波器2路，信号源1路，数据采集/流盘/分析4路；

1.3）示波器、信号源、数据采集/流盘/分析分别配置1路外部触发接口，可支持外部信号触发功能；

1.4）测试仪配置4路USB2.0端口和2路LAN端口，用于连接外围辅助设备。

3.根据权利要求1或2所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：所述PXIe总线背板共设有12个槽位，包含1个系统槽、1个定时槽和10个混合槽，将定时槽放置在背板的第7个槽位上，以便星形触发信号到各个槽位的等长线设计。

4.根据权利要求3所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于，所述PXIe总线背板包括以下几部分：

a）时钟设计

包括时钟及PXI Trigger总线路由；时钟部分提供PXI_CLK10、PXIe_CLK100和PXIe_SYNC100的产生、同步以及时钟的分配；PCIe总线路由主要完成PCIe信号的路由，实现各个槽位信号的路由链接；

b）PCIe总线路由及PCI总线扩展

完成PCIe信号的路由，实现系统槽位与各个槽位以及PCIe to PCI桥的PCIe总线链接，并通过PCIe to PCI桥完成背板PCI总线的扩展，实现混合槽位的设计；

c）背板供电

电源部分通过DC-DC器件，为背板上的集成电路提供1.0V、1.2V、1.5V和2.5V的供电电压；

d）PXI Trigger总线桥接

通过PXI Trigger总线桥接电路，为背板上的PXI Trigger总线增加驱动能力，并实现任意触发方向的程控设置。

5.根据权利要求4所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：该测试仪工作温度范围为-10℃～55℃，存储温度-20℃～70℃。

6.根据权利要求5所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：该测试仪支持交直流供电两种方式，交流85～264V，直流120～350V。

7.根据权利要求6所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：所述显示屏外侧贴有导电膜，膜厚度仅为0.133mm，透光率达到80%。

8.根据权利要求7所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：所述显示屏和固定底板之间设有橡胶材料。

9.根据权利要求8所述集成显示屏的便携式多功能测试仪，其特征在于：该测试仪外部安装有橡胶保护套，对测试仪起到一定的保护作用。