CN201845224U

CN201845224U - 模块化集成式动静态信号测试装置

Info

Publication number: CN201845224U
Application number: CN2010205556088U
Authority: CN
Inventors: 葛承鑫; 赵润茂
Original assignee: CHENGDU YIYAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chengdu wisdom measuring and Controlling Instrument Co., Ltd.
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2020-10-11

Abstract

模块化集成式动静态信号测试装置，涉及动静态信号的现场测试、记录、分析与设备的自动化控制仪器组成的测控装置。UXI背板内有电源模块和UXI总线；控制模块内有通信接口模块、DDR2大容量存储接口和采集控制逻辑电路；信号调理模块和设备控制模块分别连接到UXI背板的UXI总线；为整个装置供电的电源模块连接到UXI总线和控制模块；多路并行采集模块连接到UXI总线；对采集时序进行控制的采集控制逻辑电路连接多路并行采集模块；DDR2大容量存储接口连接采集控制逻辑电路和DDR2存储器；将数据直接传输到上位机的通信接口模块连接DDR2大容量存储接口。本实用新型高度集成、结构简单，提高了系统的易操作性和可靠性。

Description

模块化集成式动静态信号测试装置

技术领域

本实用新型涉及电子信息和测试测量领域，具体涉及动静态信号的现场测试、记录、分析与设备的自动化控制仪器组成的测控装置。

背景技术

目前，国内外的测控系统，绝大多数还是采用的信号调理、设备控制与数据采集之间多个功能模块分离实现的方案。这种方案类似于搭积木的方式，各个功能模块采用独立的设备实现，实现各功能的设备可能是一个厂家提供，也可能是多个厂家提供。这种方式，虽然有着较大的灵活性，但是在系统实施过程中，无法避免布线工程量大、各设备间接口难以统一以及由此带来的系统整体可靠性和稳定性差等弊端，也成为测控系统长期工作的一大隐患。虽然业内已经逐渐认识到分离设备组成的测控系统带来的这些不足，但是，目前纵观市场，特别是国内市场，还没有高可靠的集成式测控产品推出。究其原因，其一，国内厂家对该项主要是测控系统涉及的技术范围较广，从信号调理、工业现场控制、数据采集、计算机接口技术，到专业测控软件、虚拟仪器技术等诸多方面。目前，国内大多数设备厂家都在某一个或者两个方面进行研究，能够提供完整技术解决方案的厂家并不多。我们作为国内最早的测控设备提供商，在这几个领域内已经有多年的研发经验和成熟产品，因此，能迅速的抓住市场需求，推出UXI系列模块化集成式测控系统。目前，该系统已经在多个现场测试系统中成功应用，得到用户的一致好评。相信，随着该系统的成功应用，会有越来越多的国内外测控系统提供商推出集成式的测控系统，掀起一次技术革新潮。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种模块化集成式动静态信号测试装置，本实用新型高度集成、结构简单，使得现场实施和设备维护工作极大的减少，同时，采用智能测控软件完成对整个系统进行控制、测试结果的自动换算等工作，无需人工干预，提高了系统的易操作性和可靠性。

本实用新型的模块化集成式动静态信号测试装置，由信号调理模块1、设备控制模块2、电源模块3、UXI总线4、多路并行采集模块5、控制模块6、通信接口模块7、DDR2大容量存储接口8、DDR2存储器9、采集控制逻辑电路10和UXI背板11构成；UXI背板11内有电源模块3和UXI总线4；控制模块6内有通信接口模块7、DDR2大容量存储接口8和采集控制逻辑电路10；信号调理模块1和设备控制模块2分别连接到UXI背板11的UXI总线4；为整个装置供电的电源模块3连接到UXI总线4和控制模块6；多路并行采集模块5连接到UXI总线4；对采集时序进行控制的采集控制逻辑电路10连接多路并行采集模块5；DDR2大容量存储接口8连接采集控制逻辑电路10和DDR2存储器9；将数据直接传输到上位机的通信接口模块7连接DDR2大容量存储接口8。

本实用新型的模块化集成式动静态信号测试装置，具有以下优点：(一)保留了传统测控系统组建的灵活性。(二)大大提高了系统的稳定性与可靠性。(三)专用的测控软件可以对调理模块进行自动识别。(四)整个测量与控制过程无需多余的人工干预，完全由系统自动完成，极大的简化了整个操作过程。(五)软件采用虚拟仪器技术，可针对用户具体需求来实现设备功能、属性的重构，在不改变硬件设备的情况下，即可实现软件即是仪器的构想。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

图中符号说明：信号调理模块1、设备控制模块2、电源模块3、UXI总线4、多路并行采集模块5、控制模块6、通信接口模块7、DDR2大容量存储接口8、DDR2存储器9、采集控制逻辑电路10、UXI背板11。

具体实施方式

下面结合附图并用最佳的实施例对本实用新型作详细的说明。

参阅图1，模块化集成式动静态信号测试装置，由信号调理模块1、设备控制模块2、电源模块3、UXI总线4、多路并行采集模块5、控制模块6、通信接口模块7、DDR2大容量存储接口8、DDR2存储器9、采集控制逻辑电路10和UXI背板11构成；UXI背板11内有电源模块3和UXI总线4；控制模块6内有通信接口模块7、DDR2大容量存储接口8和采集控制逻辑电路10；信号调理模块1和设备控制模块2分别连接到UXI背板11的UXI总线4；为整个装置供电的电源模块3连接到UXI总线4和控制模块6；多路并行采集模块5连接到UXI总线4；对采集时序进行控制的采集控制逻辑电路10连接多路并行采集模块5；DDR2大容量存储接口8连接采集控制逻辑电路10和DDR2存储器9；将数据直接传输到上位机的通信接口模块7连接DDR2大容量存储接口8。

针对目前现场测控系统中存在的系统组成复杂、现场工程量大、设备维护难度高、系统稳定性与可靠性较差等问题，提出了一种新的“模块化、集成式的测控系统”解决方案——UXI模块化集成式测控系统。

通常把测控系统分为信号调理、设备控制、数据采集和测控软件4部分。在传统的测控系统中，这几个组成部分相互独立，每一个功能都是由一套专用仪器实现，由此，带来了现场实施过程中常见的系统组成复杂、布线工作量大、设备维护工作繁杂、智能化程度不高以及整个系统可靠性和稳定性较差的问题。

本实用新型将测控系统中最主要的信号调理、设备控制和数据采集功能集成到一个硬件平台中，通过标准的计算机接口总线——USB接口，与上位机通信。由运行在上位机的智能测控软件，对集成式测控系统中的各个组成单元进行身份识别和智能控制，实现测控系统的目标需求。同时，为了满足多种不同的测控系统需求，UXI模块化集成式测控系统的信号调理和设备控制单元均采用模块化设计，通过前面板的可抽插式结构，可以方便的更换不同的信号调理模块和设备控制模块，实现多种通道数、多种功能组合的测控系统。

这种模块化、集成式的测控系统解决方案，使得现场布线工作大大减少，系统组成相对简单、设备数量和由此带来的设备维护工作也极大的减少，同时，采用智能测控软件进行统一识别和控制，免除了传统测控系统中，工程标定、数据换算等人工干预过程，全部控制和数据换算工作均由智能软件完成，降低了测控人员对测控系统工作过程中的干预程度，提高了系统的易操作性和可靠性。

本实用新型要点：

集成式多通道设计

信号调理单元、设备控制单元与数据采集单元均集成在一个UXI机箱中，避免了传统测控系统中布线工程量大、稳定性和可靠性差等问题。由UXI设备内部的总线连接，代替了传统测控系统中多个设备之间的电缆连接，使得整个测控系统稳定、可靠。

模块化设计技术。

信号调理单元和设备控制单元均采用模块化设计，针对不同的应用需求，可配置不同的调理/控制功能模块；UXI的抽插式模块设计，不仅可方便的插入不同的模块，还支持各种组合的模块混插方式，灵活的配置成多种信号输入、多种通道数的测控系统。

采用大规模FPGA(现场可编程门阵列)技术

现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。

FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。

FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构(可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务)及硬件软化、软件硬化等功能。

由于FPGA既继承了ASIC(专用集成电路)大规模、高集成度和高可靠性的特点，又克服了普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，已经逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。

本实用新型中，完全由FPGA实现采集时序控制、DDR2高速数据存储等基本功能，减少PCB面积的同时，系统可靠性也大大提高。同时，由于FPGA的现场可编程特性，为今后设备的功能改进与技术升级提供了可能。

采用高速数据接口

USB是英文Univer sal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种大量应用在PC领域的接口技术。主要具有以下优点：支持热插拔、携带方便、标准统一、可连接多个设备等。USB2.0在此基础上，提高了设备之间数据传输速率，因此，被广泛用于需要大量数据传输的应用中。

本系统采用高速USB2.0接口作为集成测控硬件平台与上位机的通信接口，在BULK传输模式下，最高传输速度可达10MB/S，能高效的完成设备的控制与采集数据的读取等要求。同时，USB2.0的高速数据传输也可满足32通道100K采样率的实时传输要求。可以说，正是高速USB2.0接口的采用，使本系统具备了实现高速实时数据处理的基本能力。

DDR2高速海量存储系统

DDR2(Double Data Rate 2)SDRAM是由JEDEC(电子设备工程联合委员会)进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力(即：4b i t数据读预取)。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。目前有很多厂商都开始大量生产DDR2内存，使得DDR2在技术成熟的同时，具有更高的价格优势。

本系统采用大容量DDR2作为数据存储器，可支持最大4GB的存储深度，具备高速海量存储能力；在32通道100KSPS采样率的测试条件下，可连续存储。

智能同步接口，支持多台设备并行扩展

一台UXI最大可支持32通道同步并行采集/控制，为了满足多通道的应用需求，本设备设计了同步智能扩展接口，支持最大256通道并行扩展，保证各通道之间的采集与控制完全同步。

软件自校准技术

为了保证设备的测试精度，所以测试设备在出厂前都必须经过严格的校准流程。传统的测试仪器中，校准过程一般都是通过专业校准人员对电路板上的电位器等可调元件进行反复调整，最终达到设备的精度指标。这一过程花费时间较长，而且由于是人工参与，存在较大的不可靠性。在本系统中，通过大量采用新型器件对传统校准技术进行了改进，将人工手动校准的过程转变为无需人员参与、校准过程由软件自动控制、校准结果由软件自动判定的完全软件自校准模式，从而实现了软件自校准技术。采用该技术后，除了由软件实现设备的全部校准工作外，在测试过程中，可以随时改变校准参数，保证设备在各种条件下的数据一致性。

虚拟仪器软件设计

传统仪器只能由仪器的生产厂来定义制造，而用户无法改变。传统仪器基本上未能摆脱独立使用、手动操作、功能相对固定、使用具有局限性的模式。计算机技术的发展，给传统仪表技术注入了强大的活力，在微电子技术和LSIC技术推动下，有力地促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展。

在虚拟仪器系统中，用灵活强大的软件代替传统仪器的某些部件，用人的智力资源代替许多物质资源，通过一组软件和硬件，形成了既有普通仪器的基本功能、又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型仪器。虚拟仪器本质上是利用硬件强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，并通过一组软件和硬件，实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入/输出问题的方法和软件赖以生存、运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心构件，“软件就是仪器”，任何使用者只要通过调整或修改仪器的软件，便可方便地改变和增减仪器的功能和规模，甚至仪器的性质。

在本项目的软件设计中，我们基于虚拟仪器设计思想，采用嵌入式虚拟仪器中间件架构并创建设备配置信息库。通过这种设计模式，我们可以非常方便的针对用户具体需求来实现设备功能、属性的重构。另外，我们还通过嵌入式虚拟仪器集成开发环境来集成嵌入式虚拟仪器开发所需的各种工具集以及各种资源库，从而大大加快嵌入式虚拟仪器的开发的效率。

有意效果：

针对现场测控系统所面临的系统组成复杂、各设备之间接口兼容性差、现场布线工程巨大、设备之间连接不可靠、测试过程中智能化程度不高、系统稳定性与可靠性较差的问题，本实用新型提出了“UXI系列模块化集成式测控系统”的设计方案。该系统将信号调理、设备控制单元与数据采集单元集成在一个机箱中，形成一个完整、独立的测控系统硬件设备，只需要通过设备的USB接口，即可和上位机进行通信，与上位机运行的测控系统软件组成一套功能强大的专用测控系统。由UXI设备内部的总线连接，代替了传统测控系统中多个设备之间的电缆连接，极大的减少了现场实施过程的布线工作，提高了整个测控系统的稳定性与可靠性。同时，信号调理和设备控制单元均采用模块化设计，通过设备的前面板抽插式设计，可以方便的更换不同的信号调理与设备控制单元模块，实现多种应用。

这样，在保留了传统测控系统灵活性的同时，大大提高了系统的稳定性与可靠性。同时，由于采用了统一标准的信号调理和设备控制模块，专用的测控软件可以对这些模块进行自动识别。用户在使用过程中，无需再像传统方式那样，对测控软件进行诸如K系数、工程标定等参数的手工设定，也不用对采集数据通过单位换算后再得到实测的物理量。取而代之的是，软件自动根据识别的信号调理模块，自动加载对应的工程标定设置，测试过程完成后，自动将物理量显示在波形窗口，用户可直接读出所测物理量，整个测量与控制过程无需多余的人工干预，完全由系统自动完成，极大的简化了整个操作过程。同时，软件采用虚拟仪器技术，可针对用户具体需求来实现设备功能、属性的重构，在不改变硬件设备的情况下，即可实现软件即是仪器的构想。

采用系统集成技术解决测控系统的合理构成正成为测控界普遍关注的话题。测控系统的规模和功能各异，且存在各种模块的集成以及在异构和分布环境下设备互连、互操作、数据传输和通信等诸多问题，测控一体化系统集成应运而生。测控一体化是当今测控系统的发展方向，它以计算机为核心，采用组件技术将标准总线、硬件模块或仪器单元和相应的测控软件等进行构建，同时贯彻实施一系列系统集成标准体系，使之成为通用性和可移植性强的测控系统。

测控一体化要求实现测控系统的集成，其目标不仅包括测控系统的体系结构集成，还包括功能集成、信息集成和环境集成，同时还要符合相应的系统集成标准。本项目正是基于这一创新理论而成功研制的新一代测控系统，相信随着其成功的推广，会在整个测控行业掀起一次技术革新潮。

以上实施例是本实用新型较优选具体实施方式的一种，本领域技术人员在本技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.模块化集成式动静态信号测试装置，其特征在于，由信号调理模块(1)、设备控制模块(2)、电源模块(3)、UXI总线(4)、多路并行采集模块(5)、控制模块(6)、通信接口模块(7)、DDR2大容量存储接口(8)、DDR2存储器(9)、采集控制逻辑电路(10)和UXI背板(11)构成；UXI背板(11)内有电源模块(3)和UXI总线(4)；控制模块(6)内有通信接口模块(7)、DDR2大容量存储接口(8)和采集控制逻辑电路(10)；信号调理模块(1)和设备控制模块(2)分别连接到UXI背板(11)的UXI总线(4)；为整个装置供电的电源模块(3)连接到UXI总线(4)和控制模块(6)；多路并行采集模块(5)连接到UXI总线(4)；对采集时序进行控制的采集控制逻辑电路(10)连接多路并行采集模块(5)；DDR2大容量存储接口(8)连接采集控制逻辑电路(10)和DDR2存储器(9)；将数据直接传输到上位机的通信接口模块(7)连接DDR2大容量存储接口(8)。