基于PXI平臺的通用化多功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海航天電子技術(shù)研究所 孫斯亮 魯 毅 汪小麗

基于PXI平臺的通用化多功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海航天電子技術(shù)研究所 孫斯亮 魯 毅 汪小麗

當(dāng)前基于PXI平臺的標(biāo)準(zhǔn)模塊功能單一，價(jià)格昂貴，為了節(jié)約成本，需要選用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊并自制模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試系統(tǒng)搭建。本文針對有線裝置及無線基帶裝置測試系統(tǒng)的基本需求，設(shè)計(jì)了一種基于PXI平臺的通用化多功能模塊，實(shí)現(xiàn)了信號采集、信號輸出、數(shù)據(jù)通訊、觸點(diǎn)控制等多個(gè)功能，有效降低了測試系統(tǒng)成本與體積，提高了模塊通用化水平及測試系統(tǒng)搭建效率。

通用化；多功能；設(shè)計(jì)

引言

隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，用戶只需選購相應(yīng)模塊即可快速完成測試系統(tǒng)搭建。然而標(biāo)準(zhǔn)模塊功能單一，價(jià)格昂貴，利用多個(gè)不同種類的標(biāo)準(zhǔn)模塊才能完成測試系統(tǒng)搭建，最終系統(tǒng)搭建成本昂貴，體積龐大，單個(gè)模塊內(nèi)資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為了節(jié)約成本，縮小體積，用戶大多采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)合自制模塊方案搭建系統(tǒng)，然而該方案設(shè)計(jì)調(diào)試工作量巨大，通用化較差，搭建周期較長，節(jié)約成本有限,。因此，開發(fā)一款功能豐富的通用化多功能模塊對降低測試系統(tǒng)的搭建成本和體積，提高模塊通用化水平及測試系統(tǒng)搭建效率有著重要意義。

本文提出了一種基于PXI平臺的通用化多功能模塊，采用模塊化、通用化、集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號采集、信號輸出、數(shù)據(jù)通訊、觸點(diǎn)控制等功能，集成了萬用表卡、多功能采集卡、示波器卡、數(shù)據(jù)通訊卡、繼電器卡、調(diào)制信號源等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊功能，滿足了有線裝置及無線基帶裝置測試系統(tǒng)的基本需求，有效降低了測試系統(tǒng)成本與體積，提高了測試系統(tǒng)集成度、通用化水平及搭建效率。

1.總體方案

通用化多功能模塊主要由信號調(diào)理單元、繼電器觸點(diǎn)單元、電源轉(zhuǎn)換單元、采集與控制單元、數(shù)據(jù)通信單元組成，信號調(diào)理單元負(fù)責(zé)將電壓、電流、阻抗等采集信號進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，繼電器觸點(diǎn)單元通過數(shù)字信號程控對外提供可控繼電器觸點(diǎn)，電源轉(zhuǎn)換單元對PXI背板電源進(jìn)行調(diào)壓轉(zhuǎn)換為多電壓供電及驅(qū)動(dòng)信號，采集與控制單元負(fù)責(zé)調(diào)理后的數(shù)字信號進(jìn)行采集并根據(jù)數(shù)據(jù)通訊單元指令產(chǎn)生數(shù)字和模擬信號，數(shù)據(jù)通訊單元負(fù)責(zé)對內(nèi)部信號電平及形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成與模塊外部被測件及PXI總線數(shù)據(jù)的通訊與傳輸。圖1為通用多功能模塊的功能框圖。

1.1 信號調(diào)理單元

信號調(diào)理單元由功率電阻、放大電路、數(shù)字電位器、分壓電路、開關(guān)矩陣、隔離電路、程控放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，功能框圖如圖2所示。其中，輸入電流信號通過功率電阻進(jìn)行電流采樣后，將采樣正負(fù)端電壓通過放大電路進(jìn)行放大，最終通過隔離電路轉(zhuǎn)換為對外部隔離地電壓信號。輸入阻值信號由電源轉(zhuǎn)換單元供電，經(jīng)程控?cái)?shù)字電位器分壓轉(zhuǎn)換為共地電壓信號，輸入電壓信號經(jīng)過分壓電路轉(zhuǎn)換為對外部隔離地電壓信號。根據(jù)需求使用多個(gè)上述電路，上述電壓信號通過程控多選一開關(guān)矩陣輸出單路信號，進(jìn)而通過隔離電路轉(zhuǎn)換為共地電壓信號，最后經(jīng)程控放大器放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號至采集與控制單元，該單元有效覆蓋了為了增加多功能采集卡通用性自制的各種調(diào)理模塊。

1.2 電源轉(zhuǎn)換單元

電源轉(zhuǎn)換單元由濾波電路、升壓DC-DC模塊、固定降壓DC-DC模塊、可調(diào)降壓DC-DC模塊、調(diào)節(jié)電路、隔離電路組成，功能框圖如圖3所示。電源轉(zhuǎn)換單元由PXI背板供電，其中背板5V經(jīng)濾波電路直接輸出，背板3.3V一路經(jīng)濾波電路直接輸出，另一路通過固定降壓DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為2.5V經(jīng)濾波電路輸出，背板12V一路經(jīng)濾波直接輸出，另一路通過升壓DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為36V電壓后，經(jīng)調(diào)節(jié)電路及可調(diào)降壓DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為24V~34V可調(diào)電壓，可調(diào)電壓經(jīng)隔離電路及濾波電路后對外輸出，上述電壓均連接至模塊外部接插件可通過電纜引出使用或檢測。

1.3 繼電器觸點(diǎn)單元

繼電器觸點(diǎn)單元由多個(gè)微型固體繼電器與驅(qū)動(dòng)電路組成，功能框圖如圖4所示,繼電器正負(fù)觸點(diǎn)全部連接至模塊接插件，用戶根據(jù)實(shí)際需要通過電纜自定義正負(fù)觸點(diǎn)屬性，驅(qū)動(dòng)電路主要由多級并聯(lián)非門電路及接口電阻組成，該電路接收電平信號并進(jìn)行電流補(bǔ)償為繼電器控制電路提供控制信號，通過導(dǎo)通繼電器內(nèi)部發(fā)光二極管，驅(qū)動(dòng)繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，有效覆蓋了程控繼電器卡的功能。

1.4 采集與控制單元

采集與控制單元由時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)緩存、現(xiàn)場可編程門陣列（簡稱FPGA）、存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成,功能框圖如圖5所示。其中時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生主時(shí)鐘，數(shù)據(jù)緩存實(shí)現(xiàn)對FPGA接收信號的緩存，F(xiàn)PGA內(nèi)置嵌入式軟件通過數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)解析、串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波及軟件無線電等手段將數(shù)據(jù)通訊單元輸出的控制信號進(jìn)行解析并根據(jù)配置產(chǎn)生選擇算法處理產(chǎn)生數(shù)字信號對外輸出，同時(shí)將外部采集的數(shù)字信號根據(jù)配置算法進(jìn)行處理后輸出至數(shù)據(jù)通訊單元，其中FPGA輸出數(shù)字信號通過程控信號調(diào)理單元對采樣速率及采樣通道數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對調(diào)理后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，有效覆蓋了萬用表卡、示波器卡及多功能采集卡的功能，通過繼電器觸點(diǎn)單元，實(shí)現(xiàn)對對繼電器觸點(diǎn)的控制，通過數(shù)據(jù)通訊單元完成與外部被測件的數(shù)據(jù)通訊，存儲器負(fù)責(zé)對FPGA處理算法進(jìn)行存儲，下次加電自動(dòng)初始化FPGA設(shè)置,選擇處理算法。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號程控電源轉(zhuǎn)換模塊調(diào)節(jié)電路，同時(shí)FPGA內(nèi)部使用調(diào)制及變頻等算法產(chǎn)生數(shù)字信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生基帶調(diào)制信號，有效覆蓋了調(diào)制信號源的功能。

1.5 數(shù)據(jù)通訊單元

數(shù)據(jù)通訊單元由PXI接口電路、數(shù)據(jù)通訊接口電路組成。PXI接口電路將PXI總線信號進(jìn)行處理后傳輸至采集與控制單元，并將信號調(diào)理單元處理好的信號傳輸至PXI總線供總線上其他模塊使用，數(shù)據(jù)通訊接口電路將采集與控制單元輸出的通訊信號及同步信號進(jìn)行隔離、差分及電平轉(zhuǎn)換，完成與被測件數(shù)據(jù)傳輸與通訊，有效覆蓋了數(shù)據(jù)通訊卡的功能。

2.結(jié)語

本文介紹的基于PXI的通用化多功能模塊實(shí)現(xiàn)了萬用表、多功能采集卡、示波器卡、數(shù)據(jù)通訊卡、繼電器卡、調(diào)制信號源等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊功能，有效覆蓋了大部分有線裝置以及無線裝置低頻部分的測試需求。本模塊搭建的自動(dòng)化測試系統(tǒng)相對使用已有標(biāo)準(zhǔn)化模塊體積小、成本低，功能多，相對于使用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)合自制模塊，通用性強(qiáng)，開發(fā)周期短。本模塊定型為標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行量產(chǎn)后，將進(jìn)一步降低成本及周期，有效提高基于PXI平臺的自動(dòng)化測試系統(tǒng)搭建效率。

[1]孫斯亮等．基于PXI總線的多星座導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)[P]．201621098282．4,2016．

[2]孫斯亮等．多星座導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2017．

[3]高利．?dāng)?shù)字萬用表的研究與設(shè)計(jì)[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014．

[4]錢國平．基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集模塊的研制[D]．哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004．

孫斯亮（1989—），男，漢族，河南洛陽人，理學(xué)碩士，研究方向：電子技術(shù)。