（测试计量技术及仪器专业论文）五位半数字多用表pxi模块的研制.pdf

n 尔滨胖t 人学一i - 顾i 学位论殳 五位半数字多用表p x i 模块的研制 摘要 本论文对五位半数字多用表模块的研制进行了深入的研究。数字多用表 模块是自动测试系统中最常用、最基本的一个测量模块，它可准确测量多种 常规电信号，几乎每个自动测试系统均需要数字多用表模块，其重要性可见 一斑。它的研究对推动我国p x i 技术的发展与应用具有重要意义。 本课题的任务是研制出符合p x i 总线规范和p n p 即插即用规范的五位 半总线数字多用表，能够测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、 两线电阳、四线电阻，并具有程控校准、自动量程、过载保护能力。 在查阅大量技术参考文献基础上，本文首先分析了国内外数字多用表模 块的发展及研究状况，提出课题的研究价值。然后根据模块研制的技术指标 和实际情况加以论证，确定了最后的总体方案和要采用的元器件。论文将对 测量电路和接口电路的设计进行论证，给出模块各部分的电路图并对测量电 路中对技术指标起决定性作用的模数转换器的选择进行重点分析。采用精 密、宽带的前置放大器来统一交流和直流输入通道，采用集成比例电阻的运 算放火器来简化量程转换电路。接口电路主要利用p l x 公司的p c i 9 0 5 2 芯 片来实现，论文简要的介绍了接口电路。本模块设计采用目前广泛应用、界 面和操作性极好的虚拟仪器软件一n i 公司的l a b w i n d o w s c v l 设计模块的 驱动程序和软面板，论文详细的介绍了驱动和软面板程序设计。介绍了本模 块所使用的c p uw 7 7 e 5 8 及模块监控程序的流程。 此数字多用表模块具有五位半的技术指标，达到了国内领先水平，是我 国第一块五位半数字多用表p x i 模块产品，并且成本较低，目前在市场l 的产品型号为a m c 4 3 1 1 。本设计对国内研究和开发数字多用表p x i 模块， 发展我国自己的p x i 产品，满足国内需求，具有重要意义。 关键词数字多用表；p x i 模块；前置放大器：集成比例电阻 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 d e v e l o p m e n t o f5 5 一d i g i t a lm u l t i m e t e rp x i b u s m o d u l e a b s t r a c t 5 5 - d i g i t a lm u l t i m e t e rp x i b u sm o d u l eh a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r d i g i t a lm u l t i m e t e rm o d u l ei s o n eo ft h em o s tb a s i ca n du s u a l l yu s e dt e s t m o d u l e s ，w h i c hc a l lt e s tm a n yg e n e r a le l e c t r o n i cs i g n a l s t h ei m p o r t a n c eo ft h e d m m ( d i g i t a lm u l t i m e t e rm o d u l e ) c a nb es e e nf r o mt h ef a c tt h a ta l m o s te v e r y a u t o m a t i ct e s ts y s t e ms h o u l du s ei t s ot h er e s e a r c ho ft h ed m mb a s e do nt h e p x i b u si n t e r f a c eh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f t h ep x i b u st e c h n o l o g y t h et a s ko ft h i sp r o j e c ti st or e s e a r c ha n dd e v e l o p5 5 - d i g i t a lm u l t i m e t e r p x i b u sm o d u l e ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h ep x i b u sc r i t e r i o na n dp n p ( p l u ga n dp l a y ) c r i t e r i o n ，诵t ht h ec a p a c i t yo ft e s t i n gd i r e c tv o l t a g e ，d i r e c tc u r r e n t ，a r e r n a t i n g v o l t a g e ，a l t e r n a t i n gc u r r e n t ，t w o - w i r er e s i s t a n c ea n df o u r - w i r er e s i s t a n c e f u r t h e r m o r ei t sa l s ow i t ht h ef u n c t i o no fp r o g r a mc o n t r o lc a l i b r a t i o n ，a u t o r a n g ea n d o v e r l o a dp r o t e c t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n gs i t u a t i o no ft h e d i g i t a l m u l t i m e t e rm o d u l ei nd o m e s t i ca n da b r o a d ，a n db r i n g so u tt h e s i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t ，o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gm a n yt e c h n i c a lr e f e r e n c e l i t e r a t u r e s a n dt h e nr e a s o n st h ep r o j e c ta c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a li n d e xa n d p r a c t i c es i t u a t i o no ft h em o d u l e ，a n df i x e so nt h ef i n a ls c h e m ea n dt h ep a r t so f t h ea p p a r a t u s t h ep a p e rw i l la l s oa n a l y s e st h ed e s i g n i n go ft e s tc i r c u i ta n d i n t e r f a c ec i r c u i tr e s p e c t i v e l y , g i v e st h ec i r c u i td i a g r a m so fe v e r yp a r ti nt h e m o d u l ea n dp u te m p h a s i so na n a l y z i n gt h ea d c ，w h i c hi st h ed e c i s i v er o l eo nt h e m o d u l e st e c h n o l o g yi n d e x a d o p t i n gp r e c i s i o na n db r o a d b a n dp r e p o s i t i v e a m p l i f i e rt oi n t e g r a t et h ea ca n dd ci n p u t t i n gc h a n n e l ；a d o p t i n gp r o p o r t i o n a l r e s i s t a n c ei n t e g r a t e da m p l i f i e rt op r e d i g e s tt h es c a l et r a n s l a t i o nc i r c u i t t h ec h i p p c i 9 0 5 2 ，w h i c hi sp r o d u c e db yp l xc o r p o r a t i o n ，i sa d o p t e dt or e a l i z et h e i n t e r f a c ec i r c u i t t h ev i s u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r el a b w i n d o w s c v i w h i c hi su s e d n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i nt h i sp r o j e c tt od e s i g nt h es o f tp a n e la n dt h ed r i v e ro ft h em o d u l e ，w i t hw i d e l y a p p l i c a t i o n ，w o n d e r f u l i n t e r f a c ea n do p e r a t i o np e r f o r m a n c e t h ep a p e rg i v e s d e t a i l e di n t r o d u c t i o no nt h ed r i v e ra n dt h es o f tp a n e lp r o g r a m a tl a s t ，t h ep a p e r w i l li n t r o d u c et h ew 7 7 e 58t h a ti st h ec p uo ft h em o d u l ea n dt h ef l o wo ft h e d e s i g n i n go ft h em o d u l e sc o n t r o lp r o g r a m w i t h5 5t e c h n i c a li n d e x t h i sd i g i t a lm u l t i m e t e rm o d u l ei su pt oa d v a n c e d l e v e li n0 1 1 1 c o u n t r y , i ti st h ef i r s td i g i t a lm u l t i m e t e rp x im o d u l ew i t h5 5 t e c h n i c a li n d e xi nt h em a i n l a n di no u rc o u n t r ya n dt h ec o s ti sl o w , a n da tp r e s e n t ， t h en u m b e ro ft h em o d u l ei sa m c 4 31 1i nt h em a r k e t t h i sd e s i g nh a sg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gd i g i t a lm u l t i m e t e rp x i b u sm o d u l e ， d e v e l o p i n gt h ep x ip r o d u c ta n dm e e t i n gt h ed o m e s t i cd e m a n d k e y w o r d sd m m ；p x im o d u l e ；p r e p o s i t i v ea m p l i f i e r ；i n t e g r a t i n gp r o p o r t i o n a l r e s i s t a n c e m - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑霞声明：此处所提交的顷t 学位论文五位半数字多片j 表p x i 模块的 研制，是本人在导师指导一f ，硇硼合尔滨理： 大学攻读硕士学位期问独立进行研 究：【作所墩得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 班冶f l 期州年乡月，办1 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 五位半数字多用表p x i 模块的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期问企导师指导下完成的硕二 = 学匝论文。本论文的研究成果归喻尔滨理：【大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理一i 二 火学关于保存、使用学位论文的觇j 芷，同意学校倮留并向：f j ：廷部门提父；0 ：曩 i i ! 予版本，允i ，l = 论史被壹阅和借阅。本人授权哈尔滨理： 大学可以采足j 影印、络渺】 或；他复制手段保存论文，可以公币j 沦文的全部或部分内容。 本学位沦文属于 保密耐，在3 年懈密晤适用授权二任。 不保密口。 ( 请住以上相应方框内打) 作哲签名： 帅复冶 f 名彩秘 ， f 1 期：州i f 弓j - j “| - i f j 期如锌3 门旆 哈尔演理t 。人学r 学倾i j 学位论义 1 1 选题的背景及意义 1 1 1 概述 第1 章绪论 当今时代是科技迅速发展的时代，伴随着微电子技术、计算机技术和网络 技术的迅速发展及其在测量领域的应用，测试技术不断进步，直到发展到今天 的虚拟仪器系统。 正是由于p c 产业的蓬勃发展带动着工业界替换传统解决方案的潮流。在 现今，p x i 的系统已经广泛且成功地应用于汽车测试、半导体测试、功能性测 试、航空设备测试以及军事的应用上“。下面我们先来回顾一下测试技术的发 展历史： 对于当今的工业，从组件到系统、设计到生产，测量工作皆是不可或缺的 一环。由于其重要性之所在，它的成熟与发展过程中的每一步都吸引着业界的 关注。从上个世纪7 0 年代以来，测量技术经历了从g p i b 到p x i 的变革。 1 g p l b 一v l 测量的先行者早在上个世纪7 0 年代，为了让计算机控制许 多独立的测量仪器，i e e e 定义了一套高速数据传输的协议4 8 8 1 4 8 8 ：2 。 对于计算机的数字化测量测试仪器，人们将其称为虚拟仪器( v n 。g p i b 技术 就是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段，它的出现使电子测量丌始向大 舰模的自动测试系统发展。g p i b 测量系统的结构和命令简单，有专为仪器控 制所没计的接口信号和牢固的接插件，加之几乎所有的独立仪器都有g p i b 接 口，因而体现出其简单性和便利性的优势所在。但是g p i b 的缺点也是显而易 见的：无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时带宽不足。因 此它主要应用于台式仪器，适合于精度要求高，但是不要求对计算机高速传输 的情况时使用。因而，对更高要求的测量应用，便需要技术上的进一步革新， v x i 总线技术就是在这样的背景下出现的。 2 v x l 一测量标准的开放品在g p i b 之后出现的是v x i 总线技术是v m e 总线在仪器领域的扩展( v x l 即v m e b u sx t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n 的缩 写) 。1 9 8 1 年l o 月，m o t o r o l a 、m o s t e k 和s i g n e t i c s 宣靠它们共同支持 v e r s b u s 和e u r o c a r d 模块尺寸的v m e b u s 。1 9 8 7 年v m e b u s 被i e e ei f 式接 阶尔演理t 人学t 学硕f j 学位论文 受为万用背板总线标准一v m e b u s 。但是v m e b u s 毕竟不是面向仪器的总线标 准，在1 9 8 7 年6 月由t e k t r o n i x 和w a v e t e k 等5 家仪器公司的代表宣椎成立 了一个技术委员会，同年7 月，该委员会( 即后来的v x i 总线联合体) 发布 了v x i b u s 规范的第一个版本。 v x i 总线具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m l 屏蔽。它 具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强( 高达4 0 m b s 的带宽是g p i b 的 4 0 倍) 、定时和同步精确、模块可重复利用，以及受到众多仪器厂家支持的优 点，很快就得到广泛的应用。尤其是在组建大、中规模的自动测量系统时，显 得很方便；同时，它也适合对速度、精度要求高的场合，因此主要用于军事、 航空航天和a t e 等领域的测量平台。虽然到了今天，v x i 总线的仪器和系统 已经被普遍接受，但是其造价高昂；加上4 0 m b s 的带宽对于现今的高速测量 装置仍嫌不足，人们对测量技术提出了更高的要求。在p c i 总线成为计算机主 流总线的今天，p x i 技术顺应而生。 + t 3 p x 卜测量技术的生力军p x i 是p c ix t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n 的缩 写。直观地说c o m p a c t p c i + e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n = p x i 。为了更适应 于工业应用，p x i 总线方式为p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要 求，增加了多板同步触发总线的技术规范，以便使用相邻模块的高速通讯局部 总线。p x i 还具有高度的可扩展性：p x i 具有8 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，而台式p c i 系统只有3 - - - 4 个扩展槽。一台式 p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，便形成了出 色的虚拟仪器平台。 实际上，自从v x l 总线诞生以来，虚拟仪器技术就以前所未有的速度得 到迅速发展。虚拟仪器是计算机技术在仪器领域应用中所形成的一种新型、具 有强大生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分 析、处理、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合相对传统仪器的 物理面板，虚拟仪器具有一个十分友好的用户界面来操作这台计算机，从而完 成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数据存储，仪器的操作十分简便。 计算机作为一个控制和数据处理中心，使在传统仪器中的由硬件完成的功能改 由软件来代替，用户可以通过修改软件来改变仪器的功能。虚拟仪器由于计算 机的参与，其数据的强大处理功能得到体现。模块化的结构使测试系统的组建 变得灵活、容易。所以，虚拟仪器的出现，给了用户一个充分发挥自己能力和 想象力的空阳j 。 与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于：打破了传统仪器的力能功能的概 哈尔滨胖t 入 + i - 学硕l j 学位论文 念，充分利用计算机技术。强调软件就是仪器的新概念，软件在某种程度上可 以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能。减少了随时f b j 漂移、需定期校准 的分立硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度和可重复性等大为提 高。仪器或系统的功能、规模由用户自己定义，加上虚拟仪器的刀：放性和功能 软件的模块化，组建测试系统更加灵活、简单。虚拟仪器是建立在当今世界上 最新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新较快i i l , l 。 随着计算机技术和仪器技术的不断发展，虚拟仪器技术已经有了很大的发 展，它已经成为未来仪器设计的必然趋势。 1 1 2 选题的目的和意义 本课题对运用p x i 总线的虚拟仪器技术设计数字多用表模块进行了深入研 究。相对v x i 总线而言，p x i 是基于台式p c 普遍使用的p c i 总线，这就使得 p c i 总线在带宽上具有一定的优势，标准p c iz e 作于1 3 2 m b p s 速率；而且基 于p x i 总线的产品，成本可以很低。现今，p x i 在多领域内( 包括军事，航 天) 得到广泛应用，其先进性得到了很好的证明。 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，它吸收了v x i 的优点，同时受益于 c o m p a c tp c i ( c p c i ) ，因而相对于其他总线来 兑，它具有以下特点： 系统优良的机械性能。p x i 系统采用了与c p c i 相同的略固欧洲卡组件系 统和高性能i e c 连接器，增加了特殊的冷却和环境要求，并提供了两种与标准 c o m p a c tp c i 系统的互操作方式。p x i 也保持了p c i 总线的所有优点，增加了 一个专用的系统参考时钟、公共触发线、星形触发总线和本地总线，从而保证 了精确定时、同步和旁带通信的需要”“。 1 欧洲卡机械组p x i 和c o m p a c tp c i 的机械结构符合欧洲卡规范，壤新 补充提出了电磁兼容性、用户定义的机械锁定和用于p x i 系统的其他装配问 题。这些电子装配标准定义了略固、紧凑的系统结构，以保证装配的机架在苛 刻的工业环境中使用的可靠性。另外，p x i 规范规定了系统槽的唯一位置足总 线板的最左端，且系统控制器可向其左面控制器扩展槽内扩展，这样不但降低 了系统集成难度，提高了不同厂商的控制器和机箱之问的兼容程度，也防止了 系统控制器占用宝贵的外围插槽。 2 高性能连接系统p x i 采用与c p c i 相同的高密度、屏蔽型、针孑l 式的 连接器，连接器引脚的问距为2 m m 。这种连接器符合i c e 1 0 7 6 国际标准，在 所有条件下具有良好的电器特性，使得p x i 系统可以在个单一的总线板上提 哈 j ：i e 卿1 ：人学下学顾f j 学位论文 供比p c i 总线台式p c 更多的插惜。 3 与c o m p a c tp c i 的约：操作性一方面，用户可以在p x i 机箱内插入标准 的c o m p a c tp c i 卡；另一方面，用户可以在标准的c o m p a c tp c i 机箱中，选用 与p x i 兼容的插入式模块，这时用户虽不能执行p x i 特有的功能，但可以应用 模块的基本功能。 4 系统参考时钟p x i 规定了把个1 0 m h z 的系统参考时钟分配给所有 外围设备的方法。这个参考时钟在一个测控系统中同步不同的模块。参考时钟 在背板上的实现是严格定义的，所以它提供了低失真信号，保汪了用于复杂触 发协议中的每个触发总线信号具有理想的时钟边沿。 5 公共触发线p x i 规定了八条非常灵活的公共触发线，使之能用于不同 的方面，如：用户可以使用触发线同步七个不同p x i 模块的操作。在其他应用 中，一个模块能控制系统中其他模块上进行的精确定时的操作序列。触发信号 还能在模块l 日j 传递，以实现对所控制或监控的外部异步事件做出确定l 响应。 6 星形触发p x i 星形触发总线为用户提供了超高性能的同步功能。相对 于公共触发线它有两个优点：一是保证了系统中的每个模块具有单独的触发 线，这适合确定性要求很高的应用；二是p x i 背扳规定了明确的布局要求，使 星形触发线提供了从星形触发插槽到每个槽的相应传输时问，保证了每个模块 之问精确的触发关系。 7 本地总线p x i 本地总线是菊花链总线，它连接每个外围插横以及其相 邻槽。每个本地总线为1 3 线宽，可用i r 在模块之问传输模拟信号或者提供高 速旁带通讯路径，并不会影响p x ! 的带宽。本地总线信号的范围从高速t t l 信 号到高达4 2 v 的模拟信号。相邻模块，f ：关通过初始化软件实现，禁止使用不哥廷 容模块。模块被要求将它们的本地总线引脚初始化为i 每阻状态，并且只能在配 置软件确定相邻模块兼容时激活本地总线助能。这种方法提供了定义本地总线 功能的灵活手段，而不受硬件开关限：| ；| j 。 8 具有p c i 特征p x i 系统具有比p c i 具有更多的插槽，多达7 个，这是 c o m p a c t p c i 规范所规定的。而其他所舒p c i 特性，比如3 3 m h z 的时钟频 率、3 2 位和6 4 位数据传输、刚插【! | 】用等等，都适合p x i 。 在现今，p c 产业在迅速的发展，而匕f j 玎p c 的差流总线标准是p c i ，因此 p x i 可直接得益于p c 机三 ：流一f ：业现有的犬量软件和硬件资源。p c 机的p c i 数 据传输优势( 1 3 2 m b y t e s ) 、最新c p u 的处理能力等等，这一切都使p x i 在各方 面超过了大多数传统的川仪器性能，并f = 1 必将得到更大更快的发展。随着汁 算机技术的广泛应用，测试仪器的待测内容和测试技术在广度和深度上都有了 哈尔滨理r 人学t 学f 颐l ：学位论上 长足的进步。测试技术从使用单台仪器进行测试转变为利用模块化特性组建系 统进行测试；从传统的独立测试模式转变为充分利用计算机硬件资源的虚拟仪 器测试系统。因此未来基于计算机的测试仪器将更方便、可靠，配霄更容易、 更灵活k i 。 数字多用表模块是自动测试系统中的最常用、最基本的一个测量模块，它 可以准确测量多种常规电信号，几乎每个自动测试系统均需要数字多用表模 块，其重要性可见一斑。研制一种高准确度、多参数、宽量程的数字多用表模 块，能够测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、两线电阻、四线电 阻，并具有程控校准、自动量程、过载保护能力，可以满足国内数字多用表 p x i 模块的需要。 目前，国内的p x i 技术发展还是比较的迅速，但是相对于国外来说，还存 在着相当的差距。同时，由于p x i 测试系统已经广泛的应用于工业测试当中， 依赖国外进口始终不是可选之策，所以自主研制p x i 数字多用表模块具有十分 重大的意义。 1 2 国内外研究发展状况 1 2 1p x i 的产生及发展历程 几十年来，随着技术的不断推陈出新，仪器平台的演进也经历了数代的发 展。七十年代，厂商推出的一些仪器主要是由面板来控制所需的功能。想要通 过其它的方式来取代面板的操控，最受欢迎的就是g p i b 接口，也就是所说的 i e e e 4 8 8 接口。但是，g p | b 接口的速度慢，并且当使用多个设备时，需要额 外的电路来达到同步触发的需求。在八十年代，v x i 的出现将高阶量测与测试 应用的设备带进了模块化的领域。但是它的缺点是，其昂贵的价格并不是各个 等级的客户都能负担得起。所以，随着p c 技术的发展，在上个世纪九十年代 诞生了p x i 。p x i 延续了模块化的精神，以较紧实的结构设计、较快的总线速 度以及较低的价格，为测量与测试设备提供了一个新的选择。说到p x i 的发 展，就不能不提到制订并推广p x i 规格的组织一一p x i s a ( p x is y s t e m a l l i a n c e ) 。p x i s a 于1 9 9 7 年成立，并于该年推出了1 0 版的p x i 规范。随着 p x i s a 的接受度提高，以及p x i 标准的不断完善，p x i 的规范和相关产品也逐 渐走向了标准化的道路。1 9 9 8 年，p x l 被指定为工业标准，p x i 开始了快步而 稳健的发展。2 0 0 0 年时，p x i s a 又推出了p x l 2 0 版，并于2 0 0 3 年2 月将规 哈尔演理1 ：人学丁学顾l ：学位论文 范更新至2 1 版。到现在，已经发展到了2 2 版阳。 1 2 2 数字多用表的发展状况 数字多用表模块作为自动测试系统的一个常用基本模块之一，一直受到仪 器生产厂商和科研人员的重视。随着科学技术的不断发展，数字多用表的测试 准确度不断提高，测试功能不断完善；同时，随着虚拟仪器技术的不断进步， 数字多用表也在不断的向着模块化的方向发展。 现在市场上已经出现了一些基于p x i 的产品。比如n l 公司新推出的 p x 卜4 0 7 0f i e x d m m 数字多用表模块，它突破了传统d m m 的速度难关，将 虚拟仪器的采集能力扩展到了6 位半。它在显著提高数据流量的同时丝毫无损 精度和测量准确度。f l e x d m m 的高速度、高精度和高性能使得它成为生产线 或者研发实验室中高端自动化测试和设计验证的理想设备。而以往只有较之贵 数千美元的高分辨率d m m 才能同时保证速度和精度。还有美国的f l u c k 仪器 公司在不久前推出了目前世界上最准确的8 位半数字多用表1 2 8 1 ，它分为模拟 电路和数字电路两部分。模拟电路以多斜率多重积分式d 转换器为核心，数 字电路以1 6 位微处理器m c 6 8 0 0 0 为核心，两部分之间以光电耦合的串行通讯 进行信息交换。两部分在电气上是完全隔离的，仅靠光电来实现信息的传送。 它为高等级计量、军工和航天领域提供最精良的测量特性，是高精确度数字多 用表中杰出的代表产品。 1 2 3p x i 数字多用表模块的发展状况 国外p x i 系统目前已有很多应用，如m i c r o c r a f t 公司选用n l 基于 w i n d o w sn t 的p x i 模块化测试系统很好地满足了测试系统高速、高精度和 高可靠性的要求，且价格适中。其应用除传统的测试和测量领域外，还可以应 用于现场服务、机械监测、数据采集、嵌入式系统和工业自动化等领域。n i 公司基于p x i 总线的产品包含了从机箱、零槽控制器、数据采集、图像采集等 等一系列领域。p x i 系统联盟的成员也从开始的4 家发展到了4 0 0 多家，经过 几年的发展，在国外，p x i 产品已经非常广泛了”。 国内对于p x i 系统的应用与研究、丌发相对国外来说是比较滞后的，基于 p c i 总线的功能模块在国内研发完成的还不是很多，技术也还比较落后。对于 p x i 总线模块国内大多数都只是购买n i 公司的产品作系统集成。如西安某研 究所引进了p x i 的分布式三级测控系统，包括各种软件。对于p x i 总线技术的 n 尔演理t 人学t 学硕f ：学位论史 研究、开发尚处于消化资料、了解性能、特点等起步阶段。多数仅介绍p x i 总 线的结构及其机械、电气和软件方面的结构和部分p x i 产品的特点等。对于 p x i 总线产品的自主研发对比v x i 总线产品来说，还是很落后的。 我校在上个世纪九十年代丌展了一系列v x i 总线的研究工作，并在1 9 9 7 年丌展的国家九五科技攻关项目“自动测试系统及设备技术研究 中取得了一 系列研究成果，研制出了具有较高水平的数字多用表、任意波发生器、通用计 数器、d a 转换器、多路开关等模块。因此，测试系统的各个测试测量模块已 经达到了比较高的水平。本课题的数字多用表p x i 模块的研制主要是在前面 科研成果的基础上研究、探索p x i 接口的相关特性并研制、设计出具有自主知 识产权的数字多用表模块的实体。这对我国自行丌发自动测试系统p x i 模块具 有重大意义。 1 3 主要研究内容 本课题的基本内容是在充分理解p x i 总线规范的基础上，根据合同要求丌 发符合p x i 相关规范的五位半的单槽数字多用表模块。本课题要完成的主要任 务有： 1 充分理解p x i 总线的相关技术优点，掌握p x i 总线系统的体系结构以及 相关标准。掌握数字多用表的测量原理，理解整个模块的电路结构，深刻理解 虚拟仪器系统，为后面相关技术的升级作好技术上的准备工作。 2 确定系统整体方案。 3 根据各测量量的要求以及p x i 数字多用表的尺寸，认真选择符合要求的 所需元器件。由于此次设计的是卡式仪器，对电路板的尺寸、电路布局均有严 格要求，因此要确定电路板的空问布局，并不断对电路的功能进行必要的修 改。 4 对设计的p c b 电路板进行对硬件的功能性调试并对指标要求进行严格的 校订。 5 编写模块的监控程序。 6 完成模块的驱动程序以及对应的软面板程序设计。 哈尔滨理工大学工学硕卜学位论文 第2 章研制方案的确定 2 1 模块的整体功能和相关指标 本课题来源于北京航天测控公司，由其委托我校测控技术研究所研制。 课题的任务及相关功能要求：本课题的主要任务是研制一块符合p x i 总线 规范和p n p 即插即用规范的五位半总线数字多用表，模块设计完成后，具有 直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、两线电阻、四线电阻的测量功 能。 1 程控指标： 具有过载保护能力 具有程控校准功能 具有自动校零功能 具有自动量程功能 2 技术指标： 符合p x l 2 0 总线规范 操作系统平台：w i n d o w s9 x 2 0 0 0 n t 环境条件：工作温度在o - - 5 5 ，存储温度在- 4 0 + 7 5 最高的直流电压精度：读数的o 0 1 5 + 满度的o 0 0 2 最高的交流精度：读数的0 6 3 + 满度的0 2 0 最高电阻精度：读数的0 0 4 + 满度的0 o l 3 接口指标： 接口功能的通讯命令采用s c p i 命令 模块尺寸为3 u ，单插槽 2 2 课题面! 临的主要问题及相应解决方案 由于我校在“九五 科技攻关期间成功地研制出了五位半数字多用表v x i 模块以及在后来受北京航天测控公司委托研制出了六位半数字多用表v x i 模 块。因此对数字多用表的测试原理比较清晰。 本次设计的数字多用表主要完成直流电压、交流电压、直流电流、交流电 哈尔演肥r 人学t 学硕l j 学位沦殳 流，两线和四线电阻的测量。 “九五科技攻关期问研制的数字多用表v x i 模块，由于当时科研条件 有限，为了缩短研制的时间，采用的是双c p u 结构。测量电路与接口电路相 互独立。消息基接口逻辑的实现是利用c p l d 来实现；由于有两片c p u ，测 量电路可直接开发台式数字多用表，而接口电路可以用来丌发其他的基于消息 基的v x i 模块，但是由于采用双c p u 结构串口通信，需要的指令比较多，或 多或少的会降低测量速度，影响测量的适时性；还有就是电磁兼容性问题， c p u 以及数字电路很容易给模拟电路引入噪声，双c p u 就大大增加了引入噪 声的可能性，从而降低了准确度与可靠性。再后来，为北京航空航天测控技术 有限公司研制的六位半数字多用表模块，在前面的基础上，采用单c p u 控 制。相对前面来说，六位半的数字多用表模块在测量速度和模块准确度上，都 有了极大的提高。本课题设计的五位半数字多用表p x i 模块采用了新的测试方 法，将交流和直流通道统一而且做到不影响合同要求的技术指标，这相对传统 的设计来说不能不说是一项创新，采用了新的元器件，在c p u 的选择上，不 再采用8 9 c 5 1 单片机，为了保证足够的内部程序存储空间与数据存储容量以及 测量的速度，必须采用比5 1 单片机更高性能的单片机，因而采用w 7 7 e 5 8 来 完成对测量电路的控制。接口功能的实现主要是利用p l x 公司生产的p c i 9 0 5 2 接口芯片来完成。 由于本次设计的是尺寸为3 u 的p x i 数字多用表模块，其尺寸比起六位半 的数字多用表v x i 模块来说，大约仪为它的四分之一( 还要稍微小一些) 。因 此电路p c b 的布局在不影响模块功能和技术指标的前提下，怎样节省空i 玎j ， 简化电路尤为重要。 2 2 1 测量电路的改进 在传统数字多用表的设计中，测量电路部分的输入信号选择电路是为了确 定a d c 当前的测量信号。数字多用表测量的是直流电压、交流电压、直流电 流、交流电流，二线电阻，四线电阻，而这些被测信号都是直接或间接转换成 直流电压信号，送到a d 转换器进行测量。在设计信号选择电路时，将信号分 为8 个( 包括：1 0 v 以下直流电压输入、1 0 v 以上直流电压输入、四线电阻高 端电压输入、四线电阻低端输入、电流电压变换后电压输入、地输入、校辱 基准输入、交流经过真有效值转换后的直流电压输入) ，而模数转换器在任意 时刻测量的是都是这八个信号中的一个，因而需要进行选择。在实验室以前传 哈尔滨理q - 人学t 学硕i j 学位论文 统的设计方法中，信号的选择是利用的八个场效应管2 s k l l 7 来实现的。但是 在本课题中，为了有效的利用有限的空间，而又不影响电路功能与指标，采用 一片八选一的多路选择开关a d g 4 3 8 f 来代替，这样就可以省掉八个电子开 关，由于a d g 4 3 8 f 良好的低泄漏等特性，可以保证在信号的选择电路部分， 不会对测量的指标产生影响。 线性电路部分主要是为了将输入的信号变换到a d c 能够接受的电压范 围，使a d c 能j 下常工作并且能够留有一定余量，使各个测量档位均有一定的 过载能力”“。当然，在线性电路中的各个比例电阻的温度系数应该是严格匹配 的。而由于在测量过程中可以随时标定增益和零点，因而线性电路的误差可认 为全部被修正。在我校“九五”科技攻关期间设计的五位半数字多用表以及后 来的六位半数字多用表在线性电路部分皆采用的是分离元件，电阻均采用温度 系数非常稳定的精密电阻。信号放大倍数的选择都采用场效应管2 s k l l 7 来进 行控制。然而在本课题中，为了使模块能严格的符合其机械尺寸规范，如果还 按照原来的设计，显然不能满足机械规范的要求，因此传统的设计方法已经不 能够满足要求，必须另行设计。本课题在线性电路部分，采用集成了精密电 阻、增益可选的运算放大器l t l 9 9 1 。采用贴片的封装工艺，精密电阻内部集 成，这不仅节省了空间，而且也大大改善了电路的电磁兼容性，有助于提高电 路的指标。l t l 9 9 1 的内部电路图如图2 1 所示，具体介绍见第三章。在信号的 放大1 0 倍与放大1 0 0 倍的选择上，本次课题也是利用低泄漏的a d g 4 0 9 柬进 行选择，以利于电路的简化，丽又不会影响到电路的指标。 恒流源电路主要是为在测量两线电阻与四线电阻时，提供一个稳定的电 流。在以往的设计中，常常是利用两个继电器开关来搭配电路以产生不同的电 流。而在本设计中，采用的是两片贴片的a d g 4 0 9 组合来产生电流，这样就省 掉了两个继电器，大大减少了这部分电路占用的空问，而且不会对测量有什么 大的影响。详细见第三章。 模数转换器对整个电路的测量准确度有着决定性的影响。在实验室课题组 以前的设计中，是利用两片a d c 来进行测量，即使用一片数据输出速度快的 a d c 来负责高速测量，而另外一片则是高准确度的a d c 来负责高准确度测 量，从而兼顾了速度与准确度的要求。这种设计思想在工作中仍然有其利崩价 值。但是在本课题中，在现在的条件下，若依然采用双a d c 结构，在功能上 固然可行，但是采用这样的疗案，一方面增加了研发成本，另一方面要占用更 多的空间，不利于电路的简化，因而采用了双通道、通道自动选择的2 4 位模 数转换器l t c 2 4 1 2 ，具体电路，见第三章。 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 托c o u t v r e f 图2 - 1l t l 9 9 1 内部电路图 f i g 2 - 1i n t e r n a lc i r c u i td i a g r a mo fl t i 9 91 2 2 2 仪器的驱动和面板设计 随着虚拟仪器技术的发展。n l 公司提出了“软件即仪器”的概念。在随 后的发展中，不断的推出些优秀的_ 丌发虚拟仪器应用程序的软件工具，像我 们常用到的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v l 等等，其中l a b w i n d o w s c v i 就是从 多软件工具中的佼佼者。它具有强大的信号分析处理能力、友好的界面以及基 于c 语言的特点使之成为现在市场上最流行的虚拟仪器软件开发工具。本课题 驱动程序的设计即采用l a b w i n d o w s c v l 软件完成。 2 3 仪器模块整体方案的确定 本课题研制的是一个3 u 尺寸的p x i 数字多用表模块。有其严格的机械物 理尺寸要求。模块的测量电路与接r 】电路必须容纳在这样一个3 u 尺寸的线路 板上，因而整个电路肯定是非常的紧凑。数字多用表由于需要测量多个参数， 而且要求有较高的准确度，同时测量电路部分也应该严格的按照合同的要求以 哈尔滨理- r 人学t 学f 碰i 学化论爻 达到相关标准，因而整个测量电路元器件应该严格挑选。对于数字多用表这样 一个要求高准确度的测量仪器来讲，它具有测量多个变量的能力，同时对每一 种测量又具有多个量程，因而电路必然是相当的复杂；在要求高准确度的情况 下，测量的模拟电路也必然要求有很高的线性度，因而在按照3 u 尺寸设计电 路的条件下，测量电路的准确度、高速度、电气的隔离、以及仪器的校准等等 都是在确定仪器整体模块方案时应予以考虑的因素。 本次课题的设计采用单c p u 的结构，由一个c p u 来处理p x i 接口的各种 操作，同时也按照c p u 接收到的上位机的命令来控制测量电路以完成各种测 试功能的实现。由于数字多用表具有测量高电压的功能，本次数字多用表测量 电压的最大值达到3 0 0 v ，因此为了整个系统的安全，必须在测量电路与接口 实现电气上的隔离，这一点，依然是采用光电隔