CN117111573A - 一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法，包括伺服机构测试单元、三级工业交换机，工控一体机、伺服机构。其中伺服机构测试单元主要包含控制通讯组合、控制配电组合、二级工业交换机、可编程电源、HMI(人机交互)触摸屏，其中控制通讯组合主要包含控制通讯底板、模数转换板、数模转换板，控制配电组合主要包含控制配电底板、小电流配电板、大电流配电板，基于以上系统，本发明解决了传统便携式测试系统体积较大，成本较高，不适应规模化布局生产的问题，同时在可靠性方面通过嵌入式方案实现测试单元设计，压缩了数据交互层级，并在结构上通过CPCI架构规范满足工业控制、运输环境下的撞击和振动，可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及测试设备领域，具体为一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法。
背景技术
伺服机构是系统姿态控制的执行机构，控制计算机通过伺服机构完成俯仰、偏航和滚转三个通道的姿态控制。其执行结构产品在设计研发、调试测试、环境试验、产品出厂阶段为保证产品功能的完整性、可靠性和全面性，需要采用专用的测试设备对产品性能进行全面考核，这个过程持续到产品的整个生命周期，通过考核测试对产品进行筛选，形成产品的健康档案，实现产品性能的全寿命周期监测。
传统的测试设备多采用工控机外加测试板卡通过PCI或PCIe总线扩展实现架构，该方案在扩展性、易用性、标准化上存在优势，但在一些方面也存在不足，在结构上采用主板加扩展方式实现工控系统设计，由于本身主板、扩展板、硬盘安装位体积受限，测试系统在使用时占用较大生产空间，同时由于显示器、鼠标键盘分离配置，集成度不高，在工业现场和野外使用，较为不便；在可靠性方面，由于工控系统本身体积受限，集成度问题，且采用镀金导电触片(金手指)，长期使用插拔、运输松动会导致触片导电性能降低，容易出现板卡接触不良等生产隐患，并不具备加固计算机测试系统可完成高低温、湿热、运输试验的可靠特性，同时由于本身卡槽槽位限制，无法实现用户自定义功能开发，并且由于Windows系统本身的软件封闭性，无法实现分布式组网布局。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明既可在大范围区域场景实现分布式测试系统构建，满足规模化产线测试需要，也可在独立测试场景构建小型测试系统，满足便携式场景使用需要，具有更少的成本和更高的可靠性，更好的通用性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种面向伺服机构的分布式测试系统，包括伺服机构、伺服机构测试模块、三级工业交换机，该测试系统采用CPCI测试架构规范进行工业设计，模块采用符合仪器测试规范的锁紧机构，满足工业控制、运输环境下的撞击和振动，插入板卡通过机箱的前面板进行拆卸，伺服机构测试单元内部各模块通过二级工业交换机实时以太网总线实现互联，测试单元与工业一体机通过三级网管型交换机通过“星型”连接方式实现互联。
进一步的，所述伺服机构测试单元包含控制通讯组合、控制配电组合、可编程电源、二级工业交换机、HMI触摸屏，控制通讯组合包含控制通讯底板、模数转换、数模转换板，控制配电组合包含控制配电底板、小功率配电板、大功率配电板。
进一步的，所述伺服机构测试单元HMI控制器、控制通讯组合，控制配电组合通过单元内部二级交换机实现通讯互联，数据交互。
进一步的，所述工业一体机通过以太网采用SCPI指令集实现对可编程电源的电压电流设置、输入输出控制。
进一步的，控制通讯底板通过核心板方式实现系统设计，核心板通过低成本SOC(片上系统)芯片Zynq7020实现处理器核心板设计，该芯片内部集成了双核Cortex-A9处理器系统(PS)和可编程逻辑(PL)，通过在PS端实现自定义软件，在PL端实现自定义逻辑，集成1553B，CAN总线，同步串口等总线控制器IP核的集成。
一种面向伺服机构的分布式测试方法，该方法基于如上述的测试系统中进行测试，该测试方法使用到的工业一体机可通过工业交换机与单个或多个测试单元实现互联，可实现区域场景的分布式测试系统构建；单个伺服机构测试单元可与单个工业加固笔记本电脑构建便携测试系统。
进一步的，伺服机构测试系统既可在大范围区域场景实现分布式测试系统构建，满足规模化产线测试需要，也可在独立测试场景构建小型测试系统；控制通讯组合1路隔离以太网可实现三速自适应，可实现快速实现组网设计；4路隔离1553B总线，可实现最大速率不小于4Mbps的数据收发，4路隔离串口可实现最大波特率不小于1M的数据传输，4路隔离RS422串口可实现最大波特率不小于921600的数据传输；16路模拟量输入可实现-2.5V～+2.5V,-5V～+5V,-10V～+10V双极性输入信号采集，速率不小于2MSPS,分辨率不小于16位；16路模拟量输出可实现分辨率为16位，输出范围0～5V,0～10V,-5V～+5V,-10V～+10V,-15V～+15V独立可编程输出。
进一步的，伺服机构测试单元组件HMI，可实现终端信息工位显示，并可实现信息录入、导出。
进一步的，控制配电组合可通过控制配电底板实现组合配电采集控制，具有4路小功率配电电路，满足控制端小电压、小电流配电要求，具有4路大功率配电电路，满足驱动端大电压、大电流配电要求。
进一步的，所述功率配电板可实现最大电压不小于60V，额定电流6A的控制端配电，电压电流回采；大功率配电板可实现最大电压不小于600V,额定电流不小于160A的功率端配电，电压电流回采。
本发明的有益效果：
1.该面向伺服机构的分布式测试系统采用仪器标准测试规范实现设计，并通过以太网实现系统内部互联，既可在大范围区域场景实现分布式测试系统构建，满足规模化产线测试需要，也可在独立测试场景构建小型测试系统，满足便携式场景使用需要。
2.伺服机构测试单元在结构上通过CPCI架构规范满足工业控制、运输环境下的撞击和振动，相比传统的工控机加测试板卡方案具有更少的成本和更高的可靠性，更好的通用性，并且通过嵌入式上下位机的方式实现测试系统构建，相比于传统的Windows系统具有较高的开放性和灵活性，支持分布式组网布局。
3.控制通讯组合基于低成本ZYNQ SOC处理器进行架构设计，通过在SOC可编程逻辑端(PL)集成1553B总线控制器，CAN总线控制器，串口总线控制器，并通过SPI总线栈接扩展16路模拟量输入，16路模拟量输出，PS端实现软件流程开发,该架构在缩小测试系统体积，降低生产成本的同时，具备多接口扩展的灵活性。
4.控制配电组合可通过控制配电底板实现组合配电采集控制，具有小功率配电电路，满足控制端小电压、小电流配电要求，具有大功率配电电路，满足驱动端大电压、大电流配电要求。小功率配电板可实现最大电压不小于60V，额定电流6A的控制端配电，电压电流回采；大功率配电板可实现最大电压不小于600V,额定电流不小于160A的功率端配电，电压电流回采。基本满足行业内大部分伺服机构使用需要。
5.该面向伺服机构的分布式测试在工业一体机端可与多个伺服机构测试单元通过工业交换机(三级)实现互联，实现对测试单元的集中控制和区域监控，在本地通过伺服机构测试单元组件HMI(人机交互控制器，可实现终端信息工位显示，区域监控。
附图说明
图1为本发明一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法的组成框图；
图2为本发明伺服机构测试单元组成框图；
图3为本发明ZYNQ处理器单元电路图；
图4为本发明随机存储电路图；
图5为本发明隔离RS422串口接口电路图；
图6为本发明隔离CAN接口电路图；
图7为本发明隔离1553B接口电路图；
图8为本发明大功率IGBT驱动电路图；
图9为本发明AD采集电路图；
图10为本发明测试系统主要程序架构图；
图11为本发明控制通讯模块主程序流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1至图11，本发明提供一种技术方案：一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法，主要包括伺服机构测试单元、工业交换机(三级)，工控一体机、伺服机构。其中伺服机构测试单元主要包含控制通讯组合、控制配电组合、工业交换机(二级)、可编程电源、HMI(人机交互)触摸屏，其中控制通讯组合主要包含控制通讯底板、模数转换板、数模转换板，控制配电组合主要包含控制配电底板、小电流配电板、大电流配电板。其中控制通讯组合通过高性能SOC(片上系统)在控制通讯底板的集成，实现对多接口总线的内部集成，支持隔离串口、CAN、1553B总线，高精度模数(AD)采集，数模(DA)输出；控制配电组合通过控制配电底板实现对伺服机构控制端低电压、小电流，驱动端高电压，大电流的控制、采集；HMI(人机交互触摸屏)在终端实现测试状况的实时显示和人机交互输入输出；控制通讯组合和控制配电组合在结构上通过CPCI架构规范实现设计，支持标准CPCI、PXI板卡的兼容使用，通过Eurocard机械封装特性，面向测试仪器的平台架构特性，具有高可靠、标准化、满足复杂工业环境生产的优点，具有模块化、标准化的构建特点。控制通讯组合、控制配电组合、HMI触摸屏、可编程电源通过以太网实现与测试单元内部工业交换机(二级)互联，构建伺服机构测试单元。工业一体机与多个伺服机构测试单元通过工业交换机(三级)实现互联，实现对测试单元的集中控制，完成区域场景的分布式测试系统构建。
本实施例中控制通讯组合控制通讯底板通过核心板加底板方式实现系统设计，核心板通过低成本SOC(片上系统)芯片Zynq7020实现处理器核心板设计，该芯片内部集成了双核Cortex-A9处理器系统(PS)和可编程逻辑(PL)，通过在PS端实现自定义软件，在PL端实现自定义逻辑，集成1553B，CAN总线，同步串口等总线控制器IP核的集成，与收发器配合，实现了通讯接口的多样性和高扩展性，同时也有效缩小了控制系统体积，降低了生产成本，底板上对外支持1路(10M/100M/1000M)自适应隔离以太网，4路隔离1553B总线，可实现最大速率不小于4Mbps的数据收发，4路隔离串口可实现最大波特率不小于1M的数据传输，4路隔离RS422串口可实现最大波特率不小于921600的数据传输。16路模拟量输入可实现-2.5V～+2.5V,-5V～+5V,-10V～+10V双极性输入信号采集，速率不小于2MSPS,分辨率不小于16位；16路模拟量输出可实现分辨率为16位，输出范围0～5V,0～10V,-5V～+5V,-10V～+10V,-15V～+15V独立可编程输出，满足行业内大部分伺服机构使用需要。
其中控制配电组合通过SPI总线实现与小功率配电板、大功率配电板数据交互，其中小功率配电板可实现最大电压不小于60V，额定电流6A的控制端配电，电压电流回采；大功率配电板可实现最大电压不小于600V,额定电流不小于160A的功率端配电，电压电流回采。满足大部分惯性产品、控制单机、伺服机构电源控制采集需求。
本实施例，图1是一种面向伺服机构的分布式测试系统及方法组成框图，其包括伺服机构、伺服机构测试模块、三级工业交换机。系统采用CPCI测试架构规范进行工业设计，适合复杂的工业控制环境，模块采用符合仪器测试规范的锁紧机构，满足工业控制、运输环境下的撞击和振动，插入板卡通过机箱的前面板进行拆卸，十分方便扩展升级，
本实施例，图2是伺服机构测试单元组成框图，其中控制通讯组合主要包含控制通讯底板、模数转换板、数模转换板，控制配电组合主要包含控制配电底板、小电流配电板、大电流配电板。其中控制通讯组合通过高性能SOC(片上系统)在控制通讯底板的集成，实现对多接口总线的内部集成，支持隔离串口、CAN、1553B总线，高精度模数(AD)采集，数模(DA)输出；控制配电组合通过控制配电底板实现对伺服机构控制端低电压、小电流，驱动端高电压，大电流的控制、采集；HMI(人机交互触摸屏)在终端实现测试状况的实时显示和人机交互输入输出。控制通讯组合、控制配电组合、HMI触摸屏、可编程电源通过以太网实现与测试单元内部工业交换机(二级)互联，构建伺服机构测试单元。工业一体机与多个伺服机构测试单元通过工业交换机(三级)实现互联，实现对测试单元的集中控制，完成区域场景的分布式测试系统构建。
本实施例，图3是ZYNQ处理器电路，该芯片内部集成了双核Cortex-A9处理器系统(PS)和可编程逻辑(PL)，在集成高性能处理器核心的同时也提供了FPGA器件的灵活性和可扩展性，通过在PS端实现自定义软件，在PL端实现自定义逻辑，二者之间通过共享内存的方式实现数据交互，这种解决方案相比与传统的处理器加可编程逻辑器件处理方案，在数据传输带宽、延时，降低功率方面具有较大的优势.考虑到成本和性能需求，决定采用Xilinx公司Zynq-7000系列SOC(片上系统)，芯片型号为XC7Z020-2CLG484，处理器XC7Z020 PS端千兆以太网接口扩展，存储器接口通过PS端专用存储器接口引出，总线接口和IO控制接口通过可编程逻辑端bank引出。
本实施例，图4是隔离RS422串口接口电路,通过ZYNQ芯片内部集成总线控制器来控制RS422隔离收发器(IL422)实现收发功能.
本实施例，图5是隔离CAN接口电路,总线控制器通过ZYNQ芯片内部集成，收发器采用AD公司的ADM3055E进行数据传输，该收发器集成了隔离DC/DC转换器，因此具备隔离功能，可在高达5Mbps及以上的速率下工作。该器件适用于较高通讯速率、良好抗干扰和高可靠性的CAN总线串行通讯。
本实施例，图6是隔离1553B接口电路，1553B总线收发器选择771所LRT2004系列，隔离变压器选择771所LS3067系列。
本实施例，图7是大功率IGBT驱动电路,功率电配电板使用英飞凌IGBT芯片AUIRGPS4070D0，每路功率电最大可达到600V/120A。共设计4路，采用Allegro公司的电流传感器ACS758KCB-150B-PFF-T进行电流检测，检测比例40(±2.0)mV/A，AD采集芯片采用TI公司的ADS1258采集芯片，与±15V采集部分相同。
本实施例，图8是AD采集电路,测试系统配电模块采用TI公司的16通道数的ADS1258 AD采集芯片检测±15V继电器前后端电压，芯片分辨率24Bits，转换速率125kSPS。
本实施例，图9是测试系统主要程序架构,FPGA程序为最底层程序，对下位机处理器可编程逻辑端程序进行封装，作为应用开发的基础。BSP驱动层基于FPGA程序生成，为上层驱动函数提供访问设备寄存器的函数包，底层应用层基于BSP包进行设计，在测试系统设计中包含数据透传模式下接口转换协议栈的集成，传感器设备测试，惯组传感器设备协议栈的集成；传输协议层基于底层应用层进行设计，基于底层应用层实现与上位机通信传输协议，应用层基于上位机软件进行设计，包含数据透传模式下产品协议栈的集成，自动化测试流程的实现，数据的文件存储，显示界面的设计和数据曲线的实时绘制等。
本实施例，图10是控制通讯模块主程序流程图,系统端通过上位机指令，引导下位机进入不同任务分支。针对实时性要求不高的任务，进入数据转发任务流程，对上位机的串口数据进行协议解析，解析后的数据根据协议要求，通过不同的数据接口实现转发，完成上位机与产品的总线通信。而针对实时性要求较高的任务，则进入协议栈任务流程中，通过在下位系统端集成产品的协议栈，实现下位机高实时性采集任务和上位机低实时性显示任务的优先级分配，满足伺服机构产品的实时性要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种面向伺服机构的分布式测试系统，其特征在于：包括伺服机构、伺服机构测试模块、三级工业交换机，该测试系统采用CPCI测试架构规范进行工业设计，模块采用符合仪器测试规范的锁紧机构，满足工业控制、运输环境下的撞击和振动，插入板卡通过机箱的前面板进行拆卸，伺服机构测试单元内部各模块通过二级工业交换机实时以太网总线实现互联，测试单元与工业一体机通过三级网管型交换机通过“星型”连接方式实现互联。
2.根据权利要求1所述的一种面向伺服机构的分布式测试系统，其特征在于：所述伺服机构测试单元包含控制通讯组合、控制配电组合、可编程电源、二级工业交换机、HMI触摸屏，控制通讯组合包含控制通讯底板、模数转换、数模转换板，控制配电组合包含控制配电底板、小功率配电板、大功率配电板。
3.根据权利要求2所述的一种面向伺服机构的分布式测试系统，其特征在于：所述伺服机构测试单元HMI控制器、控制通讯组合，控制配电组合通过单元内部二级交换机实现通讯互联，数据交互。
4.根据权利要求1所述的一种面向伺服机构的分布式测试系统，其特征在于：所述工业一体机通过以太网采用SCPI指令集实现对可编程电源的电压电流设置、输入输出控制。
5.根据权利要求2所述的一种面向伺服机构的分布式测试系统，其特征在于：控制通讯底板通过核心板方式实现系统设计，核心板通过低成本SOC(片上系统)芯片Zynq7020实现处理器核心板设计，该芯片内部集成了双核Cortex-A9处理器系统(PS)和可编程逻辑(PL)，通过在PS端实现自定义软件，在PL端实现自定义逻辑，集成1553B，CAN总线，同步串口等总线控制器IP核的集成。
6.一种面向伺服机构的分布式测试方法，其特征在于：该方法基于如权利要求1所述的测试系统中进行测试，该测试方法使用到的工业一体机可通过工业交换机与单个或多个测试单元实现互联，可实现区域场景的分布式测试系统构建；单个伺服机构测试单元可与单个工业加固笔记本电脑构建便携测试系统。
7.根据权利要求6所述的一种面向伺服机构的分布式测试方法，其特征在于：伺服机构测试系统既可在大范围区域场景实现分布式测试系统构建，满足规模化产线测试需要，也可在独立测试场景构建小型测试系统；控制通讯组合1路隔离以太网可实现三速自适应，可实现快速实现组网设计；4路隔离1553B总线，可实现最大速率不小于4Mbps的数据收发，4路隔离串口可实现最大波特率不小于1M的数据传输，4路隔离RS422串口可实现最大波特率不小于921600的数据传输；16路模拟量输入可实现-2.5V～+2.5V,-5V～+5V,-10V～+10V双极性输入信号采集，速率不小于2MSPS,分辨率不小于16位；16路模拟量输出可实现分辨率为16位，输出范围0～5V,0～10V,-5V～+5V,-10V～+10V,-15V～+15V独立可编程输出。
8.根据权利要求7所述的一种面向伺服机构的分布式测试方法，其特征在于：伺服机构测试单元组件HMI，可实现终端信息工位显示，并可实现信息录入、导出。
9.根据权利要求6所述的一种面向伺服机构的分布式测试方法，其特征在于：控制配电组合可通过控制配电底板实现组合配电采集控制，具有4路小功率配电电路，满足控制端小电压、小电流配电要求，具有4路大功率配电电路，满足驱动端大电压、大电流配电要求。
10.根据权利要求9所述的一种面向伺服机构的分布式测试方法，其特征在于：所述功率配电板可实现最大电压不小于60V，额定电流6A的控制端配电，电压电流回采；大功率配电板可实现最大电压不小于600V,额定电流不小于160A的功率端配电，电压电流回采。
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2023
- 2023-07-28 CN CN202310937502.6A patent/CN117111573A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117872941A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-04-12 | 中国科学院近代物理研究所 | 一种数字化控制平台 |
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