面向復(fù)雜混合信號的CPCI專用測試系統(tǒng)及其自動校準(zhǔn)方法

梁嘉倩，孟升衛(wèi)，魯文帥，付 平

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動化測試與控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150001;2 中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

工程與應(yīng)用

面向復(fù)雜混合信號的CPCI專用測試系統(tǒng)及其自動校準(zhǔn)方法

梁嘉倩1，孟升衛(wèi)1，魯文帥2，付 平1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動化測試與控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150001;2 中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

面向多通道復(fù)雜混合信號的快速精確自動化測試需求，設(shè)計并實現(xiàn)了具有在線實時自動校準(zhǔn)功能的CPCI總線專用組合測試系統(tǒng)?；跇?biāo)準(zhǔn)的CPCI總線J1/J2接口和擴展的后IO接口設(shè)計了專用信號調(diào)理模塊和通用數(shù)據(jù)采集模塊硬件，基于FPGA設(shè)計了測量轉(zhuǎn)換時序與控制邏輯，基于LabVIEW環(huán)境開發(fā)了自動測試軟件?；贛atlab研究了自適應(yīng)的分段擬合校準(zhǔn)算法，實現(xiàn)了系統(tǒng)在線實時自動校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后直流、交流、頻率測量精度誤差分別達到1‰、2%和0.1‰。測試結(jié)果表明，基于分段三次多項式擬合的自動校準(zhǔn)方法能夠快速有效降低系統(tǒng)非線性導(dǎo)致的測量誤差，整套系統(tǒng)滿足面向密集信號的快速裝備測試需求。

測試系統(tǒng)；CPCI；自動校準(zhǔn)；分段擬合

0 引 言

武器裝備測試是裝備研發(fā)部署的重要組成環(huán)節(jié)，貫穿武器裝備的整個生命周期，良好的裝備測試能夠有效保障武器的作戰(zhàn)效能[1]。隨著信息化戰(zhàn)爭時代的到來，以精確制導(dǎo)武器為代表的現(xiàn)代軍事裝備對裝備測試技術(shù)提出了更高要求。例如，長期存儲的導(dǎo)彈在發(fā)射前，需要先在地面進行全面快速的通電測試，一次上電的短時間內(nèi)即要確保動力、制導(dǎo)、火工等各組件功能完好[2]，對即插即測的要求很高，依賴人工顯然已無法滿足這樣的密集、實時、精確測試要求[3-4]。以計算機和總線技術(shù)為核心的自動測試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)逐漸成為支撐裝備測試的使能技術(shù)[5-6]。

自惠普公司牽頭推出第一代自動測試系統(tǒng)以來，短短的30年時間內(nèi)，自動測試系統(tǒng)已經(jīng)歷了GPIB、VME/VXI、CPCI/PXI、LXI、PXIe、AXIe時代，從測試數(shù)據(jù)帶寬到集成度都顯著提升[7-8]。就當(dāng)前市場份額而言，CPCI/PXI系統(tǒng)正處于商業(yè)市場的巔峰期，軍品市場的上升期[9-11]。與此同時，隨著測試對象的演進升級，自動測試系統(tǒng)也面臨著多方面的挑戰(zhàn)。第一，是密集復(fù)雜信號的測試需求，需要測試系統(tǒng)對多通道、多路數(shù)、多種類的測試信號同時測量，而信號本身也不僅限于基本測試信號，可能包含復(fù)雜的時變信號[12]。第二，是多通道的數(shù)據(jù)吞吐率需求，即要求測試系統(tǒng)能在短時間內(nèi)完成高通量的測試信號檢測[13]。第三，精確實時在線測試需求，即由自動校準(zhǔn)代替人工校準(zhǔn)，避免在測試系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中消耗大量的人力和時間，可以說，要做到即插即測，在線自動校準(zhǔn)技術(shù)勢在必行[14]。第四，靈活快速響應(yīng)測試需求，即要求系統(tǒng)尺寸緊湊便攜，系統(tǒng)構(gòu)成靈活可變，能夠針對測試對象特點進行調(diào)整[15-16]。

本論文針對上面提出的自動測試系統(tǒng)在高密度、多通道、在線校準(zhǔn)、靈活響應(yīng)等四個方面面臨的發(fā)展趨勢和技術(shù)挑戰(zhàn)，及某型號裝備的特定測試需求，提出了基于CPCI總線的多通道組合式專用測量系統(tǒng)，采用專用調(diào)理模塊與通用測量模塊的組合的方式實現(xiàn)硬件靈活性和信號高密度，并在此系統(tǒng)上提出在線實時自動校準(zhǔn)方法，解決快速校準(zhǔn)和高精度測試的需求。

1 對象分析與架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的被測對象為32路直流模擬信號、8路交流信號(6路測壓，2路測頻)、1路復(fù)雜時變信號(含128種波形)，其中：32路直流信號為獨立的模擬信號，不同通道的被測信號特征不同；1路時變信號為不確定幅度和頻率的交/直流信號，包括直流、交流模擬信號和數(shù)字信號，其信號特征量由測試系統(tǒng)的調(diào)理編碼指令給出。主要技術(shù)指標(biāo)要求為：采樣率160kSps，分辨率14位，直流模擬量測量精度為1‰，交流模擬量測量精度為2%，數(shù)字量測頻精度誤差小于真實值的0.1‰，系統(tǒng)能夠?qū)崟r工作和在線校準(zhǔn)。

根據(jù)以上測試需求設(shè)計組合測試系統(tǒng)架構(gòu)由計算機控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊三類模塊組成：計算機控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊為通用模塊，信號調(diào)理模塊為專用模塊，包括直流信號調(diào)理、交流信號調(diào)理、時變信號調(diào)理。在快速響應(yīng)測試應(yīng)用中，只需要根據(jù)被測信號改變信號調(diào)理模塊的數(shù)量和種類，與通用模塊組合夠成不同的專用測試系統(tǒng)。

考慮到測試信號速率、系統(tǒng)緊湊度，以及開放式模塊化的自由組合需求，本系統(tǒng)采用CPCI作為測試總線：首先，對于32路采樣率160kSps要求，總線速率為132MHz的CPCI完全可以勝任，無需考慮Express系列的高速串行總線[17]；其次，CPCI結(jié)構(gòu)緊湊，小型高密度機箱和模塊卡式組合適用于靈活快速響應(yīng)[18]；再次，對于CPCI和PXI之間的比較，由于CPCI開放J2口和背板后IO口，使得外部信號的引入和模塊之間的測試信號互連更加方便，包括外部被測信號、校準(zhǔn)信號及內(nèi)部調(diào)理信號。設(shè)計的測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多通道專用組合測試系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(guān)鍵在于專用信號調(diào)理模塊與通用數(shù)據(jù)采集模塊的組合設(shè)計。為使測試系統(tǒng)能夠面向不同特征的多通道直流、交流、時變信號，調(diào)理模塊需要設(shè)計為專用模塊；為節(jié)約系統(tǒng)體積和成本資源，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計為通用模塊，調(diào)理后的信號復(fù)用數(shù)采模塊。被測信號通過CPCI總線的后IO口引入專用調(diào)理模塊，調(diào)理模塊與通用數(shù)采模塊通過CPCI的J2口傳輸調(diào)理信號，系統(tǒng)的零槽計算機通過CPCI的J1口訪問數(shù)采模塊，數(shù)采模塊通過J2口控制各個調(diào)理模塊的硬件配置。零槽計算機開放程度最高，通用性最強，直接采用貨架產(chǎn)品。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 專用信號調(diào)理電路

設(shè)計的專用調(diào)理模塊電路的原理圖如圖2(a)-2(c)所示。在圖2(a)的直流調(diào)理模塊中，32路被測直流信號經(jīng)過32路衰減電路和隔離運放后，再經(jīng)過4個8選1多路選擇器復(fù)用，得到單路的被測直流電壓信號，通過CPCI總線的J2接口與數(shù)據(jù)采集模塊相連。在圖2(b)的交流信號調(diào)理模塊中，8路被測交流信號中6路為待測交流電壓信號，經(jīng)過衰減和放大濾波電路，然后通過均方根直流轉(zhuǎn)換器得到直流信號，再經(jīng)過隔離運放后通過8選1多路選擇器，得到單路的被測直流電壓信號，反映輸入的被測交流信號，接入CPCI總線的J2口；8路被測信號中另有2路信號為方波信號，與前6路信號(經(jīng)過電壓比較器)共同經(jīng)過光耦后作為測頻信號送入CPCI總線的J2口。在圖2(c)的時變信號調(diào)理模塊中，輸入信號的衰減、放大、交直流選擇等功能全部通過繼電器在線配置，這些配置將由數(shù)采模塊根據(jù)總線上經(jīng)J1口給出的128種調(diào)理編碼確定被測信號種類后給出，在時變信號調(diào)理模塊上得到用于測壓或測頻的時變調(diào)理信號。此外，時變信號調(diào)理模塊還帶有校準(zhǔn)源，用于模塊的上電校準(zhǔn)功能。

圖2 專用信號調(diào)理模塊

2.2 通用數(shù)據(jù)采集模塊

設(shè)計的通用數(shù)據(jù)采集模塊的原理圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊是實現(xiàn)信號測量的核心控制模塊，也是信號調(diào)理模塊和計算機模塊之間的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，被測信號由數(shù)采模塊的CPCI總線J2接口引入，經(jīng)過數(shù)采轉(zhuǎn)換后的測試數(shù)據(jù)由數(shù)采模塊CPCI總線J1接口被讀取出，同時數(shù)采模塊通過J1接口接收計算機模塊的指令，觸發(fā)數(shù)采和配置調(diào)理。考慮到數(shù)據(jù)采集模塊要同時控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)據(jù)采集，并與CPCI標(biāo)準(zhǔn)接口通信，即包括了專用的接口時序和接口控制，因此選用FPGA作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心控制單元。J1接口的PCI時序采用標(biāo)準(zhǔn)PCI接口芯片實現(xiàn)，J2口的模擬信號測量采用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)，數(shù)字信號直接進入FPGA的IO口。

圖3 通用數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖

2.3 邏輯設(shè)計

數(shù)采模塊FPGA的主要作用是：面向CPCI總線的J2接口進行數(shù)據(jù)采集，面向CPCI總線的J1接口進行標(biāo)準(zhǔn)CPCI總線通信和系統(tǒng)控制指令解析。具體包括：PCI接口邏輯，調(diào)理編碼解析邏輯，測量觸發(fā)邏輯，測壓邏輯，測頻邏輯，模數(shù)轉(zhuǎn)換控制接口邏輯，校準(zhǔn)參數(shù)讀寫邏輯。邏輯設(shè)計的原理圖如圖4所示。

圖4 通用數(shù)據(jù)采集模塊FPGA邏輯設(shè)計原理圖

圖5 自動測試系統(tǒng)軟件流程圖

在圖4中，PCI接口邏輯用于與PCI專用接口芯片的本地總線端通信，包括地址鎖存譯碼、數(shù)據(jù)讀寫和必備的讀寫、片選等控制信號給出。從CPCI接口取得的調(diào)理編碼由調(diào)理編碼解析模塊分析，并根據(jù)調(diào)理編碼的控制指令對調(diào)理板卡配置，同時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集邏輯對指定被測對象測量：當(dāng)獲取測壓指令時，啟動測壓邏輯，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口控制邏輯實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的控制和讀??；當(dāng)獲取測頻指令是，啟動測頻邏輯，直接對來自J2接口的頻率信號進行閘門測量。此外，F(xiàn)PGA還為J1接口提供本地校準(zhǔn)參數(shù)和其他槽位調(diào)理板卡校準(zhǔn)參數(shù)的讀寫。

2.4 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的應(yīng)用軟件運行在零槽計算機上。為提高系統(tǒng)硬件國產(chǎn)化水平，計算機采用龍芯處理器；為縮短軟件開發(fā)周期，搭載Windows NT操作系統(tǒng)，以利用其豐富的驅(qū)動支持和軟件資源。應(yīng)用程序采用Lab VIEW開發(fā)。設(shè)計的主程序流程如圖5(a)所示。主流程完成初始化以后，進入事件等待狀態(tài)，同時判斷超時和退出。被等待的結(jié)構(gòu)化事件包括信號的電壓測量、電壓校準(zhǔn)、校準(zhǔn)參數(shù)讀寫、頻率測量等。

2.5 校準(zhǔn)設(shè)計

在線自動校準(zhǔn)是系統(tǒng)實現(xiàn)對任務(wù)的快速響應(yīng)測試的關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)的校準(zhǔn)功能由系統(tǒng)外部校準(zhǔn)源接口、內(nèi)部自帶校準(zhǔn)源、調(diào)理模塊非易失校準(zhǔn)參數(shù)存儲器、數(shù)據(jù)采集模塊校準(zhǔn)參數(shù)存儲器，及運行在計算機模塊上運行的校準(zhǔn)程序組成。當(dāng)用戶在主面板上選擇執(zhí)行校準(zhǔn)功能時，系統(tǒng)首先控制校準(zhǔn)源輸出校準(zhǔn)信號序列，然后按照缺省傳遞函數(shù)測得原始值，隨后按照擬合算法進行標(biāo)定計算，得到新的測試傳遞函數(shù)，比較校準(zhǔn)后的測量值與校準(zhǔn)源的誤差，直到滿足設(shè)定的誤差閾值，最后將此校準(zhǔn)參數(shù)寫入非易失存儲器，用于后續(xù)測量。其中的擬合方法將在后文討論。校準(zhǔn)流程如圖5(b)所示。

除了用戶觸發(fā)校準(zhǔn)功能外，系統(tǒng)還在上電時進行自檢，上電自檢包括通信自檢和標(biāo)準(zhǔn)源自檢。在標(biāo)準(zhǔn)源自檢中，系統(tǒng)對自帶的內(nèi)部校準(zhǔn)源進行測試比較，調(diào)校系統(tǒng)的零點誤差。

3 測試與討論

設(shè)計實現(xiàn)的多通道組合式專用測試系統(tǒng)實物圖如圖6所示。其中，專用直流信號調(diào)理模塊、交流信號調(diào)理模塊、時變信號調(diào)理模塊如圖6(a)-(c)所示，通用數(shù)據(jù)采集模塊如圖6(d)所示。組成的CPCI測試系統(tǒng)(含外部校準(zhǔn)源)如圖6(e)所示。

圖6 設(shè)計實現(xiàn)的多通道組合專用CPCI測試系統(tǒng)

重點討論測試系統(tǒng)的擬合校準(zhǔn)方法。考慮到測試系統(tǒng)可能存在非線性，故僅僅采用線性擬合難以實現(xiàn)精確標(biāo)定。為此基于Matlab工具研究不同的校準(zhǔn)曲線和分段方式對校準(zhǔn)結(jié)果的影響：比較使用線性擬合和三次多項式擬合對校準(zhǔn)精度的影響，以及分段數(shù)為1段、2段、4段、8段的校準(zhǔn)精度，以確定校準(zhǔn)的階數(shù)和段數(shù)。編程使外部校準(zhǔn)源像測試系統(tǒng)輸出-2500mV到2500mV步進變化的直流電壓信號，并使用分段線性擬合校準(zhǔn)和分段三次多項式校準(zhǔn)方法，得到校準(zhǔn)曲線圖如圖7所示。

圖7 分段線性擬合和分段三次多項式擬合的校準(zhǔn)曲線圖

在圖7(a)中可以看到，隨著分段數(shù)的增加，使用線性擬合得到的擬合曲線逐漸平滑并逼近理想校準(zhǔn)點；對比圖7(a)和圖7(b)可以看出，由于測試系統(tǒng)的非線性特征，在相同的分段數(shù)下，使用三次多項式擬合得到的曲線更加平滑和趨近理想校準(zhǔn)點。

圖8 分段線性擬合與分段三次多項式擬合的校準(zhǔn)誤差比較

進一步比較分段線性擬合和分段三次多項式擬合在分段數(shù)從1到10變化過程中，校準(zhǔn)誤差的變化，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，隨著分段數(shù)的增加，兩種擬合方式的校準(zhǔn)誤差都在降低。進一步對比兩種擬合方式，分段三次多項式擬合的校準(zhǔn)誤差隨著分段數(shù)的增加而表現(xiàn)出更快的下降趨勢，當(dāng)使用分段三次多項式擬合時，分段數(shù)達到5段即可使校準(zhǔn)誤差達到1‰以下；而當(dāng)使用分段線性擬合時，在分段數(shù)為10段以內(nèi)無法達到1‰以下?？梢妼τ诒緶y試系統(tǒng)的非線性特征，使用分段三次多項式擬合能夠更有效的達到校準(zhǔn)精度。

4 結(jié) 語

本文論證了一種面向高密度、多通道、在線校準(zhǔn)、靈活響應(yīng)裝備測試需求的組合式自動測試系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，設(shè)計并實現(xiàn)了基于CPCI總線的多通道組合式專用測試系統(tǒng)及其校準(zhǔn)方法，系統(tǒng)基于CPCI的J1接口實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)通信控制，基于CPCI總線的J2接口實現(xiàn)模塊間的調(diào)理信號傳輸，基于CPCI總線的后IO口實現(xiàn)測試信號和校準(zhǔn)信號的接入。論文針對系統(tǒng)的非線性，以掃描信號為例研究了采用分段擬合實現(xiàn)自動校準(zhǔn)的參數(shù)優(yōu)化方法，并得到：采用5段三次多項式擬合校準(zhǔn)能夠使系統(tǒng)的測試誤差快速達到1‰以下。本文設(shè)計的組合式專用測試系統(tǒng)可以為面向復(fù)雜密集信號的裝備測試提供一種靈活有效的設(shè)計方法借鑒。

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CPCI-based Dedicated Measurement System with Automatic Calibration for Complicated Hybrid Signals

LIANG Jia-qian, MENG Sheng-wei, LU Wen-shuai, FU Ping

(Automatic Test and Control Institute, Harbin Institute of Technology, Heilongjiang Harbin, 150001, China)

A CPCI-based measurement system with on-line automatic calibration was designed and fabricated dedicating for multi-channel complicated hybrid signal's fast and precise test. Dedicated signal regulating modules with a general data sampling module were designed based on CPCI J1/J2 ports and backboard input/output interface, together with the FPGA-based measurement converting sequence and control logic. A set of automatic testing software was designed based on LabVIEW environment. In addition, a self-adapted segmental fitting algorithm for automatic calibration was investigated, with error of 1‰, 2%, and 0.1‰ achieved for DC, AC and time-varying singals measurement respectively. Test results show that, the automatic calibration method based on segmental cubic polynomial fitting can effectively and fast decrease the measurement error caused by system non-linear, which contributes for the satisfaction for equipment measurement requirements.

measurement system; CPCI; automatic calibration; segmental fitting

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.016

2017-01-02

2017-03-25

TP212

A

1673-5692(2017)02-187-06

梁嘉倩(1992—)，女，河北人，碩士研究生，主要研究方向為計算機自動測試系統(tǒng)、工程政策分析；

E-mail: liangjq92@126.com

孟升衛(wèi)(1970—)，男，河北人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為儀器總線技術(shù)、雷達成像技術(shù)；

魯文帥(1987—)，男，遼寧人，博士，工程師，主要研究方向為航天總線技術(shù)、微米納米傳感器技術(shù)；

付平(1965—)，男，黑龍江人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為計算機自動測試與控制、總線技術(shù)、時域與調(diào)制域測試、圖像處理、環(huán)境監(jiān)測。