CN113533838A - 一种基于fpga的线束综合测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线束测试技术领域，具体涉及一种基于FPGA的线束综合测试系统及方法；将DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目；将电压采样模块、电流采样模块与FPGA相连，由FPGA调节量程，用于所有测试项目；在交流项目测试的时候，4路锁相放大器和4路积分型模数转换器同步并行工作，直流项目测试的时候，2路积分型模数转换器同步并行工作；FPGA读取ADC的转换结果，由内部DSP软核进行运算，并最终得出测试结果，与传统方案相比，功能强大，电路集成度高，体积减小，重量减轻，4路并行检测，测试速度快。
Description
技术领域
本发明涉及线束测试技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的线束综合测试系统及方法。
背景技术
线束测试系统通常分成测试主机箱和开关阵列箱。在用于船舶、列车、飞机等领域的线束、线缆测试时，测试主机箱与开关阵列箱通常情况下会相隔一段距离，测试主机箱与开关阵列箱之间通过电缆进行连接。
传统的线束综合测试系统采用的方式是将各种功能的仪器仪表通过通讯总线和电脑连接，来实现各项测试功能，这种方式，虽然有测试功能强大，配置灵活的优势，但是体积过大，重量过重，成本过高的缺点，不利于设备的便携。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的线束综合测试系统及方法，旨在解决现有技术中线束综合测试系统体积过大，重量过重，成本过高的缺点，不利于设备的便携的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的线束综合测试系方法，
将DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目；
将电压采样模块、电流采样模块与FPGA相连，由FPGA调节量程，用于所有测试项目；
在交流项目测试的时候，4路锁相放大器和4路积分型模数转换器同步并行工作，直流项目测试的时候，2路积分型模数转换器同步并行工作；
FPGA读取ADC的转换结果，由内部DSP软核进行运算，并最终得出测试结果。
其中，在DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目的步骤中：
DDS由FPGA和一个双路的12位双极性DAC以及数字滤波器组成。
其中，在DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目的步骤中：
所述高压信号源是由功放A2、高压变压器T1、高压继电器K1和K2、整流二极管D1、滤波电容C3、源内阻R2组成。
其中，在将电压采样模块、电流采样模块与FPGA相连，由FPGA调节量程，用于所有测试项目的步骤中：
所述电压采样模块由可编程增益放大器PGA1构成，测试信号施加在被测物Rx上后，FPGA根据不同的信号幅度，控制可变增益放大器PGA1的输出幅度。
本发明还提供一种采用上述所述的基于FPGA的线束综合测试方法的测试系统，所述基于FPGA的线束综合测试系统包括主机、测试总线、通讯总线和从机，所述测试总线和所述通讯总线分别与所述主机电性连接，所述从机的数量为多个，每个所述从机分别与所述试总线和所述通讯总线电性连接。
本发明的一种基于FPGA的线束综合测试系统及方法，通过上述方法，实现了信号源的共用、电压测量模块的共用、电流测量模块的共用、AD转换模块的共用，同时还实现了4路数字化的锁相放大器PDC1～PDC4和4路积分型数模转换器ADC1～ADC4，进行同步并行检测，缩短了测试时间，通过信号源的数字化、锁相放大器的数字化、ADC的数字化，减小了整个系统的物理尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种基于FPGA的线束综合测试方法的电路示意图。
图2是本发明提供的图1中数字波形发生器DDS的电路示意图。
图3是本发明提供的图1中锁相放大器PDC1～PDC4的电路示意图。
图4是本发明提供的图1中积分型模数转换器ADC1～ADC4的电路示意图。
图5是本发明提供的一种基于FPGA的线束综合测试方法的步骤流程图。
图6是本发明提供的一种基于FPGA的线束综合测试系统的结构示意图。
图7是本发明提供的主机与从机之间的连接关系图。
图8是本发明提供的从机与从机之间的连接关系图。
图9是本发明提供的主机与从机之间的SCTP协议链接图。
具体实施方式
请参阅图1至图5，本发明提供一种基于FPGA的线束综合测试系方法；
S1:将DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目；
S2:将电压采样模块、电流采样模块与FPGA相连，由FPGA调节量程，用于所有测试项目；
S3:在交流项目测试的时候，4路锁相放大器和4路积分型模数转换器同步并行工作，直流项目测试的时候，2路积分型模数转换器同步并行工作；
S4:FPGA读取ADC的转换结果，由内部DSP软核进行运算，并最终得出测试结果。
在本实施方式中，信号由DDS产生，DDS由FPGA和一个双路的12位双极性DAC以及数字滤波器组成。DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块，和低压信号源模块。高压信号源和低压信号源通过K3继电器连接被测物Rx。被测物两端和电压测试模块并联，并和电流测量模块串联。电压测量模块和锁相放大模块中的PDC1和PDC2经过继电器K4和电容C1相连。电流测量模块和锁相放大模块中的PDC3和PDC4经过继电器K5和电容C2相连。PDC1、PDC3直接分别和ADC模块中的ADC1和ADC3相连。ADC2通过继电器K7和PDC2、电压测量模块输出相连。ADC4通过继电器K8和PDC4、电流测量模块输出相连。FPGA和锁相放大模块相连，控制锁相放大的参考信号的频率和相位。FPGA和电压测量模块相连，控制PGA1放大器的增益。FPGA和电流测量模块相连，选择不同的电流增益。FPGA分别和ADC模块相连，FPGA的ADC逻辑控制ADC的积分转换工作。FPGA读取ADC1～ADC4的转换结果后由内部DSP软核进行运算处理。
其中在步骤S1中：FPGA控制双路12位DAC中的一路，产生可调电压。可调电压给另外一路12位的DAC作为基准，同时FPGA将波形代码给双极性DAC转换器，产生幅度可程控的数字合成波形。产生的数字合成波形叠加有高频杂波信号。FPGA通过控制数字电位器来调节滤波器的截止频率，从而滤除高频杂波信号。DDS模块可以根据用户要求输出不同频率和幅度的交流信号或直流信号，该信号提供给高压信号源以及低压信号源作基准信号用。高压信号源是由功放A2、高压变压器T1、高压继电器K1和K2、整流二极管D1、滤波电容C3、源内阻R2组成。当要进行绝缘测试或直流耐压测试时候，首先K1和K2打在常开位置，K3打在常闭位置。DDS输出交流信号给功放A2，A2把信号功率放大后驱动高压变压器T1，高压变压器T1产生高压交流信号，经过D1和C3的整流后形成直流高压。直流高压施加在被测物Rx上，可对其进行绝缘测试或直流耐压测试。如果需要进行交流耐压测试时，高压继电器K1、K2打在常闭位置上即可。
如果要进行LCR或直流电阻测试时，继电器K3打在常开位置上。如果是LCR测试，DDS输出交流信号给功放A1。如果进行直流电阻测试，DDS输出直流信号给功放A1
在实施步骤S2中，电压采样模块主要由可编程增益放大器PGA1构成，测试信号施加在被测物Rx上后，FPGA根据不同的信号幅度，控制可变增益放大器PGA1的输出幅度。如果是交流测试(交流耐压或LCR)，PGA1输出信号经PDC1、PDC2经过锁相放大，FPGA的PDC逻辑控制PDC1进行同频率0°相位的信号放大，PDC2进行90°相位放大。
信号源由DDS模块产生，如图2所示。DDS由FPGA中的PLL、分频器、波形RAM、数模转换器DAC1、DAC2、和滤波电路组成。FPGA中的DSP将波形文件数据存写入波形RAM中，由FPGA中的PLL产生高频时钟，再由分频器进行分频后产生相位时钟，相位时钟的节拍下取出RAM中的值，输出给其中一路12位双极性DAC1，另外一路DAC2产生的可调电压输入作为DAC1的基准输入，用以调节其波形的幅度。如果是交流信号，继电器K9打在常开位置。信号经过隔直电容C7。如果直流信号，K9打在常闭位置。信号不经过隔直电容C7。最后信号经过R7、R8、C5、C6组成的滤波器后作为信号基准。
在实施步骤S3中，在交流项目(交流耐压或LCR)测试的时候，4路PDC和4路ADC同步并行工作。直流项目(直流导通、直流耐压、绝缘)测试的时候，2路ADC同步并行工作。
在实施步骤S4中，在进行LCR测试时，正弦信号通过功放A3和源内阻R1激励被测物。电压采样模块采样被测物两端的电压，将电压信号经过继电器选择后，将信号K7输出给锁相放大器。锁相放大器的电路如图3所示，模拟开关K10、反向器(由运放OP3、电阻R7、R8组成，R7等于R8)、跟随器(运放OP2)组成。K10的控制信号的相位由FPGA内部的DSP控制，输出频率由分频器产生。产生0°、90°相位的控制信号来控制模拟开关K10。将被测信号和数字信号进行乘法运算；
被检电压信号，时域函数可表示为：ux＝Acos(2πft+α)；
被检电流信号，时域函数可表示为：ix＝Bcos(2πft+β)；
A：电压信号幅度；B：电流信号幅度；f：信号频率；t：时间；α：电压信号的相位角；β：电流信号的相位角；
电压信号矢量表示法：ux＝A[cos(α)+jsin(α)]；
电流信号矢量表示法：ix＝B[cos(β)+jsin(β)]；
被测阻抗表示方法：zx＝ux/ix；
PDC1、PDC3采用0°锁相信号，时域函数u0＝2Cos(2πft+00)：
PDC2、PD4采用90°锁相信号，时域函数：u90＝2Cos(2πft+900)；
锁相放大的过程是，两个相同频率的信号相乘的过程。
锁相放大器PDC1输出：
ux×u0＝A[cos(α)+cos(4πft+α)]
锁相放大器PDC2放大输出：
ux×u90＝A[cos(α+90°)+cos(4πft+α)]
锁相放大器PDC3输出：
ix×u0＝B[cos(β)+cos(4πft+β)]
锁相放大器PDC4放大输出：
ix×u90＝B[cos(β+90°)+cos(4πft+β)]
积分型ADC由运放op5、比较器op4，积分电容C7、开关K11、K12、K13等组成。在待机时，K14闭合，K13、K12、K11打开。当开始积分时，K14打开，K13闭合，对被测信号进行积分。如果比较器op4输出高，则K12闭合、K11打开进行反向充电，同时FPGA进行反向充电计数。积分器开始反向充电至op4输出低时，K12打开、K12闭合进行正向充电，同时FPGA进行计数。这个过程反复直至积分时间结束。积分时间结束后，K13打开，FPGA判断op4的当前输出后对积分器继续充电，直至op4再次发生反向跳变。此时，整个AD转换结束。此时积分器总的电荷输出为零，根据电荷平衡公式：
T1:被测信号积分时间；
T2：积分器反向充电时间；
T3：积分器正向充电时间；
Vref：基准电压；
Vx：被测电压；
当FPGA内部计数器以频率fc进行计数时：
n1：是积分设置计数；
n2：是反向充电计数；
n3：是正向充电计数；
当R11＝R9＝R10时，有以下公式：
Vref和n1是固定值，可以看作常数。计数器采用16位计数器，这样ADC的分辨率可以达到16位。
当积分型ADC在积分周期设置为：
可以在模数转换的同时把交流成份滤除掉。PDC1进ADC1的有效电压值为、PDC2进ADC2的有效电压值为-Asin(α)。
ADC1、ADC2、ADC3、ADC4的转换结果分别为CodeADC1、CodeADC2、CodeADC3、CodeADC4。
ux＝CodeADC1-j×CodeADC2；
ix＝CodeADC3-j×CodeADC4；
通过公式zx＝ux/ix就能计算出被测阻抗的矢量。
通过简单的转换运算，可以得出等效电阻、电容、电感、相位角、电抗等参数。
直流阻抗测试中，直流电压信号为Ux；直流电流信号Ix。所以无需进锁相放大器。由K7和K8直接切入ADC2和ADC4，可得Ux＝CodeADC2，Ix＝CodeADC4；
R＝Ux/Ix；经过FPGA内部DSP软核进行运算，直接计算出用户所需要的交直流电压、交直流电流，以及交直流阻抗等信息，ADC1～ADC4积分时间由FPGA设置统一设置成测试信号周期的整数倍，并由FPGA进行同步转换，所以理论上仅仅需要只一个测试波形的周期时间就可以完成一次测试。例如，在100Hz的测试信号下，可将ADC的积分周期设置成10mS，只需10mS就能测得出阻抗结果，测速度达到了每秒100次。如果考虑到对工频干扰起到比较好的抑制作用，在进行交直流项目的测试时候，可以将积分时间设置成20mS，测速度在每秒50次的同时，测试稳定性可以提高很多
请参阅图6至图9，本发明还提供一种采用上述所述的基于FPGA的线束综合测试方法的测试系统，所述基于FPGA的线束综合测试系统包括主机、测试总线、通讯总线和从机，所述测试总线和所述通讯总线分别与所述主机电性连接，所述从机的数量为多个，每个所述从机分别与所述试总线和所述通讯总线电性连接。
在本实施方式中，所述主机括含测量卡、通讯卡和通道卡。测量卡用于进行LCR测量、低电阻测量、绝缘电阻测量、直流耐压测量、交流耐压测量、二极管耐压测量和导通测量；通讯卡用于测量数据和控制数据的传输；通道卡用于切换测试通道；所述从机包括通讯卡和通道卡；
图6所示的是基于SCTP的分布式线束测试系统的实例接线示意图，导通测量由通道卡完成，测试速度快，数据量大，其他LCR测量，低电阻测量，绝缘电阻测量，直流耐压测量，交流耐压测量，二极管耐压测量等由主机的测量卡完成，通讯卡只负责通道切换；
导通测量时，主机通过IP1发送点位控制信息，从机收到控制信息后，同步切换通道，开始导通测试，测试完成后，从机通过IP2发送测量数据结果。主机汇总所有的通道卡的测试结果，得出被测件哪些点位导通。
其他测量时，主机通过IP1发送点位控制信息，从机收到控制信息后，切换通道，切换完成后，主机测量卡启动测试，测出被测件所要测量的结果，测试完成后，进行下一项测试，直到所有设置的测试项目结束。
图7和图8所示的是主机与从机，从机与从机之间的实际线缆连接情况。线缆从主机端开始连接，主机只有1个输出口，从机包含一个输入口和1个输出口，输入口用于连接上一个主机或从机的输出，输出用于下一个从机的输入，如果是最后一个从机则不需要连接输出线。
101是网线，用于SCTP数据传输。
102是测试线，用于测量信号的传输，包含了两根采样测试线，两根驱动测试线和屏蔽线。
103是电源线，用于测试主机和从机的供电。
图9所示的是主机与从机之间的SCTP偶连
配置SCTP偶联的主机和从机的端口号及实际IP地址，在偶联中配置了两个IP地址，来分别传输控制数据和测试数据。偶联建立完成后主机通过IP2发送通道切换指令，从机收到控制数据后，按照主机指令完成控制后，返回确认。主机收到确认后，通过IP2发送测试控制指令，从机收到后，如果是导通测量，通道卡开始进行测试，测试完成后，通过IP1发送测量数据给主机，主机收完所有从机的测试数据后，根据相应的真值表得出哪些点位导通，本次导通测试完成。如果是其他测量，主机发送测试控制指令，主机收到后，切换好相应的通道后，返回主机确认信息。主机收到所有的从机确认后，主机的测量卡启动测试，测试完成后，测量卡把数据通过内部通讯把数据发送给主机。
上述系统采用SCTP协议来代替TCP协议，及时有效的传输测量和控制数据，提升测试速度；分布式布局，在大范围多点测量时,可以根据全机测试点的分布自由的组合排列；所述主机和所述从机都具有自学习功能(通断测试)，可以完成对整机线束分布情况的学习。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种基于FPGA的线束综合测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
将DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目；
将电压采样模块、电流采样模块与FPGA相连，由FPGA调节量程，用于所有测试项目；
在交流项目测试的时候，4路锁相放大器和4路积分型模数转换器同步并行工作，直流项目测试的时候，2路积分型模数转换器同步并行工作；
FPGA读取ADC的转换结果，由内部DSP软核进行运算，并最终得出测试结果。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的线束综合测试方法，其特征在于，在DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目的步骤中：
DDS由FPGA和一个双路的12位双极性DAC以及数字滤波器组成。
3.如权利要求2所述的一种基于FPGA的线束综合测试方法，其特征在于，在DDS产生的信号作为基准分别连接高压信号源模块和低压信号源模块，用于所有测试项目的步骤中：
所述高压信号源是由功放A2、高压变压器T1、高压继电器K1和K2、整流二极管D1、滤波电容C3、源内阻R2组成。
4.如权利要求3所述的一种基于FPGA的线束综合测试方法，其特征在于，在将电压采样模块、电流采样模块与FPGA相连，由FPGA调节量程，用于所有测试项目的步骤中：
所述电压采样模块由可编程增益放大器PGA1构成，测试信号施加在被测物Rx上后，FPGA根据不同的信号幅度，控制可变增益放大器PGA1的输出幅度。
5.采用如权利要求4所述的基于FPGA的线束综合测试方法的测试系统，其特征在于，
所述基于FPGA的线束综合测试系统包括主机、测试总线、通讯总线和从机，所述测试总线和所述通讯总线分别与所述主机电性连接，所述从机的数量为多个，每个所述从机分别与所述试总线和所述通讯总线电性连接。
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