基于NI-LabVIEW環(huán)境加載板傳輸速率校準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

陸春，程金朋，成立鵬，劉向明

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430073）

基于NI-LabVIEW環(huán)境加載板傳輸速率校準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

陸春，程金朋，成立鵬，劉向明

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430073）

針對(duì)加載板傳輸速率校準(zhǔn)測(cè)試要求，開發(fā)了一種基于LAN接口組合儀器自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)基于虛擬儀器技術(shù)中的LabVIEW圖形化編程開發(fā)，將多臺(tái)儀器有機(jī)組合。并采用眼圖六點(diǎn)法檢測(cè)的方式，將預(yù)估眼圖面積與理想狀態(tài)的眼圖面積之比與閾值比較，通過這種方法對(duì)信號(hào)的傳輸速率質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加載板傳輸速率校準(zhǔn)的自動(dòng)有序測(cè)試，自動(dòng)存儲(chǔ)，對(duì)加載板傳輸速率生產(chǎn)檢驗(yàn)具有重大的實(shí)際工程意義。

LABVIEW；LAN接口；傳輸速率；眼圖六點(diǎn)法檢測(cè)

傳輸速率（Transmission Rate）是衡量系統(tǒng)傳輸能力的主要指標(biāo)。它有以下幾種不同的定義：碼元傳輸速率；比特傳輸速率；消息傳輸速率。在對(duì)加載板傳輸速率校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)中選取碼元傳輸速率作為其定義即每秒鐘通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)。

對(duì)系統(tǒng)的傳輸速率性能測(cè)試過程中需要同時(shí)利用多臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但在實(shí)際應(yīng)用中多臺(tái)儀器的綜合應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致測(cè)試流程不清，操作混亂，數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)程序繁瑣等問題，需要有統(tǒng)一的集成測(cè)試平臺(tái)將多臺(tái)儀器有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的流程控制和數(shù)據(jù)的自動(dòng)存?。?］。采用NI-LabVIEW虛擬平臺(tái)很好的解決了這個(gè)問題。

1　傳輸速率性能評(píng)判方法

按照設(shè)計(jì)要求規(guī)定在200 Mbps～3.6 Gbps條件下對(duì)通過加載板的傳輸速率的性能進(jìn)行評(píng)判。通過示波器來(lái)獲取某傳輸速率下的眼圖是評(píng)判傳輸速率性能的一種方法，主要通過測(cè)試眼圖的眼高［2］、眼寬、上升時(shí)間、Q因子等特征參數(shù)值來(lái)評(píng)判傳輸速率的性能。

眼寬、眼高決定了眼圖縱向橫向的眼開度，眼寬反映了傳輸線上信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間，眼高即最佳判決時(shí)刻反映了傳輸線上信號(hào)的噪聲容限，理想狀態(tài)下噪聲容限為1，在一定范圍內(nèi)，眼寬、眼高越大對(duì)噪聲和抖動(dòng)容許程度越好；上升時(shí)間決定了可傳遞的信號(hào)及容忍誤碼比率能力，在一定范圍內(nèi)，上升時(shí)間愈短代表可傳遞的信號(hào)及容忍誤碼比率越好；Q因子綜合反映眼圖的質(zhì)量問題，用于測(cè)量眼圖信噪比的參數(shù)，在一定的范圍內(nèi)Q因子越高眼圖的質(zhì)量就越好信噪比就越高，Q因子可以表示為式（1）

其中，“1”電平的平均值Ptop與“0”電平的平均值Pbase的差為眼幅度，“1”信號(hào)噪聲有效值δ1與“0”信號(hào)噪聲有效值δ0之和為信號(hào)噪聲有效值。

但對(duì)于通過眼圖測(cè)試出來(lái)的特征參數(shù)值能難以直觀的去判斷某傳輸速率性能指標(biāo)是否合格，針對(duì)這個(gè)問題提出基于六點(diǎn)法原理（如圖1所示）來(lái)檢測(cè)傳輸速率質(zhì)量的方法。圖1為在某傳輸速率下測(cè)試得到的眼圖，將眼圖等效為圖1中的六邊形ABCDEF，根據(jù)測(cè)試得到眼高、眼寬、上升時(shí)間等參數(shù)預(yù)估實(shí)測(cè)眼圖的面積；在理想狀態(tài)下設(shè)想上升時(shí)間趨于零測(cè)試得到的眼圖應(yīng)為圖1中的矩形A'B'C'D'，根據(jù)測(cè)試得到的眼高、眼寬參數(shù)預(yù)估理想狀態(tài)下眼圖面積。通過將預(yù)估眼圖面積與設(shè)定理想眼圖的面積比（即SABCDEF/SA'B'C' D'）的值（比值越大代表越接近理想狀態(tài)，則傳輸速率的性能質(zhì)量越好）與設(shè)定的閾值（≤1）比較來(lái)判斷此傳輸速率性能是否合格，當(dāng)大于等于給定的閾值則判斷在此傳輸速率下通過加載板后信號(hào)傳輸速率質(zhì)量是合格的，否則不合格。

圖1　六點(diǎn)法示意圖Fig.1Six point method sketch

通過這種方法對(duì)評(píng)判傳輸速率質(zhì)量給出了一定參考的標(biāo)準(zhǔn)，相比單純的通過的測(cè)試參數(shù)的值來(lái)評(píng)判傳輸速率質(zhì)量更加直觀明了、方便。

在對(duì)加載板傳輸速率的測(cè)量時(shí)，由于波形經(jīng)常受到噪聲和抖動(dòng)效應(yīng)使得眼圖變得模糊，因此我們更經(jīng)常用比較清晰的20～80%幅度作為上升時(shí)間測(cè)量值，并用以下近似關(guān)系將20～80%上升時(shí)間變換為10～90%上升時(shí)間：

所以眼圖的等效面積公式為（2）及其理想狀態(tài)眼圖面積公式為（3）：

其中：LEYE-Width代表眼寬；HEYE-Height代表眼高；Tr10～90%代表幅度10%上升到幅度90%所需要的時(shí)間。

2　測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成實(shí)現(xiàn)

此加載板傳輸速率測(cè)試系統(tǒng)硬件如圖2所示，主要計(jì)算機(jī)、示波器（高速碼型測(cè)試儀MP1800A、高速實(shí)時(shí)示波器DSA71254C）、路由器、待測(cè)加載板、適配器、探針、專用電纜線等幾部分組成。由圖2可知此測(cè)試系統(tǒng)通過網(wǎng)線、專用電纜線等將計(jì)算機(jī)、示波器相互銜接完成人機(jī)交互與控制算法、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果輸出顯示［3］。

當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)開始工作時(shí)先由操作者在計(jì)算機(jī)上選擇VISA資源名稱及待測(cè)加載板通道號(hào)、輸入傳輸速率的參數(shù)配置后，點(diǎn)擊配置按鈕，等待高速碼型發(fā)生器MP1800A配置完成后；然后點(diǎn)擊測(cè)試按鈕，高速碼型發(fā)生器MP1800A發(fā)送測(cè)試信號(hào)，通過適配器連接探針對(duì)準(zhǔn)待測(cè)加載板上的某個(gè)待測(cè)通道后，高速數(shù)字信號(hào)分析儀DSA71254C對(duì)發(fā)送過來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過濾波等算法后將測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)通過LAN接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)解包、處理、顯示。此測(cè)試系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

圖2　加載板測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖Fig.2Loading plate test system hardware block diagram

圖3　加載板測(cè)試系統(tǒng)流程圖Fig.3The flow chart of loading plate test system

3　測(cè)試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)軟件主要包括兩大模塊即參數(shù)測(cè)試采集模塊和數(shù)據(jù)處理功能模塊，參數(shù)測(cè)試采集模塊主要控制高速碼型發(fā)生器碼流的配置與發(fā)送、通過高速實(shí)時(shí)示波器對(duì)波形的采集及數(shù)據(jù)的采集并將數(shù)據(jù)初步處理打包后，將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理功能模塊主要將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后處理、特性參數(shù)及圖像的顯示以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)［4］。軟件總的構(gòu)成如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件框架Fig.4System software framework

3.1參數(shù)測(cè)試采集模塊

參數(shù)測(cè)試采集模塊主要包括碼型發(fā)生器配置模塊、波形和數(shù)據(jù)采集以及通訊模塊。

3.1.1碼型發(fā)生器配置輸出模塊

對(duì)加載板某個(gè)通道上的傳輸速率檢測(cè)過程中，需要利用高速碼型發(fā)生器MP1800A，其中MP1800A包括同步時(shí)鐘發(fā)生模塊MU18100A和可編程向量發(fā)生器模塊MU181020A，在此測(cè)試過程中同步時(shí)鐘發(fā)生器模塊MU18100A為可編程向量發(fā)生器提供時(shí)鐘信號(hào)，可編程向量發(fā)生器模塊MU181020A根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生原始碼流信號(hào)，為待測(cè)試加載板提供碼流輸入。

3.1.2波形采集及通訊模塊

當(dāng)碼型發(fā)生器發(fā)出碼流通過加載板后，利用高速數(shù)字信號(hào)分析儀DSA71254C內(nèi)的抖動(dòng)（Jitter）測(cè)試模塊對(duì)其通過加載板某通道的傳輸速率下的碼流進(jìn)行波形疊加，待波形疊加完成后波形進(jìn)行采集。通訊模塊主要將處理后的測(cè)試值和眼圖以約定格式的數(shù)據(jù)包傳遞給計(jì)算機(jī)。

3.2數(shù)據(jù)處理功能模塊

數(shù)據(jù)處理功能模塊采用LabVIEW圖形化的程序語(yǔ)言作為軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，尤其使用其進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器系統(tǒng)時(shí)，可大大提高開發(fā)效率。

3.2.1數(shù)據(jù)通信模塊

LAN接口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過LAN接口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，是目前虛擬儀器的重要構(gòu)成方式之一，主要用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)，具有接口簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)［5］。LabVIEW提供了強(qiáng)大的串行通信VISA庫(kù)，其主要的VI函數(shù)介紹如下：VISA配置串口：初始化VISA resource name指定的串口通信參數(shù)（波特率，數(shù)據(jù)位，奇偶位，起始位，停止位等）；VISA寫入：將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的串口；VISA讀?。簩ISA指定的串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；VISA Bytes at Serial Port：查詢指定串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；VISA關(guān)閉：結(jié)束指定串口資源之間的會(huì)話。設(shè)置好各項(xiàng)通信參數(shù)后，將這些VI彼此按設(shè)計(jì)流程連接就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信。

3.2.2數(shù)據(jù)處理及顯示模塊

該模塊包括從LAN接口讀取數(shù)據(jù)的判斷解析，數(shù)據(jù)的處理，圖形顯示。數(shù)據(jù)判斷保證從LAN接口傳過來(lái)的數(shù)據(jù)是高速數(shù)字信號(hào)分析儀DSA71254C傳送的正常數(shù)據(jù)，因?yàn)镈SA71254C發(fā)送數(shù)據(jù)均是用分號(hào)隔開的無(wú)單位字符串，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接到數(shù)據(jù)后首先利用搜索/拆分VI搜索字符串“；”；其次利用掃描字符串VI將拆分后的字符串值轉(zhuǎn)為數(shù)值類型并對(duì)其放大相應(yīng)的倍數(shù)；再次利用數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)將前面放大后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成字符串；最后利用連接字符串函數(shù)將字符串與相應(yīng)的單位字符串連接得到符合要求的帶單位的字符串。數(shù)據(jù)解析：將打包的字符串?dāng)?shù)據(jù)全部送入表格中，利用索引數(shù)組函數(shù)提取特征參數(shù)的均值。數(shù)據(jù)處理：將得到的眼圖特征參數(shù)值，通過預(yù)估眼圖面積與理想眼圖之比，來(lái)得到傳輸速率的質(zhì)量是否合格。由于眼圖是根據(jù)數(shù)字波形疊加后而成，假如在數(shù)據(jù)采集過程中采取實(shí)時(shí)采集的方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中可能有些數(shù)據(jù)不符合要求可能造成一些數(shù)據(jù)的丟失，因此不能產(chǎn)生完整眼圖，因此對(duì)于顯示模塊先將某傳輸速率下測(cè)試的眼圖保存在DSA71254C上，再采取文件共享的方式在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上顯示某傳輸速率下測(cè)試的眼圖，這樣可以保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的完整性。

3.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊要求計(jì)算機(jī)把每次測(cè)試的結(jié)果做成報(bào)表的形式存儲(chǔ)。LabVIEW ReportGeneration工具包通過ActiveX技術(shù)將Microsoft Excel與LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合起來(lái)，用于快速生成專業(yè)的報(bào)告，從而有效的表示出各種測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果。用戶可以移植、修改現(xiàn)有的報(bào)告模板，并使用標(biāo)準(zhǔn)的LabVIEW功能，擴(kuò)展該工具包的報(bào)告生成功能。使用該VI時(shí)，首先必須在Excel中做好模版文件（.xlt文件），將該VI放入程序框圖時(shí)將出現(xiàn)配置對(duì)話框，將生成的模板文件導(dǎo)入，再設(shè)置其參數(shù)。將要保存的數(shù)據(jù)按名稱連線到相應(yīng)的端子，各數(shù)據(jù)就會(huì)保存到模板定義的Excel單元格里面。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將待測(cè)加載板通過適配器連到探針上，通過專用電纜線將探針分別與高速碼型測(cè)試儀MP1800A和高速實(shí)時(shí)示波器DSA71254C連接，利用網(wǎng)線通過路由器將計(jì)算機(jī)、高速碼型測(cè)試儀MP1800A和高速實(shí)時(shí)示波器DSA71254C連接。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要測(cè)試200Mbps-3.6Gbps通過加載板的傳輸速率是否合格，選取200 Mbps、1 Gbps、3.6 Gbps作為試驗(yàn)，利用六點(diǎn)法檢測(cè)方法并結(jié)合LabVIEW測(cè)試系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)通過加載板某通道的傳輸速率是否合格。表1為閾值設(shè)置為0.9、0.95時(shí)，在200 Mbps、1 Gbps、3.6 Gbps傳輸速率下通過自動(dòng)測(cè)試與手動(dòng)測(cè)試測(cè)得眼高、眼寬、上升時(shí)間值的對(duì)比。圖5（a）、（b）、（c）分別為200 Mbps、1 Gbps、3.6 Gbps通過加載板測(cè)試得到眼圖結(jié)果。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明在一定的誤差范圍內(nèi)，自動(dòng)測(cè)試與手動(dòng)測(cè)試的結(jié)果相差不大，并且當(dāng)設(shè)定的閾值越大對(duì)信號(hào)的傳輸速率質(zhì)量要求更加越嚴(yán)格，得到的眼圖更加符合實(shí)際需求。通過這種方法測(cè)試的結(jié)果來(lái)評(píng)判的信號(hào)的傳輸速率性能比單純的根據(jù)測(cè)試得到的眼圖及其特征參數(shù)值來(lái)判斷信號(hào)的傳輸速率性能的方法得到的結(jié)論更加直觀，同時(shí)此測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳輸速率性能測(cè)試更加方便快捷。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)造與真實(shí)儀器物理面板相類似的虛擬面板，完成了對(duì)加載板傳輸速率信號(hào)參數(shù)的設(shè)置與采集并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)了“軟件就是儀器”的理念［6］。同時(shí)對(duì)傳輸速率的檢測(cè)提出一種新的檢測(cè)方法，這種方法對(duì)評(píng)判傳輸速率質(zhì)量的好壞給定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，避免采用根據(jù)信號(hào)疊加產(chǎn)生眼圖的大小來(lái)判斷傳輸速率質(zhì)量的好壞［7］，通過大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、測(cè)試精度較高、測(cè)試簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀明了。

表1　閾值0.9、0.95時(shí)，自動(dòng)測(cè)試與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.1Threshold is 0.9、0.95，automatic test and manual test results contrast

圖5　200M、1 G、3.6 G眼圖測(cè)試結(jié)果Fig.5The eye diagram test results of 200 M、1 G、3.6 G

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The calibration test system of loading plate transmission rate based on NI-LabVIEW environment

LU Chun，CHENG Jin-peng，CHENG Li-peng，LIU Xiang-ming
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China）

In order to test the transfer rate of loading plate，a LAN interface independent instrument integration testing platform was developed.The development of this platform is based on virtual instrument technology in LabVIEW graphical programming environment.It's the organic integration of multiple instruments.Eye diagram six point method detection was used to get the ratio of the estimated eye diagram area and the ideal eye diagram area.Then the ratio was compared with the threshold value.This approach is used to judge the quality of the transmission rate of the signal and has achieved a ordered automatic calibration tests of transmission rate of the loading plate and automatic storage.The transmission rate of loading plate production inspection is of great practical significance.

LabVIEW；LAN interface；transmission rate；six point method to detect the eye diagram

TN06

A

1674-6236（2015）20-0106-04

2015-01-12稿件編號(hào)：201501085

陸春（1989—），男，湖北鐘祥人，碩士研究生。研究方向：精密機(jī)械與控制技術(shù)。