（测试计量技术及仪器专业论文）基于vxi总线的进气道控制系统处理机测试设备的研制.pdf

南京航空航天大学硕士攀健论文 诵妥 本文邋逐建磺v x t 总线盎毅便器技术实嚣霹飞辍逶气遵羧糕系统楚遴瓿动态溅 试设备的研制工律，对 v “x i 总线测试系统的集成进行了研究，并编写了虚硝软件。 论文程麓要介绍虚拟仪器的概念以及v x i 总线系统的缕约、特点的基础上，结会 飞机进气邋控髑系统魅理枕动态灏试设备的研裁，阕述了蘩予v x i 总线黪测试系统 靛测试愚想、总体臻橡秘疆、较 争莰诗；势裁蠲l a b v i e w ( 蕊羧纹器懿敬佟开发平 台之一) 缡翩了飞飘避气遵控裁系统动态测试设餐静溺试软件，该软件配合礤件系统 完成动态测试设备的各项功能测试。 论文激爱进行了瞧戆溅凌与谡羡分褥工终，蒡潮塞了溺试浚套筑溺试数据及处溪 结鬃。 关键谴： 纛叛坟器，v l 蕊线，l a b v i e w ，鼗豢巢集，数据楚矮 蒸于v x i 想线避气邀控制系统处理机测试设螯的研制 a b s t r a c t 强i sp a p e rd e a l sw i t hi m p l e m e n t i n g ，b yt h ev i r t u a lv x i ，b u ss y s t e m ，t h ed y n a m i c t e s t i n ge q u i p m e n t o ft h ep r o c e s s o ro ft h ei n t a k ec h a n n e lc o n t r o ls y s t e mo fa i r p l a n e s i ta l s o s t u d i e si n t e g r a t i n gt h ev x i * b u sb a s e dt e s t i n gs y s t e mw i t ht h eh a r d w a r em o d u l e sa n d p r o g r a m m e d t h ea s s o c i a t e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， i ts l a r t sw i 也ac o n c i s ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o na n dv x i b u s s t r u c t u r e ，a n dt h e n ，o r i e n t e dt o w a r dd e v e l o p i n gat e s t i n gs y s t e mf o rt h ed y n a m i c t e s t i n ge q u i p m e n to f t h ep r o c e s s o ro ft h ei n t a k ec h a n n e lc o n t r o ls y s t e mo fa i r p l a n e s ，t h i s p a p e rp r e s e n t s t h ei d e a so fav x ib u s b a s e d t e s t i n gs y s t e m ，i t s s t r u c t u r ea n d h a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g n t h et e s t i n gs o f t w a r e ，w h i c hc o o p e r a t e sw i t ht h eh a r d w a r et o f u l f i l lt h e t e s t i n gf u n c t i o n s ，i sp r o g r a m m e d w i t hl a b v i e w ( av i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ) i nt h el a s tc h a p t e r , t h i sp a p e rh a st e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g ns y s t e ma n d a n a l y z e dt h e e t t o r sa n dl i s t st h es y s t e m st e s td a t aa n dr e s u l t s k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，v x i b u s ，l a b v i e w , d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i s i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本章简介：对虚拟仪器和v x i 总线技术作简单的介绍，并提出本课题的研究内 容和研究意义。 1 1 虚拟仪器简介 随着无线电电子学的发展及其广泛应用，特别是在军事应用领域，对电子测试技 术和测试系统提出了愈来愈高的要求。测试项目和测试范围的不断扩展，对测试速度 和测试精度的要求也与日俱增。在测试系统中，对仪器的“智能”要求越来越高，仪器 中微机的任务不断加重，仪器在很多方面逐渐向微计算机靠拢。此外，随着微计算机 和智能仪器的普及，测试系统中包含的重复部件越来越多，而冗余的部件往往不能容 错。因此，需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。在这种背景下，出现了一 种与p c 机配合使用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层迭式结构发 展成为模块式结构。与传统仪器不同的是：模块式仪器本身不带仪器面板，因此必 须借助于p c 机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板， 完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与p c 机结合构成的，包含实际仪器使用 与操作信息软件的仪器，被称为“虚拟仪器”f 2 1 。 1 1 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是在以计算机为核心加上必要的硬 件所组成的硬件平台上。由用户设计和定义其功能，具有虚拟面板，其测试功能由测 试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能 来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果：利用计算机强大的软件 功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i 0 接口设备完成信号的采集、测量与 调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟 面板，就如同使用一台专用测量仪器一样3 1 。 虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测 试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资 源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设各的研制 1 1 2 虚拟仪器的性能特点 与传统的仪器相比，虚拟仪器具有如下的性能特点： ( 1 ) 虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为 提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不 用购买一套全新的系统，有利于测试系统的扩展。 ( 2 ) 可由用户自定义仪器功能。由于仪器的功能可在用户级上产生，故它不再完 全由仪器生产厂家来确定，用户可以根据自己的需要，通过增加或修改软件，为虚拟 仪器加入新的测量功能，而不用购买一台新的仪器。 ( 3 ) 数据处理能力强。由于借助于计算机，虚拟仪器可以实现过去比基于微处理 机内核仪器复杂许多的数据处理、分析与显示能力，并可利用数据文件或数据库格式 进行数据的存储与恢复。 1 1 3 虚拟仪器的构成及分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种不同的类 型： 第一类：p c 总线一插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件相结合完成测试任务。它 充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，它的关键技术取决于a d 转换技 术。但是受p c 机箱和总线的限制，且有电源功率不足、在机箱内部的噪声电平较高、 插槽数目不多、插槽尺寸较小、机箱内无屏蔽等缺点。 第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一 个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以 组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万 用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。如美国l i n k 公司的 d s o 2 x x x 系列虚拟仪器，它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作 业，又可与台式p c 机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。 第三类：g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是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独 立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块 g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。g p i b 技术可用计算 机实现对仪器的操作与控制，并可咀方便地把多台仪器组合起来，形成自动测试系统。 南京航空航天大学硕士学位论文 g p i b 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器。适合于精确度要求高的， 但不要求对计算机高速传输状况时应用。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x i ( v m eb u se 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 ) 总线是一种高速计算机总线v m e ( v e r s a m o d u l e e u r o c a r d ) 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却 能力和严格的r f i f e m i 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定 时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。 经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动 测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建 v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 第五类：p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加 了成熟的技术规范和要求而形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟，用于精确 定时的星形触发总线，以及用于相邻模块的高速通信的局部总线。p x i 具有高度可扩 展性，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，将形成 未来的虚拟仪器平台。 1 1 4 虚拟仪器的发展方向 由于虚拟仪器技术的发展与计算机技术的发展息息相关，所以显示了强大的生命 力，虚拟仪器为用户提供了一个可升级的框架选项。随着计算机、通信、微电子技术 的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪 器中是虚拟仪器发展的大趋势。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及 数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器， 可以在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息的愿望成为现实3 1 。 1 2v x i 总线技术简介 1 2 1v x i b u s 总线的由来 虚拟仪器的出现，以其突出的优点，显示了很强的生命力，然而，这种模块化仪 器没有统一的标准，不同的仪器厂家生产的产品之间不能兼容，用户在集成系统时难 以在多个仪器厂家的产品中进行选择配置，这成了虚拟仪器技术发展的主要障碍。因 此，用户对它的标准化提出了强烈要求。八十年代中期，美国空军的一个模块化自动 测试设备( m a t e ) 用户组织提出对模块化仪器进行标准化的建议，并成立了卡式仪器 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 分委员会，对各种模块式仪器和卡式仪器进行研究，以降低设备尺寸为指导原则，寻 求种替代传统g p i b 接口总线的模块化标准接口。世界上一些有影响的仪器厂家受 美国空军的委托，从仪器生产方面考虑，希望能研制出一种模块化的仪器总线。与此 同时，i e e e 也着手进行一个标准项目，目的是发展一种高速的模块化仪器总线，这 些都为v x i 总线的产生作了准备。一九八七年春，c o l o r a d od a t as y s t e m s 、h p 、t e k 、 r a c a l d a n a 、w a v e t e k 等五家测试和仪器公司的工程技术代表组成一个联合体，他们 志愿在一起工作一段时间，根据v m e 计算机总线、e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和i e e e 4 8 8 2 等标准，来制定开放性仪器总线。同年七月，他们一致宣布支持种在 v l , i e 总线基础上扩展而成的模块化仪器的公用系统结构，命名为v x i ，并公布了 v x i b u s - i 0 版本规范。之后经过不断修改、完善，1 9 9 2 年，v x i 总线系统规范成了 工业领域国际标准，即i e e e l1 5 5 1 9 9 2 标准。凡符合v x i 总线规范标准的仪器及系 统，被称为v x i 仪器及v x i 仪器系统。 1 2 2v x i 总线即插即用规范系统 v p p ( v x lp l u g p l u g ，v x l 即插即用) 规范提出的最初目的是为了解决多生产 厂家的v x i 系统的易操作性与互操作性问题，并提供给最终用户进行系统维护、支持 与再开发的能力，v p p 的最大受益者是最终用户。需要说明的是，在v p p 规范中定义 的仪器模块，并不专指v x i 仪器模块，也可以包含其它类型的符合规范的虚拟仪器模 块。符合v p p 规范的虚拟仪器系统，简称为v p p 系统，其具有以下几个特点： ( 1 ) 系统性：v p p 规范着眼的不仅仅是v x i 仪器模块( 包括硬件模块与软件模块) 的设计更注重于整个结构化、模块化的虚拟仪器系统设计。 ( 2 ) 开放性：v p p 规范不仅对仪器生产厂家是开放的，而且对于用户来说也开放， 它不仅是虚拟仪器系统的设计指导规范，也是虚拟仪器系统的应用指导规范。v p p 规 范一方面致力于降低最终用户的应用和维护任务的复杂性，减轻用户负担，另一方面 又强调了用户可作为仪器系统开发与维护一份子参与其中。 ( 3 ) 兼容性：v p p 系统的兼容性不仅来自于不同生产厂家的同类仪器总线规范的 兼容性，也包括多种仪器类型之间的兼容性。为了达到新的测试目的，v p p 系统的组 建不需要将以前的测试系统完全抛弃，而可与已有的基础充分相兼容，从而使用户可 以确保他的投资在现在甚至在将来也不被浪费。 ( 4 ) 统一性：v p p 系统中最核心的部分是提供了一个统一的i o 接口软件( v i s a ) 规范，从而为不同的软件元件在同一平台中运行提供了统一的基础。在v i s a ( v i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 基础上设计与应用的仪器驱动程序以及软面板 等也都成为了统一格式的标准模块，从而实现了仪器间的互操作性与互参考性。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 3v x i 仪器的特点 v x i 仪器是一种模块化的卡式仪器，它没有传统意义上的操作面板，对v x i 仪器 的操作与显示，都需要借助p c 机进行。毫无疑问，所有v x i 仪器都属于虚拟仪器， 它继承了虚拟仪器的所有特性。v x i 总线系统的出现为虚拟仪器的发展提供了新的方 向与动力，v x i 总线的系统结构为虚拟仪器的开发提供了更为理想的平台。 ( 1 ) 开放标准：v x i 是一种真正的开放标准，得到世界上许多仪器厂家( 已收到 v x i 总线联合体颁发的标识码的生产厂家目前有2 0 0 多家) 的支持，因此，用户可以 选用不同厂家的仪器模块，使用户集成虚拟仪器系统选择性更大、更为灵活、效率更 高，缩短了系统组建时间，提高了系统可互换性。 ( 2 ) 较高的测试系统吞吐量：v x i 总线背板的理论数据传输速率可达4 0 m b i t s ， 背板不再成为数据传输的瓶颈。v x l 总线的另一个优点是具有分布性智能的潜力，可 在共享存储器体系结构内与背板上多个微处理器打交道。通过背板上的数据传输，可 使数据带宽比系统中任何一个器件所能达到的带宽都要宽。多级优先权可提供严格的 中断处理，在判优电路中能高效利用数据总线，有助于提高整个系统的吞吐量。 ( 3 ) 模块化结构：v x i 仪器系统采用了模块化结构，其采用共用电源、消除面板、 共用冷却、高密度紧凑的结构设计，有利于减少尺寸，选用需要的测试模块、较少的 c p u 管理等措施降低系统的冗余度，与机架层迭式仪器系统相比，会大大缩小系统尺 寸和降低成本。 ( 4 ) 易与机架层迭式仪器结构相结合：在v x i 总线规范中定义了i e e e 4 8 8 一v x i 总线接口，可以把成功的i e e e 4 8 8 2 ( 6 p i b ) 语言和软件移植，用于v x i 总线测试系 统控制，接口器件中的关键是智能翻译器，它完成协议命令词的转换。这样，v x i 总 线测试系统不但能单独运行，也可以成功的将i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 自动测试系统连接， 构成了更大的测试系统。 ( 5 ) 易于实现系统网络控制：v x i 总线规范定义了仪器系统与计算机网络系统 的连接，使仪器系统不但可以实现本地局域网络控制，也可实现远程广域网络控制， 将仪器系统与计算机网络技术紧密结合在一起。 由于v x i 总线为平台的虚拟仪器软件和硬件都具有开放性、模块化、可重复使 用及互换性等特点，v x i 总线系统已在世界范围内得到越来越广泛的应用。我国也在 积极跟踪和消化这一先进技术，己在航天测控、军事科研和标准计量等项目中建立了 v x i 总线系统，通信、飞机制造、工业自动化等测控领域的v x i 总线仪器应用方兴 未艾，并有着迅速普及应用的势头。在这一背景下，本文通过v x i 总线进气道控制 系统处理机测试设备的研制，对v x i 总线测试系统的集成进行了研究，编写了测试 系统的应用软件并分析了集成工作中的应用软件编写问题。 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 1 3 本课题的研究内容与意义 1 3 1 课题研究内容 本课题研究的主要内容是：利用引进的n i 的v x i 总线模块化仪器、机箱、控制 器集成一套v i i 总线测控系统用于进气道控制系统处理机的测试。具体内容如下： ( 1 ) 分析测试设备的技术要求，设计测试系统的总体方案。 ( 2 ) 给出测试设备的总体硬件结构，设计v i i 总线测试平台与处理机之间的转接 口电路。 ( 3 ) 对v x i 总线测试平台中各个仪器模块的调试与使用，并对位移传感器的各个 标量值进行了测试检验。 ( 4 ) 编写测试设备的应用软件，并对软件的可重用问题进行分析、提出解决方案。 ( 5 ) 对测试数据的误差进行分析，从软、硬件方面对测试系统进行进一步的完善。 1 3 2 课题的意义 通过v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制，和对v x i 总线通用测试系 统的集成的研究，以开发出一套实用的、可靠的软件系统。这将对所引进的v i i 测控 设备能否发挥巨大的功能是非常重要的。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章进气道控制系统处理机测试设备的硬件组成 本章简介：本章对进气道控制系统处理机地面测试设备整体结构和功能作一简单 的介绍。结合进气道控制系统处理机中v x i 总线测试系统的硬件组建，介绍了一般通 用v x i 总线测试系统集成中的有关问题。 2 1 进气道控制系统处理机测试设备的硬件结构 迸气道控制系统处理机测试设备的硬件组成如图2 - 1 所示，其主要由v x i 总线测 试系统平台、计算机、转接口以及处理机实验和调试用的附件( 位移传感器、总温电 阻箱、+ 2 8 v d c 专用电源) 等组成。 发动机低压转子转速n 1 频率 附 进 气 开关控制信号( 八路) 件 道 微 i e e e l 3 9 4 v x i 、 3 84 5 , 控 型测 调节电压、反馈电压 转 专 计控 1 接 用 电缆 制 算 口 电 仁 系 机台舅服电流( 两路) 、开锁电流 源统 1 激磁电压、指示灯信号( 五路) 处 理 转接口机箱 机 图2 - 1 测试设备的总体结构图 转接电路的功能为：通过开关信号控制离散t t l 电平的通断以及电流信号到电压 信号的转换。具体是：v x i 总线测试平台中数字 o 模块产生的逻辑信号0 或1 控制 继电器的开路或接通：数据采集模块通过测试流经精密电阻两端的电压信号，从而间 接得到电流信号。接口电路的原理如图2 2 所示，图中继电器1 、继电器2 、继电器 7 和继电器8 的输入信号端接+ 2 8 v d c 专用电源；继电器3 、继电器5 和继电器6 的输 入信号端接地；继电器4 的输入信号端接+ 1 2 v o c ，+ 1 2 v d c 是由+ 2 8 v d c 经过电阻分压 得到，为保证+ 1 2 v d c 的稳定性，在电阻分压得到的+ 1 2 v d c 两端加上一个+ 1 2 的稳压 管。处理机输出的几个指示灯信号都是三极管的集电极输出，因此通过连接一个上拉 电阻t ! l j + 5 v d c ，实现指示灯亮时输出的离散t t l 电平为“0 ”：指示灯不亮时输出的离 散t t l 电平为“1 ”。处理机的输出电流( 开锁电流、伺放i 、伺放i ：) 通过连接高 精度的电阻转变为电压。 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 图2 - 2 接口电路原理图 8 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 进气道控制系统处理机测试设备实现的功能 测试设备的输入输出信号如下： l 、输出信号： ( 1 ) 发动机低压转子转速( n 1 ) 的频率信号。频率变化范围：0 3 0 3 0 h z ，幅值 变化范围：0 1 v 5 v ，频率稳定度：0 1 ，幅值稳定度：1 ，波形失真度：3 。 ( 2 ) 八路开关控制信号：有效时，其中四路接+ 2 8 v d c ，一路接+ 1 2 v d c ，三路接 地。 2 、输入信号： ( 1 ) u t * ：恒i 电流源流过电阻箱的电压。 ( 2 ) 调节电压：处理机在n l 频率信号作用下的输出信号，其大小与八路开关控 制信号的状况有关。其理论最大值为l o v ，最小值为0 v 。 ( 3 ) 反馈电压：位移传感器的输出电压。其理论最大值为l o v ，最小值为0 v 。 ( 4 ) 伺放电流i 、i ：允许输出平衡电流范围( 5 2 o 1 6 2 0 1 ) m a ；理 论最大输出电流耋1 2 5 m a 。 ( 5 ) 电磁锁开锁电流：直流电流理论范围2 4 3 0 m a 。 2 3v x i 总线测试系统的硬件组建 一个v x i 总线测试系统的集成工作主要包括系统的硬件组建和应用软件的编制 两大部分，本文将对这两部分内容分别进行介绍。本章着重介绍所组建的v x i 总线进 气道控制系统处理机测试系统的硬件组成。对于一个v x i 总线测试系统集成者来说， 在组建系统硬件时应主要完成以下几项任务：首先明确测试任务，了解测试对象；其 次依据测试对象的特性选择测量方法，从而确定选用的信号调理模块、数据采集模块 以及其它功能模块的类型；然后选购由各个v x i 总线仪器生产厂商提供的性价比高的 v x i 总线模块、主机箱以及零槽主控制器等硬件设备；最后根据实际测量方案确定模 块与模块之间的连接方案。 2 3 1 测试系统硬件组建总体方案 根据测试设备的输3 , 输出信号，v x i 总线测试系统的硬件框图如图2 3 所示： 进气道控制系统处理机测试设备实际为一台地面测试设备，其需要实现的功能：提供 模拟处理机正常工作的模拟信号和监控处理机不同工作状态下的输出信号。模拟处理 机正常工作需要的信号有正弦波信号和开关量信号，它们分别通过波形产生模块和数 字y o 模块实现；处理机的输出信号有模拟量信号和数字量信号，它们分别通过数据 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 采集模块和数字i o 模块实现监控。 p c i v x - 总磊土s 0土土一 # 零 数信波数 主槽据号形字 田 控模采条产 i 旧r _ 计块集理生o 算 i e e e l 3 9 4r 模模模模 机 块块块块 图2 - 3v i i 总线测试系统硬件构成框图 2 3 2 测试系统组成硬件的选择 1 、主控计算机的选择 主控计算机用于执行应用开发环境、仪器驱动程序、通讯接口及用户测试应用程 序等任务。尽管v x i 总线规范没有定义主控计算机使用的c p u 、操作系统与v x i 总 线的接口方式，但却推荐了几种主控计算机与v x i 总线系统的组合方式，可分为内 嵌式和外挂式两种。 ( 1 ) 内嵌式方式 嵌入式方式是将主控计算机制成符合v x i 总线规范要求的组件模块，插入v x i 主机箱零号槽位，直接通过v x i 背板总线控制各个v x i 总线功能模块。此种方式工 作速度快，数据传输率高，控制最直接，但造价昂贵，主控制器升级不方便，灵活性 差【2 】a ( 2 ) 外挂式方式 外挂式方式是主控计算机在v x i 机箱外，通过某种总线接口完成对v x i 总线功 能模块的控制。在这种控制方式下，计算机总线数据经插在外挂计算机扩展槽中的接 口卡转换出现在连接总线上，再通过插在v x i 机箱内的转换模块( 常称为零槽控制 器) 连接到v x i 背板总线上。这种配置的优点是使主控制器升级灵活性大，价格比 较便宜 外挂式控制方式的连接总线有多种：如g p i b ( 通用接口总线) 、m x i ( 多系统扩 展总线) 、i e e e l 3 9 4 ( 高性能串行总线，俗称火线f i r e w i r e ) 以及u s b ( 通用串行总 线) 。g p i b 总线的缺点是限制了数据的传输速度，只有1 m b y t e s 。m x i 总线虽然速 度快，但连接电缆过于粗重且实现成本高。u s b 总线和i e e e l 3 9 4 总线受到计算机、 测试仪器和消费电子产品厂商的高度重视，并已相应用于各自产品中，微软w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sc e 、w i n d o w sn t 5 0 都支持这两种总线。特别是u s b 总线，通用计算机 l n 南京航空航天大学硕士学位论文 都配有专门的内置u s b 接口，但目前u s b 总线只限于较简单的测试系统。i e e e l 3 9 4 是i e e e 标准化组织制定的一项具有视频数据传输速度的串行接口标准，其数据速率 由2 5 至1 0 0 m b i t s s ，具有热插拔能力，可以在系统开机状态下进行电缆连接和自动 配置。i e e e l 3 9 4 同时支持同步和异步两种数据传输模式。在异步传输模式下，信息 的传送可以被中断；而在同步传输模式下，数据将在不受任何中断和干扰的情况下实 现连续的传送。当采用异步模式传送数据时，i e e e l 3 9 4 会根据不同设备的实际需要 分配相应的带宽。其缺点是i e e e l 3 9 4 总线需要占用大量的系统资源，所以需要高速 度的c p u 。 通过i e e e l 3 9 4 串行总线外挂控制器方案，其数据传输特点是：支持数掘块传 输，传输速率较高。采用对数据打包的形式，将数据打包后再传输：同时在接收数 据时，也需要首先对数据包进行解包。数据块的大小影响传输速度，数据块越大， 速度相对越快，数据块越小，速度相对越慢。这是因为打包和解包的过程都比较占用 时间，所以在要传送的数据量比较大的情况下，则打包和解包的时阳j 相对于数据传送 的时间占用的比例较小，数据传送速度相对而言则比较大。反之如果每次传送的数据 量比较小，则打包和解包的时间相对于数据传送的时间所占用的比例就比较大，数据 传送速度相对而言就比较低。适于大量数据传输，价格也比较便宜，与g p i b 控制方 案相当。其主要缺点是由于数据传输过程中需要反复打包，所以如果在复杂的测试中， 有的模块需要实现中断功能的测试，则中断信息的传输也需打包等待，这与其它控制 方式的中断信息传输相比，实在太慢。因此这种控制方案的仪器控制能力较弱，不适 合多机箱扩展 。 在选用外挂式控制器方式时，系统需要配置v x i 零槽模块。它位于主机箱的0 号槽位置上，为v x i 仪器总线的运行提供所需要的硬件资源。v x i 零槽模块不仅为 外部通讯接口与v x i 总线之间提供转换服务，还可以提供访问v x i 总线仪器的仪器 功能。 外挂式主控制器一般为独立的p c 机。v x i 总线规范规定了p c 机的基本硬件要 求 ( 1 ) 应为8 0 4 8 6 3 3 m h z 级别以上或浮点功能的更好的c p u 。 ( 2 ) 应至少有一个2 0 0 m b 的硬盘。 ( 3 ) 应有一个v g a 或更高兼容性的监视器。 ( 4 ) 应有1 6 m b 以上的内存。 ( 5 ) 应有一个3 5 英寸、1 4 4 m b 的软盘驱动器。 ( 6 ) 应有一个与w i n 兼容的鼠标。 在系统集成中，用户可以根据具体的测试要求、条件等选择合适的控制方式。 v x i 进气道控制系统处理机测试系统用的是外挂式主控制器，使用i e e e 1 3 9 4 总线作 为主控制器与v x i 零槽模块的连接总线，相应采用零槽控制器v x i 1 3 9 4 ，其前面板 上带有三个i e e e 1 3 9 4 端口。通过p c 1 3 9 4 插卡插在计算机内，实现i e e e 1 3 9 4 串行 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 总线与计算机p c i 总线的通讯【5 】。v x i 1 3 9 4 模块插在v x i 机箱内，控制整个v x i 系 统的工作，它除了有翻译器及接口的功能外，还具有公共系统资源及资源管理的功能， 以实现对时钟信号、触发信号、模块识别信号、中断优先及中断响应等信号的驱动和 管理。 2 、v x i 主机箱的选择 v x i 主机箱为仪器模块、v x i 零槽和接口模块提供工作环境。目前市场上的v x i 主机箱从应用环境方面分为普通机箱、微波机箱和加固机箱等几种类型。其中微波机 箱主要应用于雷达测试：加固机箱主要应用于车载、航载等环境恶劣的场合。机箱槽 数有4 、6 、7 、8 、1 3 槽等。v x l 总线进气道控制系统处理机测试系统用的是1 3 槽的 常用的c 尺寸主机箱v x i 1 5 0 1 。 3 、仪器模块的选择 根据测试系统的测试需求分析，系统需要完成激励信号的产生、多路电压和电流 的测试、多路开关量控制信号的产生以及多路数字信号的采集。此外还需要对激励、 激磁信号( 正弦波信号) 的幅值、频率以及波形失真度进行测试和分析处理。因此 v x i 总线进气道控制系统处理机测试系统中所用的主要仪器模块为数据采集模块、数 字i o 模块以及信号产生模块。 ( 1 ) 数据采集模块 v x i 进气道控制系统处理机测试系统用的数据采集模块为v x i m i o 一6 4 x e 1 0 。 该仪器是n i 公司生产多功能数据采集模块可实现模拟输入、模拟输出、数字i o 、 记数，定时功能。编程人员可通过设置v x i m i o 模块的功能控制器e p f 8 2 8 2 来控制 v x i ，m i o 模块的模拟输入( 分时共用一个1 6 位的a d c ) 、模拟输出( 每个通道上均 有一个1 6 位的d a c ) 、计数等功能【6 1 。下面就分别对这些功能作简单的介绍。 模拟输入 输入通道数：该模块支持三种信号输入模式：差分模式、有参考点单端模式、无 参考点单端模式。使用差分输入模式时，该模块可以同时使用3 2 路模入通道；使用 单端输入模式时，可以同时使用6 4 路模入通道。由于差分输入模式能够减少共模噪 声，故其适用于信号连线较长( 通常长于3 m ) ，或信号线需要穿过噪声较大的环境条 件之下。单端输入模式适用于信号源至v x i m i o 模块连线较短( 通常小于3 m ) 的情 况下，且输入信号共用同一个信号参考点。 输入极性和输入范围：v x i m i o 6 4 x e 1 0 模块有单极性或双极性信号输入。设 计者可在编程时设置每个通道的输入极性和输入范围。该模块的测量范围和分辨率的 关系如表2 1 所示。选择使用那种输入极性和输入范围则要根据实际所测信号的范围 和极性来确定。如果选用较大的输入范围则牺牲了测量精度，反之如果选择较高的测 量精度则有可能使输入信号超出测量范围。因此，为了获得较好的测量结果，应尽可 能的使输入范围的设置和实际信号的大小相接近。 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 - 1 模入通道的输入范围与分辨率的关系 输入范围设置增益实际输入范围分辨率 口v 1 口v 1 口0 、，- 1 口v 1 5 25 9 u v 20口l 5 v7 s2 9 u v 5 口0 、l 2 v3 05 2 u v 1 0 口0 v 1 v1 52 6 u v 2 口口0 m 一5 口口m v7g 3 u v 5 0 口0 m v 2 口口m v 30 5 u v 1 0 0d口m 一1 口口m v15 3 u v 1 口v - 1 口v1 口1 口v _ 1d v3 口51 8 u v 2 口5 v - 5 v15 25 9 u v 5 口一2 v 2 v6 10 6 u v 1 口口一1v 1 v 3 05 2 u v 2 0 口5 0 0 m v - 5 0 0 m v 152 6 u v 5 0 口一2 d 0 m v 2 口口m v 61 口u v 1d 0 d一1 口0 m v 1 0 口m v30 5 u v 数据存储方式：该模块的f i f o 缓存的可容纳5 1 2 个采样点。当数据量较大时或 需要持续进行数据采集时，则必须加入内存条，最大可加入6 4 m 。 v x i m i o 系列模块的一个显著特征是可以进行多通道扫描式测量。但是必须要 注意的是在进行多通道扫描式测量时，由于单个通道的最大采样率将因此而减小，所 以对高频信号的采样性能将会因此而降低。 模拟输出 v x i m i o 6 4 x e 1 0 模块有两个模出通道，输出极性有单极性输出和双极性输出 两种。其中单极性输出范围为0 v 一1 0 v , 双极性输出范围为1 0 v + 1 0 v ，输出阻抗为0 1 欧。 数字i o v x i m i o 6 4 x e 1 0 模块有8 路数字通道。其中每路通道可以分别被设置为输入 模式或输出模式。 计数定时 v x i m i o 6 4 x e 1 0 模块有两个计数功能通道，可以用来计数，测量信号的脉冲 宽度、信号的周期和频率等。该模块内部可以提供两种时钟源，分别为2 0 m h z 与 1 0 0 k h z ，其中2 0 m h z 时钟源适用于测量精度要求较高的情况。 v x i m i o 系列模块使用n i 公司的d a q s t c 系统时钟控制器来控制与时间相关 的功能。d a q s t c 由三个时钟块组成，其中包括7 个2 4 位计数器和三个1 6 位计数 器，最大时钟精度可达5 0 n s 6 1 。 ( 2 ) v x i d i o 1 2 8 数字i o 模块 该模块是n i 公司生产的1 2 8 通道并行的数字i o 模块。该模块使用八个1 6 _ b i t 的可编程的外围接口( p p i s ) 。该接口可进一步划分为1 6 个8 b i t 的口。四个8 2 c 5 5 a 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 外围接口芯片控制6 4 路输出通道。四路带有可编程门槛值的8 2 c 5 5 a 外围接口芯片 控制6 4 路的输入通道。数字输入通道的电压范围为4 2 v - + 4 2 v ，输入阻抗为1 6 0 k f l 。 数字输出通道每个通道的最大电流为2 5 0 m a ，每八个口的总共最大电流为2 0 aa t2 5 ：1 4 a a t5 5 ，最大允许电压范围为o t o4 2 v 7 1 。 ( 3 ) h p e l 4 4 l a 任意波形发生器模块 该模块是a g i l e n t 公司生产的信号发生器模块。该模块可以产生包括f 弦波、方 波、三角波、斜波和噪声五种标准波形。五种标准波形的幅值范围双极性均为5 0 m v p p t o1 0 v p p ，单极性均为1 0 0 m v p p t o 2 0 v p p ，输出终端阻抗为5 0 f l 。其中正弦波和方波 的频率范围为1 0 0 u h zt o1 5 m h z ，三角波和斜波的频率范围为1 0 0 u h zt o1 0 0 k h z 。全 谐波失真d ct o2 0 k h z ( o 0 4 。 除了上述几个模块外，v x i 总线进气道控制系统所用的测试平台中还有一块信号 调理模块，该模块由v x i s c 一1 0 0 0 和v x i s c 1 1 0 2 配合在一起使用，该模块的功能 主要是放大和滤波。其放大增益只有l 和1 0 0 两种，其低通滤波最低频率为2 h z 的 信号【9 】a 2 4 本章小结 本章主要介绍了v x i 总线进气道控制系统处理机测试系统的硬件组成及用于测 试中的总体结构。主要包括下面几个方面： ( 1 ) 给出了由v x i 总线测试系统组成的测试设备在进气道控制系统处理机测试中 的总体结构框图，对测试设备需要实现的功能作了简要的介绍。 ( 2 ) 结合本文中测试系统硬件的总体方案，阐述了组建v x i 总线测试系统的一般 设计原则。 ( 3 ) 详细叙述了系统的硬件组成和具体技术指标，为下章的v x i 总线测试系统应 用软件的编写提供了硬件支持。 通过本章的介绍，可见开发v x i 总线测试系统的一般过程可概括为： 确定测试要求选择通用仪器模块，选择系统模块( 零槽控制器) 一， 设计专用模块( 在本系统中没有用到) - - - - 选择主机箱_ 主机箱与模块的配 合使用- 进行应用程序的编制。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章v x i 仪器模块的调试及位移传感器测试 本章德介：本章主要是钵对进气道控制系统处理枧测试设备需实现的其体功能和 各项技术指标对v x i 总线测试系统的各个功能模块进行调试，具体对数瓣采集中的 d m a 传输方式及缓存技术进行了一定的研究与应用；并对位移传感器进行测试，验 证箕各项参数蓿标。 波3 - 1进气道控制系统处理机测试设备的基本功能及技术指标 穿号臻麓攥述参数搔标精凄要求 1产生n 1 频率信号频率范围：0 3 0 3 0 h z频率稳定度：0 1 幅德范围：0 1 5 v幅馕稳定度；1 波形失真度：3 2产生八路控制信号有效时，四路信号接+ 2 8 v d c ； l 一爨接+ 1 2 v d c ，其余为接遮。 4测试激磁信号频率：2 0 0 0 h z精度：o 5 幅德：5 v 有效值 5；l l 试调节逛压电嚣蕊范强：0 1 0 v诗豁静态诿麓 6 测试反馈电压电联值范围：0 1 0 v计算静态误差 7测试伺放趣流平缀电漉：5 2 0 1 6 。2 0 10 。l m a 最大电流：蒹1 2 5 m a 8 测试开锁电流电流范围：2 4 3 0 m a 9 溅试状态蓿号疆己瞧平 1 0测试恒i直流电流3 0 m a 下面就针对测试设罄的基本技术要求分别对v x i 总线测试系统中 v x i m t o 6 4 x e 1 0 模块、v x i d i o ，1 2 8 模块、h p e l 4 4 1 a 任意波彩发生嚣模块相应 的功能做调试与研究。由于数据采集在整个测试系统中占有极其重爱的作用这里就先 对数耀采集静稻关技未进行一些探讨和研究。 3 1 数据采集 随着诗舞瓿霉羹蕊绫援零茨发袋，基于p c 蘩数撵采集系统在实骏室磅究秽工监羧 制的测试测量中得到越来越多的应用。建立在计算机和数据采集设备基础上的虚拟仪 器畚统具有耄 l 多飕、用户盎定义凌能和馒月维护方便等特点。一般瑟言，腰毫够 在计算机控制下完成数据采集与控制任务的板卡产牖都称为d a q 产品，这些产品又 分为内插式投卡和外挂式板卡两类。 基于l a b v i e w 的数据采集系统一般如图3 一l 所示e 1 0 1 ： 基于v x i 总线进气道控制系统处理机测试设备的研制 l驱动程序的用户接口l 晕 |ll a b v l e w 开发环境i 匪亟卜区垫 斗圃l 图3 1基于l a b v i e w 的数据采集系统 数据采集是l a b v i e w 的核心技术之，也是l a b v i e w 与其它编程语言相比较 的优势所在。使用l a b v i e w 的d a q 技术，可以编写出强大的d a q 应用软件。模拟 信号数据采集是l a b v i e w 的d a q 中的一个主要功能，为用户提供了功能强大、方 便快捷的模拟信号采集解决方案。但中高速数据采集、特殊采样、同步模拟i o 是 d a q 中的难点。 要解决高速采样的实时控制与数据存储等问题，需要从硬件和软