CN111965447B - 一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统包括N个功能测试模块、接口管理模块、上位机，接口管理模块设置有N个通用功能接口和一个标准总线通讯接口，N个功能测试模块分别通过一个通用功能接口与接口管理模块连接，接口管理模块通过标准总线通讯接口和上位机连接，接口管理模块作为功能测试模块与上位机之间控制信号和数据的中转。采用本发明可以实现硬件可组态，从而大大减少了模拟信号综合测试系统的空间占用度，使得测试人员更加方便的对各个测量仪器的参数进行设置以及对测试结果的收集与整理，极大的提高了测试系统的便携性、灵活性以及对测试环境的适应性，同时还可以提高测试系统的测试效率。

Description

一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统

技术领域

本发明属于模拟信号测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统。

背景技术

近几年来电子测量仪器被广泛应用于社会生产、航天航空测试、武器装备测试等各项环节，其具有测量速度快、精度高的优点，不仅涉及经济、生活，同时也在工程、科研、生产等多个领域有所成就。目前电子测量仪器的发展十分迅速，尤其在网络信息技术快速发展的背景下，渐渐的面向硬件可组态化、多功能化和数字化方向发展。由于集成电路的快速发展，电子测量仪器的体积及功耗在逐渐的减小，以适应更多的应用场景和测试场地。这推动了电子测量仪器面向小型化高集成的发展趋势，为新技术及方法在测量仪器中的应用奠定了坚实基础。

在电子测量的应用中各类参数测量分别需要不同的专用测量仪器，而且需要测试的参数数量非常庞大。传统的测试仪器虽然种类繁多，但基本都是由数据采集分析、人机交互等主要部分组成，且功能单一，没有拓展性，技术指标固定，仪器之间的交互性较差，导致其使用效率和二次开发的效率低，且大型复杂测试设备的研制成本极其昂贵。兼之传统仪器没有统一规范的定制标准，功能单一缺乏通用性，不能覆盖多种测试条件和环境，在某些特殊环境条件下还需单独研制专用测量设备，这造成了极大的资源浪费。大型的测试系统是由多台测试仪器组成的联合测试系统虽然能完成某些复杂极端测试任务，但由于数据交互速度慢，同时因为其体积庞大缺乏便携性和灵活性并不适用于现场快速移动测试。随着电子测量仪器和设备的复杂程度的增加，功能单一的传统测试设备测试范围有限且测试能力的严重不足，无法满足现代化多任务多目标的联合测试的功能需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统，在单一系统中硬件组态多种测量仪器功能，提高了模拟信号测试系统的便携性、灵活性以及对测试环境的适应性。

为实现上述发明目的，本发明硬件可组态的模拟信号综合测试系统包括N个功能测试模块、接口管理模块、上位机，接口管理模块设置有N个通用功能接口和一个标准总线通讯接口，N个功能测试模块分别通过一个通用功能接口与接口管理模块连接，接口管理模块通过标准总线通讯接口和上位机连接，其中：

每个功能测试模块通过接口管理模块接收上位机发送的功能测试参数，据此对输入的模拟信号进行测试，将测试结果输出至接口管理模块；

接口管理模块接收来自上位机的功能测试参数并转发至对应的功能测试模块，接收来自功能测试模块的测试结果并转发至上位机；

上位机将用户设置的功能测试参数发送给接口管理模块，从接口管理模块接收各个功能测试模块的测试结果，进行后续处理与分析。

本发明硬件可组态的模拟信号综合测试系统包括N个功能测试模块、接口管理模块、上位机，接口管理模块设置有N个通用功能接口和一个标准总线通讯接口，N个功能测试模块分别通过一个通用功能接口与接口管理模块连接，接口管理模块通过标准总线通讯接口和上位机连接，接口管理模块作为功能测试模块与上位机之间控制信号和数据的中转。采用本发明可以实现硬件可组态，即将传统的多个单独测量仪器组态至一个系统之中，从而大大减少了模拟信号综合测试系统的空间占用度，使得测试人员更加方便的对各个测量仪器的参数进行设置以及对测试结果的收集与整理，极大的提高了测试系统的便携性、灵活性以及对测试环境的适应性，同时还可以提高测试系统的测试效率。

附图说明

图1是本发明硬件可组态的模拟信号综合测试系统的结构图；

图2是本实施例中功能测试模块和接口管理模块的具体实施方式结构图；

图3是本实施例中数字示波器的结构图；

图4是本实施例中数字万用表的结构图；

图5是本实施例中多功能模拟信号测试模块的结构图；

图6是本实施例中单刀双掷继电器开关示意图；

图7是本实施例中8通道数字化仪的结构图；

图8是本实施例中8通道频率计的结构图；

图9是本实施例中8通道任意波发生器的结构图；

图10是本实施例中VXI接口管理模块的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明硬件可组态的模拟信号综合测试系统的结构图。如图1所示，本发明硬件可组态的模拟信号综合测试系统包括N个功能测试模块、接口管理模块、上位机，其中：N个功能测试模块、接口管理模块、上位机，接口管理模块设置有N个通用功能接口和一个标准总线通讯接口，N个功能测试模块分别通过一个通用功能接口与接口管理模块连接，接口管理模块通过标准总线通讯接口和上位机连接，其中：

每个功能测试模块通过接口管理模块接收上位机发送的功能测试参数，据此对输入的模拟信号进行测试，将测试结果输出至接口管理模块；

接口管理模块接收来自上位机的功能测试参数并转发至对应的功能测试模块，接收来自功能测试模块的测试结果并转发至上位机；

上位机将用户设置的功能测试参数发送给接口管理模块，从接口管理模块接收各个功能测试模块的测试结果，进行后续处理与分析。

图2是本实施例中功能测试模块和接口管理模块的具体实施方式结构图。如图2所示，在本实施例中，功能测试模块配置有3种模块，分别是数字示波器模块、数字万用表模块、多功能模拟信号测试模块，接口管理模块为VXI接口管理模块。

数字示波器用于对输入的模拟信号进行数据采集和波形显示。图3是本实施例中数字示波器的结构图。如图3所示，本实施例中数字示波器主要包括模块信号调理模块、数据采集处理与深存储模块、触发模块三个子模块，其中模拟信号调理模块主要由交直流耦合、衰减网络、阻抗变换网络、VGA可变增益放大以及单端转差分驱动模块组成；数据采集处理与深存储模块主要由高速ADC、时钟电路、FPGA、存储器组成；触发模块主要由通道触发电路、软件触发命令以及VXI背板触发源组成。该数字示波器共有两个通道，每个通道有两路可选择输入，先通过前端宽带信号调理模块进行调理，转成差分信号后进入ADC进行采样，FPGA完成对ADC输出信号的IDDR降速接收，数据处理，同时FPGA通过挂载两片DDR3 SDRAM完成对高速大容量采样数据的实时存储，触发模块负责完成触发的产生与控制。此外，数字示波器还具有外部触发输入和外部时钟输入，也可以将触发信号连接到外部触发器，从而将信号捕获与其他功能测试模块的测试事件同步。

数字万用表模块用于实现对交流和直流电流的测量、交流和直流电压的测量以及电阻阻值的测量。图4是本实施例中数字万用表的结构图。如图4所示，本实施例数字万用表可以划分为信号输入保护模块、I/U转换网络、欧姆电流源、交流有效值转换、放大衰减网络、模数隔离模块、FPGA控制逻辑、电源模块、EEPROM单元九个部分。输入信号首先经过输入保护电路进行静电保护和信号超量程保护，然后信号进入功能切换电路将所有待测量都转化为直流电压的测量。其中，直流电流信号通过采样电阻转换为直流电压；交流电压信号进入有效值转换电路，通过有效值转换器将交流电压转换为直流电压；交流电流信号通过采样电阻转换为交流电压，再经过有效值转换电路转换为直流电压信号；而电阻的测量，采用比例测电阻法，通过高精度基准电压和高精度电阻提供的欧姆激励电流，进行电阻测量；交流电压经过整形电路后，进入FPGA进行频率测量。待测量转化为直流电压之后，便可经过放大衰减电路，进行幅度调理，使得信号幅度尽量满幅进入ADC采样，因而保证测量精度。待测信号转化为数字信号之后，便可以输入FPGA进行数据处理。配置数字万用表模块可以增加模拟信号综合测试系统的综合性能，提高应用环境适应性。

多功能模拟信号测试模块配置有三种功能子模块，包括数字化仪、频率计和任意波发生器。多功能模拟信号测试模块可以对多通道的模拟信号进行采集、测频以及产生正弦波、方波、三角波、调制波以及任意波等函数波形。

图5是本实施例中多功能模拟信号测试模块的结构图。如图5所示，本实施例中多功能模块信号测试模块包括8个可独立配置的通道、功能选择模块、8通道数字化仪、8通道频率计和8通道任意波发生器，可以根据使用需求的不同可以将8个通道分别任意配置为数字化仪、频率计和任意波发生器三种功能子模块中的一种，具体实现方式如下：

每个通道分别连接功能选择模块，功能选择模块为三种功能子模块8通道数字化仪、8通道频率计分别设置8路输入通道，为8通道任意波发生器设置8路输出通道。当用户通过上位机设置第i路通道所对应的功能时，i＝1,2,…,8，则控制功能选择模块将该通道与对应功能子模块的其中1路输入通道或输出通道连接。如果该通道设置的是数字化仪或频率计功能，则输入信号由该通道进入数字化仪或频率计通道中进行幅度控制及采样，并处理得到的信号上传至上位机，如果该通道设置的是任意波发生器功能，则由上位机发送相关波形参数到至任意波形发生器，生成波形信号后由该路通道进行输出。

上位机在功能选择模块设置好后，再通过以下三个步骤进行功能配置：

(1)逻辑分段功能使能；

上位机根据用户选择的功能在可编辑逻辑器件中对对应功能子模块的数字逻辑进行使能，令其他两个功能的数字逻辑处于复位状态。例如如果选择的是通道1的任意波发生器功能，则使能任意波发生器的数字逻辑，数字化仪和频率计的数字逻辑处于复位状态。

(2)硬件功能电路掉电：

上位机将所选择功能子模块的硬件电路启动，令其他两个功能子模块的硬件电路处理掉电状态。这样可以有效降低模块在非工作状态下的功耗。

(3)功能界面重置：

上位机将上位机中的多功能模拟信号测试模块功能界面重新配置为所设置功能子模块的功能界面，以便用户使用。

本实施例中功能选择模块采用8个单刀双掷继电器开关实现，每个单刀双掷继电器对应一个通道。图6是本实施例中单刀双掷继电器开关示意图。如图6所示，本实施例中每个单刀双掷继电器开关的两个触点中的一个触点P1连接数字化仪和频率计的输入通道，另一个触点P2连接任意波形发生器的输出通道。当用户通过上位机设置第i路通道所对应的功能时，上位机控制该通道对应的单刀双掷继电器连接对应功能子模块的输入通道或输出通道。可见，当继电器切换到P1时模块则选择至数字化仪或频率计的功能，当继电器切换至P2时，模块则选择任意波发生器的功能。

图7是本实施例中8通道数字化仪的结构图。如图7所示，本实施例中8通道数字化仪包括三个部分：通道调理模块、数据采集与信号处理模块和触发模块，信号调理通道主要完成对数字化仪输入信号的不同档位粗衰减、高低阻抗选择、交直流耦合选择、阻抗变换、可变增益放大、单端转差分等功能。可变增益放大器会根据用不同的档位将输入信号幅度调整为后续ADC要求的输入范围。数据采集与信号处理模块主要完成将通道调理模块输出的模拟信号量化为数字信号并对数字信号进行预处理存储工作，同时将数字信号在不同存储深度下的存储以及传输工作。触发模块主要将通道输入信号转换为方波信号以及外触发信号进行调理转换为方波信号用作数据采集与信号处理模块的触发功能。

图8是本实施例中8通道频率计的结构图。如图8所示，本实施例中8通道频率计包括通道调理模块和参数计算模块。信号调理通道主要完成对数字化仪输入信号的不同档位粗衰减、高低阻抗选择、交直流耦合选择、阻抗变换、电平比较等功能。而且会根据用不同的档位将输入信号幅度调整为后续比较器要求的输入范围内。参数计算模块主要完成对8个通道的输入信号进行频率、周期和脉冲宽度、占空比、上升/下降时间、单通道时间间隔、双通道相位参数、计数事件的计算。同时将每个通道计算后的参数值存储至FPGA的RAM中，最终在上位机的控制下进行数据上传与显示。

为了简化硬件电路，本实施例中数字化仪的信号调理通道与频率计的信号调理通道的硬件电路为共用，这样不仅简化了模块的体积大小，还减小了布局布线的难度，节省了模块的使用功耗。

图9是本实施例中8通道任意波发生器的结构图。如图9所示，本实施例中8通道任意波发生器包括波形产生与存储模块、调制模块、波形幅度控制电路。波形产生与存储模块主要完成上位机对一个周期的波形数据存储以及波形信号的生成与输出工作。调制模块主要产生各种用户所需要的调制信号，例如AM调制、FM调制以及FSK调制。调制模块主要在FPGA内部实现，通过对载波DDS与调制DDS输出的波形进行运算并输出调制信号。波形幅度控制电路主要是对数模转换器输出的信号进行幅度控制，以此来满足用户所设定的信号输出幅度。

本实施例中接口管理模块采用VXI接口管理模块，其中通用功能接口采用自定义同步通信总线协议，标准总线通讯接口采用标准的VXI总线通信协议，即为VXI总线接口。图10是本实施例中VXI接口管理模块的结构图。如图10所示，本实施例中VXI接口管理模块包括FPGA、VXI总线接口、4个自定义的通用功能接口、电源管理模块。FPGA是接口管理模块的控制和处理核心，上位机和各个功能测试模块的控制信号与数据信号均由VXI接口管理模块的FPGA进行交互控制，通过对VXI总线接口的基地址进行译码以及必要的寄存器配置，将该模块配置为寄存器基的VXI模块设备，同时通过配置VXI总线的A32地址空间使能寄存器以及特定的地址偏移量寄存器在VXI总线的A32地址空间下拓展出一块通用寄存器存储空间，可以通过对该地址空间的合理分配实现对各个模块的独立控制，同时在FPGA内部还实现了VXI通信总线所用到的VXI器件地址译码、基本配置寄存器组、中断电路、模块识别、触发电路和复位电路等确保模块符合VXI总线规范。本实施例中的功能测试模块，即数字示波器模块、数字万用表模块、多功能模拟信号测试模块的控制信号均由接口管理模块上的FPGA发送，并采用自定义同步通信总线和地址译码的方式来进行数据的发送和上传。4个通用功能接口中，数字示波器模块、数字万用表模块分别占用一个，多功能模拟信号测试模块占用2个。

VXI接口管理模块在对功能测试模块进行控制时，在拓展地址空间下可以得到16根通用地址线和16根通用数据线，通过把高2位地址线作为片选信号可以将剩余的14根地址线和16根数据线分配给后级设备，同时各个模块的读写信号以及片选信号的产生是通过上位机发送的读写信号和该时刻发送的地址决定的，通过判断高两位地址决定此读写信号所对应的功能测试模块，确保各个功能测试模块的数据总线分时复用不会出现冲突，即在某一时刻只会有一个设备收到读写片选有效以及读写使能信号。在这种工作模式下，由于寄存器基模式下总线读写速度很快，因此可实现上位机可以同时操作多个设备而不会出现总线冲突以及数据传输过慢的现象。

本实施例中VXI接口管理模块还负责三个功能测试模块的电源供给与分配，每个功能测试模块的接口均采用相同功率的电源分配方式。数字示波器和数字万用表分别占用一个设备供电/通信接口，多功能模拟信号测试模块由于功耗较大则占用两个设备接口。

本实施例的中的接口管理模块仅介绍了基于VXI总线的接口按理模块，该方法也同样适用于其他协议的标准总线，例如PCIE、PXIE、CPCI等。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统，其特征在于包括N个功能测试模块、接口管理模块、上位机，接口管理模块设置有N个通用功能接口和一个标准总线通讯接口，N个功能测试模块分别通过一个通用功能接口与接口管理模块连接，接口管理模块通过标准总线通讯接口和上位机连接，其中：

每个功能测试模块通过接口管理模块接收上位机发送的功能测试参数，据此对输入的模拟信号进行测试，将测试结果输出至接口管理模块；功能测试模块包括数字示波器模块、数字万用表模块和多功能模拟信号测试模块，其中多功能模拟信号测试模块包括8个可独立配置的通道、功能选择模块、8通道数字化仪、8通道频率计和8通道任意波发生器，每个通道分别连接功能选择模块，功能选择模块为8通道数字化仪、8通道频率计分别设置8路输入通道，为8通道任意波发生器设置8路输出通道；当用户通过上位机设置第i路通道所对应的功能时，i＝1,2,…,8，则控制功能选择模块将该通道与对应功能子模块的其中1路输入通道或输出通道连接，如果该通道设置的是数字化仪或频率计功能，则输入信号由该通道进入数字化仪或频率计通道中进行幅度控制及采样，并处理得到的信号上传至上位机，如果该通道设置的是任意波发生器功能，则由上位机发送相关波形参数到至任意波形发生器，生成波形信号后由该路通道进行输出；

在功能选择模块设置好后，上位机根据用户选择的功能在可编辑逻辑器件中对对应功能子模块的数字逻辑进行使能，令其他两个功能的数字逻辑处于复位状态；上位机将所选择功能子模块的硬件电路启动，令其他两个功能子模块的硬件电路处理掉电状态；上位机将上位机中的多功能模拟信号测试模块功能界面重新配置为所设置功能子模块的功能界面；

接口管理模块接收来自上位机的功能测试参数并转发至对应的功能测试模块，接收来自功能测试模块的测试结果并转发至上位机；

上位机将用户设置的功能测试参数发送给接口管理模块，从接口管理模块接收各个功能测试模块的测试结果，进行后续处理与分析。

2.根据权利要求1所述的信号综合测试系统，其特征在于，所述的功能选择模块采用8个单刀双掷继电器开关实现，每个单刀双掷继电器对应一个通道，每个单刀双掷继电器开关的两个触点中的一个触点P1连接数字化仪和频率计的输入通道，另一个触点P2连接任意波形发生器的输出通道；当用户通过上位机设置第i路通道所对应的功能时，上位机控制该通道对应的单刀双掷继电器连接对应功能子模块的输入通道或输出通道。

3.根据权利要求1所述的模拟信号综合测试系统，其特征在于，所述接口管理模块采用VXI接口管理模块，其中通用功能接口采用自定义同步通信总线协议，标准总线通讯接口采用标准的VXI总线通信协议。

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