CN107291643A - 模块化基板和模块化仪器 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种模块化基板和模块化仪器。模块化基板包括总线驱动模块、板间通信模块和板间连接器，其中：总线驱动模块，与接口模块和板间通信模块连接，用于实现与接口模块连接的总线的驱动和协议翻译，并基于接口协议实现与系统控制器之间的通信；板间通信模块，与板间连接器连接，用于实现模块化基板与功能板之间的通信，实现对功能板的配置，获取功能板的状态或数据；以及，触发总线驱动模块将功能板的状态或数据发送给系统控制器；板间连接器，能与功能板连接，用于提供模块化基板与功能板之间的电气连接。该基板通过提取多个功能模块的公共功能并实现电路设计，降低了功能模块的外围支撑电路的开发和设计时间。

Description

模块化基板和模块化仪器

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种模块化基板和模块化仪器。

背景技术

模块化仪器通过将不同功能的仪器模块化设计，实现模块级的功能复用，从而方便的组建出新的仪器。然而，目前模块化仪器的标准只停留在模块接口，例如PXI(PCIextensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)接口这一级，各个模块的设计还是完全由开发者自由发挥，同时大部分模块化仪器都是单板设计，或者即使采用多板设计，也没有统一的标准，造成难以复用。同时，各个模块之间存在大量重复的设计。例如，PXI射频频率参考器和PXI频率合成器，由于都使用PXI总线，因此两个模块都需要实现PXI总线驱动功能；同时，供电从PXI总线上获取，功能模块都需要电路上对这些供电进行去耦、滤波等处理，甚至还需提供其他规格的电源；功能模块在集成时都有开始触发、时钟同步、事件同步等需求。可见，目前例如PXI模块化仪器设计中仍然存在大量的重复电路和重复设计，大大的增加了开发成本。

此外，由于PXI等设备有严格的结构方面的标准，因此，电路板与前面板的相对位置是固定的，也就造成了电路板上的I/O连接器与面板的位置完全固定，偏向前面板的左侧。因此，在一些高频应用的电路板中，当电路板正反两面都需要进行屏蔽时，位于前面板左侧的一面因空间太窄无法设计屏蔽腔，同时也给前面板的连接器设计造成难度。

因此，如何实现包括例如PXI总线驱动、通用电源供应、以及同步等公共的功能，并使得前面板连接器布局合理，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中上述不足，提供一种模块化基板和模块化仪器，实现了多种总线驱动、通用电源供应、以及同步等公共功能的集成化设计。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该模块化基板，能与功能板适配，包括总线驱动模块、板间通信模块和板间连接器，其中：

所述总线驱动模块，与接口模块和所述板间通信模块连接，用于实现与所述接口模块连接的总线的驱动和协议翻译，并基于接口协议实现与系统控制器之间的通信；

所述板间通信模块，与所述板间连接器连接，用于实现所述模块化基板与所述功能板之间的通信，实现对所述功能板的配置，获取所述功能板的状态或数据；以及，触发所述总线驱动模块将所述功能板的状态或数据发送给系统控制器；

所述板间连接器，能与所述功能板连接，用于提供所述模块化基板与所述功能板之间的电气连接。

优选的是，所述总线驱动模块中，所述总线驱动模块包括多个寄存器，对总线的驱动和协议翻译功能为对总线的驱动以及解析和控制总线的时序，其中：

所述总线驱动模块将从总线上获取的控制指令缓冲在寄存器指令中，并触发所述板间通信模块，实现寄存器指令到所述板间通信模块的转换；

以及，所述总线驱动模块将所述功能板的状态数据基于总线协议，发送给系统控制器。

优选的是，所述板间通信模块，用于将来自所述总线驱动模块的寄存器指令翻译成板间通信协议的格式，发送给所述功能板，实现对所述功能板的配置；以及，将来自所述功能板的状态或数据进行解析，并转换成寄存器状态数据，并触发所述总线驱动模块。

优选的是，所述板间连接器包括电源和地信号的连接线、所述模块化基板到所述功能板的下行通信信号线、所述功能板到所述模块化基板的上行通信信号线、板间时钟信号线、JTAG信号线、所述模块化基板到所述功能板的触发信号线、所述功能板到所述模块化基板的同步信号线中的至少一种。

优选的是，所述总线提供至少一个规格的基准电源，或者，所述模块化基板设有能提供用于连接具备至少一个规格的基准电源的电源适配器的接口；所述模块化基板还包括与所述板间连接器和接口模块连接的通用电源转换模块，所述通用电源转换模块至少包括去耦电路、滤波电路，用于对所述基准电源进行去耦处理以及滤波器处理。

优选的是，所述通用电源转换模块还包括电压转换电路，所述电压转换电路为DC-DC转换电路，用于将所述基准电源进一步转换为其他规格的扩充电源。

优选的是，所述模块化基板还包括与板间连接器连接的同步管理模块，所述同步管理模块包括电平转换电路、静电防护电路、过压隔离电路或过流隔离电路，用于实现所述模块化基板与外部设备连接的I/O接口的信号防护和转换，并将转换后的I/O接口的信号通过所述板间连接器传送至所述功能板。

优选的是，所述I/O接口的信号包括触发输入信号、触发输出信号、光标信号、事件同步信号中的任一种。

优选的是，所述接口模块为PXI接口、USB接口、GPIB接口、LAN接口、PCI接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、光模块中的至少一种。

一种模块化仪器，组合多个功能板对输入的信号进行测试或输出测试信号，还包括上述的模块化基板。

本发明的有益效果是：该模块化基板通过将多个功能模块的公共功能进行提取并实现电路集成设计，为各种功能模块的功能板提供了统一的平台，从而使得仪器功能模块的开发完全集中在功能本身的开发和设计上，大大的降低了外围支撑电路的开发和设计时间，也减少了出错的风险。

附图说明

图1为本发明实施例中模块化基板的原理框架图；

图2为本发明实施例中模块化仪器的原理框架图；

附图标示中：

1-总线驱动模块；2-板间通信模块；3-板间连接器；4-通用电源转换模块；5-同步管理模块；6-接口模块；7-I/O接口；

10-模块化基板；11-功能板。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明模块化基板和模块化仪器作进一步详细描述。

本发明的技术构思在于，通过将多个功能模块的公共功能进行提取并实现电路集成设计，为各种功能模块的功能板提供了统一的平台，从而使得仪器功能模块的开发完全集中在功能本身的开发和设计上，大大的降低了外围支撑电路的开发和设计时间，也减少了出错的风险。

如图1所示，一种能与功能板适配的模块化基板，包括总线驱动模块1、板间通信模块2和板间连接器3，其中：

总线驱动模块1，与接口模块6和板间通信模块2连接，用于实现与接口模块6连接的总线的驱动和协议翻译，并基于接口协议实现与系统控制器之间的通信；

板间通信模块2，与板间连接器3连接，用于实现模块化基板与功能板之间的通信，实现对功能板的配置，获取功能板的状态或数据；以及，触发总线驱动模块1将功能板的状态或数据发送给系统控制器；

板间连接器3，能与功能板连接，用于提供模块化基板与功能板之间的电气连接。

功能板为实现功能模块的核心仪器功能的电路板卡，例如模块化频率合成器的功能板通过频率合成技术实现各种频率的产生功能。功能板具有功能模块的核心电路，而各种功能板都需要的外围的电源供应、通信接口电路、同步信号电路等都由模块化基板实现。功能板包括例如射频功能板、开关功能板、信号调理功能板、数据采集功能板等。

图1的总线驱动模块1中，总线驱动模块1包括多个寄存器，对总线的驱动和协议翻译功能为对总线的驱动以及解析和控制总线的时序，其中：总线驱动模块1将从总线上获取的控制指令缓冲在寄存器指令中，并触发板间通信模块2，实现寄存器指令到板间通信模块2的转换；以及，总线驱动模块1将功能板的状态数据基于总线协议，发送给系统控制器。总线驱动模块1可以通过接口驱动芯片加通用现场可编程门阵列器件FPGA实现，也可以直接由可编程逻辑器件FPGA实现，总线驱动功能由其中运行的程序实现。

板间通信模块2，用于将来自总线驱动模块1的寄存器指令翻译成板间通信协议的格式，发送给功能板，实现对功能板的配置；以及，将来自功能板的状态或数据进行解析，并转换成寄存器状态数据，并触发总线驱动模块1。板间通信模块2可以通过通用现场可编程门阵列器件FPGA实现，也可以由单片机、如ARM的微处理器、DSP芯片、GPU芯片等实现，板间通信格式的转换等由其中运行的程序实现。

当然，总线驱动模块1和板间通信模块2在物理上也可以由一片芯片实现，例如由一片通用现场可编程门阵列器件FPGA实现，这里对具体实现形式不做限定。

板间连接器3包括电源和地信号的连接线、模块化基板到功能板的下行通信信号线、功能板到模块化基板的上行通信信号线、板间时钟信号线、JTAG信号线、模块化基板到功能板的触发信号线、功能板到模块化基板的同步信号线中的至少一种。板间连接器3的多个信号线可以根据功能需求设置上述相应的功能，板间时钟信号线使用差分的形式，从而可以为模块化基板到功能板的下行通信信号线和功能板到模块化基板的上行通信信号线提供更精确时钟，进而模块化基板和功能板可实现高速通信；JTAG信号线通过构建模块化基板和功能板之间的JTAG拓扑结构，从而可以实现模块化基板与各功能板上主控制芯片的仿真和数据下载和烧录。

其中，总线提供至少一个规格的基准电源，或者，模块化基板设有能提供用于连接具备至少一个规格的基准电源的电源适配器的接口；模块化基板还包括与板间连接器3和接口模块6连接的通用电源转换模块4，通用电源转换模块4至少包括去耦电路、滤波电路，用于对基准电源进行去耦处理以及滤波器处理。

为了满足功能板可能需求的多种规格的电源，另外，除了基准规格的供电，往往还需要其他一些常用的电源需求，例如-5V等。通用电源转换模块4还包括电压转换电路，电压转换电路为DC-DC转换电路，用于将基准电源进一步转换为其他规格的扩充电源。例如：PXI总线提供了四种基准电源形式：+12V、-12V、+5V和+3.3V，通用电源转换模块4首先对这些电源进行规范要求的各种去耦处理以及滤波器处理等，然后将其中供电功率较大的例如+5V，进一步经过DC-DC变换，得到更多种类的电源，例如-5V。

图1中，模块化基板还包括与板间连接器3连接的同步管理模块5，同步管理模块5包括电平转换电路、静电防护电路、过压隔离电路或过流隔离电路，用于实现模块化基板与外部设备连接的I/O接口7的信号防护和转换，并将转换后的I/O接口7的信号通过板间连接器3传送至功能板。这里的I/O接口7的信号包括触发输入信号、触发输出信号、光标信号、事件同步信号中的任一种。

在本实施例中，接口模块6为PXI接口、USB接口、GPIB接口、LAN接口、PCI接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、光模块中的至少一种。在上述接口中，对于电源适配，除PXI总线之外的其他接口总线，因总线不带电源或电源功率不够，可酌情设置电源适配器来提供更大功率的基准电源，这里不再详述。

本实施例提供了一种模块化仪器基板作为模块化仪器的母板平台，提供了通用的总线驱动模块、板间通信模块、板间连接器、通用电源转换模块、同步管理模块实现对于不同功能模块的电气连接、供电支持，以及通信管理以及同步信号收发管理，在模块化设计思想的基础上进一步实现了公共功能的模块化基板，同一模块化基板可适配于不同的功能板，在更底层级上实现了模块化设计，节省了仪器设计和使用成本。

相应的，本实施例还提供一种包括上述的模块化基板的模块化仪器，该模块化仪器组合多个功能板和模块化基板对输入的信号进行测试或输出测试信号。如图2所示，一个功能板11通过板间连接器连接配置一个模块化基板10即形成一个功能模块，能实现对特定功能的测试和测试信号输出。

该模块化仪器通过模块化基板10加功能板11的结构，将模块化的设计思路贯彻得更彻底，实现了更底层级的功能复用，提供了更高的可扩展性，例如当功能模块需要其他控制总线，而不是PXI总线的时候，只需要对模块化基板的接口模块、总线驱动模块进行局部重新设计就可以实现，而无需对作为核心部件的功能板做重复性设计，例如需要USB或者LXI总线的功能模块。

同时，在该模块化仪器中，由于采用了模块化基板10加功能板11的双电路板设计，在模块化基板10和功能板11的相应的区域设置有接口区域，且模块化基板10和功能板11可以以平行面的方式设置，因此功能模块的I/O接口7变成两列，均匀的分布在前面板的两侧，模块化基板10和功能板11之间的连接线可以以与面平行的方式设置，不仅便于识别和连接，布局也更合理和美观，即使面对高频功能板设计时也能轻松的实现两面屏蔽腔设计。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化基板，能与功能板适配，其特征在于，包括总线驱动模块、板间通信模块和板间连接器，其中：

所述总线驱动模块，与接口模块和所述板间通信模块连接，用于实现与所述接口模块连接的总线的驱动和协议翻译，并基于接口协议实现与系统控制器之间的通信；

所述板间通信模块，与所述板间连接器连接，用于实现所述模块化基板与所述功能板之间的通信，实现对所述功能板的配置，获取所述功能板的状态或数据；以及，触发所述总线驱动模块将所述功能板的状态或数据发送给系统控制器；

所述板间连接器，能与所述功能板连接，用于提供所述模块化基板与所述功能板之间的电气连接。

2.根据权利要求1所述的模块化基板，其特征在于，所述总线驱动模块中，所述总线驱动模块包括多个寄存器，对总线的驱动和协议翻译功能为对总线的驱动以及解析和控制总线的时序，其中：

所述总线驱动模块将从总线上获取的控制指令缓冲在寄存器指令中，并触发所述板间通信模块，实现寄存器指令到所述板间通信模块的转换；

以及，所述总线驱动模块将所述功能板的状态数据基于总线协议，发送给系统控制器。

3.根据权利要求2所述的模块化基板，其特征在于，所述板间通信模块，用于将来自所述总线驱动模块的寄存器指令翻译成板间通信协议的格式，发送给所述功能板，实现对所述功能板的配置；以及，将来自所述功能板的状态或数据进行解析，并转换成寄存器状态数据，并触发所述总线驱动模块。

4.根据权利要求3所述的模块化基板，其特征在于，所述板间连接器包括电源和地信号的连接线、所述模块化基板到所述功能板的下行通信信号线、所述功能板到所述模块化基板的上行通信信号线、板间时钟信号线、JTAG信号线、所述模块化基板到所述功能板的触发信号线、所述功能板到所述模块化基板的同步信号线中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的模块化基板，其特征在于，所述总线提供至少一个规格的基准电源，或者，所述模块化基板设有能提供用于连接具备至少一个规格的基准电源的电源适配器的接口；所述模块化基板还包括与所述板间连接器和接口模块连接的通用电源转换模块，所述通用电源转换模块至少包括去耦电路、滤波电路，用于对所述基准电源进行去耦处理以及滤波器处理。

6.根据权利要求5所述的模块化基板，其特征在于，所述通用电源转换模块还包括电压转换电路，所述电压转换电路为DC-DC转换电路，用于将所述基准电源进一步转换为其他规格的扩充电源。

7.根据权利要求1所述的模块化基板，其特征在于，所述模块化基板还包括与板间连接器连接的同步管理模块，所述同步管理模块包括电平转换电路、静电防护电路、过压隔离电路或过流隔离电路，用于实现所述模块化基板与外部设备连接的I/O接口的信号防护和转换，并将转换后的I/O接口的信号通过所述板间连接器传送至所述功能板。

8.根据权利要求7所述的模块化基板，其特征在于，所述I/O接口的信号包括触发输入信号、触发输出信号、光标信号、事件同步信号中的任一种。

9.根据权利要求1-8任一项所述的模块化基板，其特征在于，所述接口模块为PXI接口、USB接口、GPIB接口、LAN接口、PCI接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、光模块中的至少一种。

10.一种模块化仪器，组合多个功能板对输入的信号进行测试或输出测试信号，其特征在于，还包括权利要求1-9任一项所述的模块化基板。