（微电子学与固体电子学专业论文）红外放大器测试仪的研发.pdf

中文摘要 本论文系统地介绍了“红外放大器测试仪”的工作原理、系统架构和软硬件 实现。该测试仪主要用于某型号卫星用红外放大器的性能评价，主要包括模拟信 号输入、电源性能测试、输出信号采集和数据恢复等部分，作者借助最新的虚拟 仪器数据采集技术，r s - 4 8 5 网络通信技术有效实现了功能控制与高速数据采集 的智能化。模拟信号产生电路部分由现场可编程门阵列( f p g a ) 、高速单片机等 硬件实现，可以独立地对待测红外放大器进行常规的功能测试；高速数据采集部 分通过p c i 9 8 1 2 a1 2 位高速采集卡完成数据的采集，利用l a b v i e w 与 v i s u a l c + + 6 0 相结合，开发了高速数据采集模块，实现了对放大器输出信号的采 集、显示以及存储。红外放大器测试仪整体具有安全、稳定、高精、灵敏、可移 植性好等特点，经测试满足系统要求。 笔者在项目中负责项目前期的考察、项目方案的制定、控制通信软件平台 的编写、模拟信号源产生电路、时序控制脉冲产生电路、虚拟仪器软件的设计等 等。 关键词：红外放大器现场可编程门阵列虚拟仪器数据采集 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d h a r d w a r e s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fa l li n f r a r e da m p l i f i e rt e s t e rw h i c hi su s e dt o e v a l u a t et h ep e r f o r m 锄c eo fc e r t a i ns a t e l l i t e a m p l i f i e r t h ee v a l u a t i o np r o c e s s i n c l u d e s ：a n a l o gs i g n a li n p u tt e s t , s u p p l y , u r c ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n , o u t p u t s a m p l i n gt e s ta n dd a t ar e c o v e r yt e s t b ya d o p t i n gt h el a t e s tv i r t u a li m m a n e n td a t a s a m p l i n gt e c h n o l o g y a n dr s - 4 8 5n e tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h ea u t h o r i n t e l l i g e n t i z et h ef u n c t i o nc o n t r o la n dh i g h - s p e e dd a t as a m p l i n gp r o c e s s f g p aa n d h i g h - s p e e ds i n g l ec h i pc o m p u t e ra r eu s e dt oi m p l e m e n tt h ea n a l o gs i g n a lg e n e r a t i o n c i r c u i tw h i c hc a ni n d e p e n d e n t l yf u l f i l lr o u t i n ef u n c t i o n a lt e s to f t h ei n f r a r e da m p l i f i e r ； m e a n w h i l e ，t h eh l g h - s p e e dd a t as a m p l i n gs y s t e mi sb u i l tw i t hp c d 8 1 2 a1 2 - b i t h i g h - s p e e ds a m p l i n gc a r d a l s o l a b v i e wa n dv i s u a lc + + 6 0a r ec o m b i n e dt or e a l i z e t h es o f t w a r ep a r to ft h eh i g h - s p e e ds a m p l i n gm o d u l ew h i c hc a na c c o m p l i s ho u t p u t s a m p l i n g , d i s p l a ya n ds t o r a g ea l lt o g e t h e r p r o v e nb yf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n , t h e i n f r a r e da m p l i f i e rt e s t e ri sv e r ys e c u r e ，s t a b l e ，a c c u r a t e ，s e n s i t i v ea n dw e l l - a p p l i c a b l e t h e , m a i nt a s k st h ea u t h o rp e r f o r m sa r e p r o j e c tp r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o n , p r o j e e t s c h e m ep l a n n i n g , c o n t r o l c o m m u n i c a t i o np l a t f o r md e s i g n , a n a l o gs i g n a l s o u r c e g e n e r a t o rd e s i g n , d i g i t e dt i m i n gc o n t r o l l e rd e s i g na n dv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e d e s i g n k e yw o r d s ：i n f r a r e da m p l i f i e rt e s t e r , f p g a , x r m u a li n s t r u m e n t , d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储躲私 签字日期：? “年f 月，尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：讼， 签字日勰：沙6 年f 月加日 导师魏冬钏冬导师签名：嘿芝y 划l 驽 签字目期：砌年，月泸日 第一章红外放大器测试仪概述 第一章红外放大器测试仪概述 随着技术的发展，红外探测系统在工农业生产、航空航天等领域得到了广泛 应用。一个通用的红外探测系统由探测器、前置放大器、主放大器、计算机等部 分组成t ”，其中主放大器完成景物信号的放大、调整、控制、编码等，是红外系 统的主要部分之一。由于在系统开发研制过程中各部分同步并行开展，因此对每 个单元的单独考核和性能评价十分关键，一个优秀的评价装置或测试系统十分必 要，它应具有测试量覆盖广泛、操作简便、智能化等特点。 测试测量仪器的发展 测试与测量是人类认识自然界客观事物并对这些事物的若干现象进行量化 从而取得深入认识其本质的必不可少的手段。侧是测量仪器则是实现该手段的基 本工具。迄今为止，测试测量仪器的发展大致经历了四个阶段： 1 模拟仪器 1 8 世纪末至2 0 世纪初，科学家在发现描述了物理现象的定律之后，发明了 基于物理定律的模拟式仪表。早期的基于物理定律的模拟式仪表，最典型的有伏 特表、安培表、功率表、压力表和测温仪以及随后发明的电桥、电位差计等磁电 式模拟仪表。这些仪表虽然简单但都解决了当时许多物理量的测量问题。自2 0 世纪初至5 0 年代，测量仪器仪表的材料以及零部件的性能有了较大的发展，出 现了电子管、离子管这类的全新的电子器件。同时，测试测量的理论和方法与新 兴的电子技术、控制技术相结合，又出现了电子仪器仪表，产生了以电子示波器、 信号发生器等位代表的电子仪器。 2 数字仪器 随着晶体管的出现与集成电路的发展，数字技术在测试测量仪器中获得了成 功的应用。2 0 世纪5 0 至6 0 年代出现的数字式仪表如数字电压表、数字电流表、 数字频率计、数显表、记忆示波器等是第二代数字是测量仪器的典型代表。 数字式仪器的特点是将模拟信号的测量转变为对数字信号的测量并以数字 形式显示和输出测量结果。这类仪器特别适用于要求快速相应和高精度的测量领 域。 3 智能仪器 在数字式仪器中置入微处理器，将计算机技术与仪器仪表技术紧密结合，使 第一章红外放大器测试仪概述 仪器具有数据存储、数据处理( 即运算) 、逻辑判断、自动选程、自动补偿、仪 器自检等功能。这种将计算机技术与仪器技术充分结合的智能仪器，已成为现代 仪器仪表的主流。但是应该看到智能仪器的功能模块主要还是硬件和固化软件， 就整体而言他还是硬件或以硬件为主的仪器，因此仍然具有一定的封闭性和缺乏 灵活性等传统仪器的缺点。 4 虚拟仪器 2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机计数以及集成电路技术的飞速发展，在以计 算机位平台的测控仪器中软件和总线的作用日益突出，测试仪器的物理功能越来 越多，对计算功能的要求越来越强，传统的硬件话仪器的固有缺点( 如封闭性、 缺乏灵活性、响应速度慢等) 已使它越来越不能满足测试仪器功能日益强大的要 求。另外，面对各种各样复杂的测试要求，希望软件系统不仅能完成测试所需的 功能，而且还要易于使用。计算机总线技术、软件技术以及相应技术的发展，是 的危机载计算机仪器上的作用远远超出了计算机仪器发展初期主要是用来完成 控制的范围。特别是近l o 年来出现的现场可编程门阵列( f p g a ) ，数字信号处理 器( d s p ) ，他们与微机软件相结合将产生强大的计算与控制能力，这使其在一 定的实时性要求下取代了许多原来由硬件完成的功能并能完成许多硬件不能胜 任的功能。虚拟仪器不仅使仪器技术与计算机软硬件技术和总线技术紧密结合， 而且还采用了数字信号处理、系统辨识和数学建模等现代方法，它的出现是对传 统仪器观念的一次变革，是2 l 世纪测控仪器的重要发展方向。 可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 的发展以及应用【2 】 随着3 c ( 通信、消费和计算) 融合功能越来越多的出现在各种电子仪器中， 数字化、智能化设计已经变得愈来愈普及，产品的更新换代不断加快，个性化产 品不断涌现。随着产品向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化方 向的发展，其对电路的要求越来越高，因此，传统的单一功能的集成电路设计技 术已经无法满足性能日益提高的这方面的需求。而可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 由于其固有的特性，正好填补了这方面的需求。 可编程逻辑器件可以方便的通过对逻辑结构的修改和配置，完成对系统和设 备的升级，以便迅速适应各种需求的变化。可编程逻辑器件的另一个特点是，可 以支持多种通讯协议和接口标准，并可以随着标准和协议的演变而改变功能。对 系统设计师来说这是一大优势，因为我们可以在早期当标准还在变化的时候就开 始硬件设计，以后在更改代码来反映最终的标准即可。可编程逻辑器件在速度和 等待时间方面均优于纯软件解决方案。由于n r e ( 不可回收工程) 成本较低，开 发时间较短，同时比a s i c ( 专用集成电路) 实现具有更大的灵活性，促使可编 第一章红外放大器测试仪概述 程逻辑器件的高速发展。 另外，由于半导体技术的飞速发展，其工艺水平已经达到了深亚微米级，以 9 0 n t o 工艺技术制造的芯片已经问世；芯片的集成度成倍数的提高；时钟频率已 经发展到了g h z 。因此，未来的集成电路技术的发展趋势，是把整个系统集成到 一个芯片上去，即片上系统( s o c ) 。芯片内除了丰富的可编程逻辑资源以外， 还包括了高速的处理器硬核、处理器软核、d s p 模块、大量的存储器资源、高速 串行收发器模块、系统时钟管理器、多电压标准的输入输出接口等。片上系统比 起当今的超大规模集成电路来说，无论是集成规模还是运行频率都有了长足的发 展。而采用具有系统级性能的复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列实现可编 程片上系统也成为了今后的一个发展方向。也许在不久的将来，我们看到的计算 机中央处理芯片不是传统的c p u ，而是一个能够实现高速、多任务并行处理、随 心所欲“换芯”( 升级) 的可编程逻辑器件，正是因为集成电路的迅速发展，推 动了电子技术的发展，带来了电子系统设计的不断变革。 i i 红外放大器测试仪简介 红外放大器测试仪是天津大学与某研究所合作研制的航天某星用红外多光 谱扫描仪分系统( i r s ) 红外放大器( 主放大器) 研制所必需的地面专用检测设 备，用于在整个研制过程中对红外放大器初样、正样产品进行电性能检测和产品 质量评估。 红外放大器用于红外多光谱扫描仪系统( i r s ) 中对前置放大器输出的各不 同光谱谱段信号进行放大。主要作用于b 0 9 、b i o 、b i i 、b 1 2 四个谱段，分别代 表i r s 扫描到的不同红外波长谱段。红外放大器对各谱段的控制、放大性能关乎 i r s 系统的工作状态以及对扫描对象的采集结果，是卫星i r s 系统工作正常与否 的关键部件。因此，对红外放大器进行控制测试、电性能检测、放大器技术指标 检测具有重大的现实意义。 通过对红外放大器进行实地测量以及大量数据分析，制定方案并研制了红外 放大器测试仪，在红外放大器测试仪的研发中，采用了现场可编程门阵列( f p g a ) 、 虚拟仪器等先进的技术，保证了红外放大器测试仪可以灵活、稳定、高效的工作。 红外放大器测试可以满足红外放大器单板调试、整机常规电性能检测的需 要，还可在单机环境试验中，对红外放大器的工作状况进行监测，并可与分系统 其它有关电子学设备进行联调、联检。红外放大器测试仪有充分的产品性能测试 功能，并留有较多的信号监测接口，可以根据测试和监测结果，在红外放大器研 制过程中，对各种技术故障进行分析和定位，为红外放大器产品研制提供强有力 第一章红外放大器测试仪概述 的技术支持。 1 2 红外放大器测试仪技术要求 红外放大器测试仪作为一专用评价装置， 要保证测试方法的正确性； 要保证测试数据的完整性、科学性， 要保证测试过程的安全性； 要保证对常规测试项目的覆盖性； 对其基本要求如下： 努力提高测试数据的置信度； 实现一定程度的测试自动化，完成红外放大器的常规测试，实现测试数 据的存储、显示、处理功能，并可按指定格式生成测试数据表格和图形， 输出打印； 最大限度地减少人工操作，限制对试验过程的人为干预，禁止实验数据 的人工改写。 1 2 1 红外放大器测试仪功能及接口要求 红外放大器测试仪应能够满足红外放大器单板调试、整机性能检测、环境试 验过程中的监测和红外多光谱扫描仪分系统各电子学设备联试的需要。为此红外 放大器测试仪应具备的主要功能包括： 模拟与红外放大器有电气连接的设备的相应功能和电接口特性； 为接入的测量仪器提供相应的测试接口，为外接信号源提供信号融合功 能； 具备分谱段电源开关控制功能( 电源由外接电源提供) ； 具备输入信号的增益和直流电平分量调整功能； 由计算机构成智能测试系统，采用半自动方式实现产品常规性能测试， 测试数据处理，测试数据存储和测试数据表格和图形生成功能； 具备对测试过程注意事项的提示功能和测试流程的计算机控制和管理； 专用测试软件。 1 2 2 模拟与红外放大器有电器连接的设备 在红外多光谱扫描仪分系统( i r s ) 中，放大器与前置放大器( 信号输入设备) 、 配电控制器( 供电设备) 、红外编码器( 输出视频信号数字化处理设备) 、遥测变 换器( 遥测信号接受设备) 等设备有电气接口关系，因此要求红外放大器测试仪 第一章红外放大器测试仪概述 能够模拟这些设备与红外放大器对应的电接口，并替代这些设备实现其针对红外 放大器的功能。 接口电连接器型号、内容应与对应设备一致。所有与红外放大器的接口全部 安置在测试仪后面板上，面板接插件与对应的红外放大器面板相同，通过一对一 电缆与红外放大器连接。 测试仪还应设置如下测试端口，可供外接示波器或数字万用表监测： 模拟前放输出信号监测端口，1 组，4 个谱段间切换； 供前放电源电压测量端口，1 组，4 个谱段间切换； 数字脉冲监测端口，1 组，含3 个监测点( 箝位控制脉冲、采样保持脉 冲、传输脉冲各占1 个监测点) ，4 个谱段间切换； 串出信号监测端口，4 组，含7 个监测点( b 0 9 1 1 奇偶串出信号各占1 个监测点，b 1 2 串出信号各占1 个监测点) 。 各模拟信号的具体要求 1 前置放大器模拟信号 由内置模拟源产生模拟前置放大器输出信号特征的差分信号。由扫描仪成像 原理可知，在每个扫描周期内，扫描仪要经历线性扫描和非线性扫描两个区段， 在扫描线性段，探测器捕获景物信号，经光电转换变成具有幅度和频率随时间变 化的景物信号；在扫描非线性段扫过定标源时，探测器捕获定标灯或定标黑体信 号，经光电转换变成幅度和频率不随时间变化的直流量。根据这个特征，可用 2 1 0 m s 时长的正弦交流信号和6 m s 2 m s 时长的直流电平拼接成具有探测器输出 信号特征的信号，该信号与箝位控制脉冲有对应的时序关系，如图2 1 所示。将 信号经单端差分交换后输出，实现对前放输出信号的模拟。 1 。6 蜘s l l _ r 0 5 0 2 m s 图1 1 箝位脉冲与信号的时序关系 第一章红外放大器测试仪概述 该信号要求在幅值、直流偏移量等方面连续可调，精度优于1 ， 同时保证与箝位信号同步。 2 配电控制器模拟信号 为实现分谱段加断电测试，该部分将产生4 个开关控制信号。 增益切换控制命令，以+ 2 8 v ( 内部产生) 正端作为控制公共端，产生一宽度 5 m s 以上的控制脉冲。 3 红外编码器模拟信号 为红外放大器提供箝位控制、采保、传输三组数字脉冲；提供红外放大器输 出信号、放大器输出阻抗的测量接口。其中b 0 9 、b 1 0 、b l l 三个谱段脉冲相同， 奇偶分别驱动；b 1 2 谱段单独提供。要求控制脉冲的驱动能力达到2 0 毫安。 箝位控制脉冲与前放输出的信号有对应的时序关系，如图1 1 所示。箝位控 制脉冲的脉宽以4 m s 较为理想。 b 0 9 - - b l l 谱段采样保持脉冲( s 小) 、传输脉冲( t r a n ) 时序如图1 - 2 所示， b 1 2 谱段采样保持脉冲、传输脉冲时序要求如图l 一3 所示。传输脉冲在采样保持 脉冲的一个周期内，均进行8 次传输。 图1 2b 0 9 b 1 0b 1 1 采样保持与传输脉冲时序 奄平 第一章红外放大器测试仪概述 2 1 2 t m 1 2 培 i t 2 4 ，龌1 0 6 4 省 2 1 2 8 a ) n 1 几1 面睦竺 l23 j 78 落段1 2 驱动 图1 3b 1 2 采样保持与传输脉冲时序 1 2 3 专用测控软件( 虚拟仪器) 要求 电乎 测控软件应是在成熟的测控软件开发平台上开发的专用测试软件。软件应具 备以下特点： 除应满足红外放大器测量所应有的测控功能外，还应具备足够的容错能 力和安全性，以保证测试过程中的可靠运行和测量数据安全； 在测量过程中，程序可根据被测信号的大小设定最佳量程，调整偏置电 平，以获得最高分辩率及精度，并且具有超限报警功能； 界面上要充分利用显示空间，流程、图形、数据并举，最大限度地为测 试人员提供直观、形象、丰富的测试信息； 按预设流程对测试过程进行管理，对关键测试环节有提示； 具有按规定的表格化形式打印输出测试数据和图表的能力； 禁止测量数据人为修改； 实时显示被测谱段增益状态遥测电平、功耗等信息。 第二章红外放大器测试仪设计方案 第二章红外放大器测试仪设计方案 根据红外放大器的技术要求并对其要求的性能指标进行了详细的分析和多 次的选型试验后，最终制定了符合技术要求的红外放大器测试仪设计方案。 2 1 红外放大器总体方案 2 1 1 红外放大测试仪功能分析 根据第一章红外放大器测试仪技术要求的描述，红外放大器测试仪主要功能 可以分成如下四类： 1 模拟与红外放大器有电气功能联系的琢s 分系统其它电子学设备针对红 外放大器的功能； 2 完成红外放大器整机常规电性能检测，采集数据，测试完成后按预置要 求对测试数据进行分析和处理； 3 对测试过程按预置程序进行管理，对测试过程中红外放大器的工作状态 进行监视； 4 通过在前端输入模拟波形，经红外放大器变换处理后，在显示终端复现 图像，来检验红外放大器工作性能。 从硬件结构上看，如图2 一l 所示，由工业控制计算机、微处理器、f p g a 、 接口及驱动电路等组成。工业控制计算机为上位主控机，作为专用测控软件的运 行平台，负责测试仪所有功能的控制与管理；测试仪硬件电路与测控软件之间采 用r s - 4 8 5 串行总线协议进行通讯，实现上电、增益等控制指令的传输、回读以 及大量数据的交互，工控机通过内置的p c i 总线接口的数据采集卡连接测试仪的 输出接口，实现上位机对放大器输出信号的采集、显示。 - 8 第二章红外放大器测试仪设计方案 图2 - 1 功能结构图 2 1 2 红外放大测试仪系统框架 根据图2 - 1 所描述的各模块的功能以及相应的技术要求，从系统结构上，将 红外放大器测试仪分为三部分进行设计，即控制通信软件平台、模拟放大器接 口电路( 即测试仪主机体) 和高速数据采集处理三部分，三者以及红外放大器之 间关系如图3 2 所示。 圃当宰当雪垦 棱拟捂萼嚣琴至蘑溺电路z 卜l 一琶用虹辨放火暴 工业静谁计算机 图2 - 2 红外放大器测试仪示例图 其中： 1 控制通信软件平台： 控制通信软件平台主要由工业控制计算机部分的总线控制系统和模拟信号 接口电路部分的硬件总线接口电路组成，实现功能如下： 第二章红外放大器测试仪设计方案 工业控制计算机对模拟信号接口电路的功能控制； 工业控制计算机对模拟信号接口电路采集的数据的读取； 相应数据的存储、报表生成。 2 模拟信号接口电路单元： 模拟信号接口电路实现功能如下： 前置放大器模拟信号的产生，其类型包括：正弦信号、梯形信号、三角 波信号、直流电平等； 时序控制信号产生，包括箝位脉冲；肋9 b 1 2 四个谱段的采样保持脉 冲、传输脉冲； b 0 9 - 吨1 2 四个谱段的加断电控制； b 0 9 _ 吨1 2 四个谱段的增益控制； b 0 9 _ - b 1 2 四个谱段的电压、电流、增益、遥测电平等数据的回读； 模拟信号接口电路单元与工业控制计算机的通信接口电路。 为了使用的方便以及满足无p c 机现场测试的要求，模拟信号接口电路单元 可单独工作或与工业控制计算机联机工作。当模拟信号接口电路单元单独工作 时： 可以使用测试仪本身前面板实现b o 卜b 1 0 上电、增益选择、波形选择 等控制； 可以使用示波器等仪器连接模拟信号接口电路单元后面板预留的电流 电压等常规数据输出端口来进行数据的常规检测； 可以使用其他数据采集系统连接预留给高速数据采集部分的放大器输 出接口进行数据的采集和分析； 当与工业控制计算机联机时，工控机控制通信软件平台将取得控制权，模 拟信号接口电路单元前面板控制失效，由控制通信软件平台通过r s - 4 8 5 总线对 接口电路进行控制，实现以上功能的同时，还能实现各种数据的存储以及预处理。 3 放大器输出的高速数据采集部分： 高速数据采集部分由高速数据采集卡和运行于工业控制计算机平台的虚拟 仪器数据采集软件模块构成，实现的功能如下： 待测红外放大器输出放大信号的数据采集； 采集数据的波形数字量显示； 采集数据的存储以及处理。 第二章红外放大器测试仪设计方案 2 2 控制通信软件平台设计方案 1 控制通信总线设计： 通过r s - 4 8 5 总线对模拟源产生电路单元实施控制、通讯以及数据的回读， 采用v c + + 编写模块实现r s 一4 8 5 总线控制、通信、数据回传等功能。并利用a d o 以及关系数据库技术实现常规电信号的测试时存储以及后期的报表生成等。 2 各种数据的存储以及报表生成： 采用关系数据库技术，将日常操作、回读的数据写入相应的数据表中，以备 报表生成、日志察看等功能使用。 2 3 模拟信号接口电路设计方案 模拟信号接口电路( 即测试仪主体机箱) 分为输入、输出两大部分： 1 输出部分将完成电源加载及切换、前放模拟信号源输出、增益切换控制； 2 输入部分将完成放大器的向前放供电电源的检测、串出信号切换和检测、 增益状态遥测信号的检测、放大器功耗的检测等。 该部分将以一组高性能m c u 和可编程器件( c p l d f p g a ) 实现，其中m c u 和 d a c 等接口电路，形成各模拟量信号，m c u 和a d c 完成数据的读取，经运算后发 送给上位机，具体电路设计上，考虑到光电隔离以及强电的干扰等影响，采用继 电器、数字电位器、光电隔离等器件设计。时序控制脉冲部分采用可编程器件 ( c p l d f p g a ) 设计，各功能模块的具体实现以及功能在第四章作详细叙述。 2 4 高速数据采集设计方案 2 4 1 虚拟仪器设计简介 高速数据采集部分主要引入了现今流行的虚拟仪器设计方法。虚拟仪器一般 由工业控制计算机软硬件平台和测控功能硬件组成。工业控制计算机管理着虚拟 仪器的软硬件资源，计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准 等方面的发展，推动着虚拟仪器系统的发展。按照测控功能硬件的不同，虚拟仪 器可以分成g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系结构，简单说明如下： 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件 协议已纳入国际工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 。它是最早的仪器总线，目前 第二章红外放大器测试仪设计方案 多数仪器都具备了遵循i e e e - 4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括一台 计算机、一块g p i b 接口卡和若干g p i b 仪器。 每台g p i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增减、 减少或更换。只需对计算机的控制软件做相应的改动即可。这种概念广泛应用于 各种仪器的内部设计。在价格上，g p i b 仪器覆盖了从比较便宜到昂贵的仪器。 但是g p i b 传输速率较低，一般低于5 0 0 k b i t s ，不适合对系统速度要求较高的 应用。 2 ) v x i ( v 脏b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 v x i 总线系统是v m e 总线在仪器领域的扩展，它是在1 9 8 7 年v 脏总线、 e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和i e e e 4 8 8 标准等的基础上，由主要仪器制造 商共同制定的开放性仪器总线标准。v x i 系统可以包含2 5 6 个装置，由主机箱、 零槽控制器、具有多功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中 各功能模块可以随意更换，即插即用( p l u g p l a y ) 组成新系统。 3 ) 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 ) 总线系统 p x i 总线系统是p c i 在仪器领域的扩展。它是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种 新的开放性、模块化仪器总线规范。p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术 规范和要求形成的。p x i 增加了多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时 的星型触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测 量的要求。p x i 兼容c o m p a c tp c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试等要 求，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t o n ) 数据采集系统 d a q 数据采集系统是指基于p c 计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、u s b 等) 的 数据采集功能模块。它充分利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和 扩展性。利用d a q 可方便快速的组建基于计算机的仪器，实现“一机多型”和“一 机多用”。在性能上，随着a d 转换技术、信号调理技术的迅速发展，d a q 的采 样速率已经达到1 g b i t s ，精度可高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意组合 数字i o 、计数器定时器等通道。各种性能和功能的d a q 功能模块可提供选择 使用，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发 生器等。在计算机上挂接d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有 若干功能的测控仪器。这种基于计算机的仪器，既可以享用计算机固有的智能资 源，具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。具有很高的性能价 格比。 目前，较流行的虚拟仪器开发环境有两类：一类是图形化编程语言，具有代 表性的有l a b v l e w ，h p v e e 等；另外一类是通用文本类编程语言，如c 语言、 第二章红外放大器测试仪设计方案 v i s u a l c + + ，l a b w i n d o w s c v l 等。图形化的编程语言具有编程简单、直观、开发 效率高的优点。文本类通用编程语言具有编程灵活、运行速度快等特点。 2 4 2 红外放大器虚拟仪器部分设计方案 红外放大器测试仪作为航天星用部件测试仪器，需要很高的可靠性，因此选 择了高质量的工业控制计算机而不是普通的p c 作为虚拟仪器软件运行的硬件平 台。 体系结构选择上，考虑到红外放大器测试仪虚拟仪器部分在要求安全稳定的 同时、对数据采集的速度、精度、复杂度要求均较高，普通的g p i b 平台无法满 足红外放大器测试仪复杂多样的要求，同时要求对放大器输出数据进行后期处理 以及报表生成等工作，因此，经过多方调研，选用了数据采集系统( d a q ) 模式， 同时考虑到以后的移植性和通用性，方案中预留了g p i b 接口，充分考虑了以后 版本的扩展性问题。 数据采集卡的选择：考虑到放大器输出数据量较大，速度较快，我们采用 p c i 总线接口，p c i 总线可以提供高达1 3 2 m b s 的传输速度，完全可以达到我们 的要求。 开发环境方面，考虑到开发周期、用户反馈以及d a q 采集卡厂商对l a b v i e w 的强力支持，选择了v i s u a l c + + 和l a b v i e w 相结合的开发环境，虚拟仪器部分软 件结构如图2 - 4 所示，具体的高速数据采集部分的设计将在第五章做详细介绍。 二口 至固 e 亟固 2 - 4 虚拟仪器开发软件结构图 第二章红外放大器测试仪设计方案 2 5 小结 在红外放大器测试仪的设计方案选择上，我们一方面参照相关的技术要求， 另一方面结合现有的先进技术，没有选用纯硬件的环境，而是选用了硬件电路和 测控软件以及基于虚拟仪器的高速数据采集相结合的方案，使得系统在保证可靠 稳定运行的同时还满足了操作的易用性和数据的可恢复性。各部分的具体实现将 在下面的章节做详细介绍。 第三章红外放大器测试仪控制通信软件平台设计 第三章红外放大器测试仪控制通信软件平台设计 红外放大器测试仪要求对于红外放大器具有单板调试和联机调试两种方式。 因此，需要基于第四章要开发的模拟信号接口电路开发相应的控制通信软件平 台。控制通信软件平台主要完成工业控制计算机对模拟信号接口电路的各种开 关量控制以及电压、电流等常规电信号的回读。在控制通信软件平台的实际研 发中，我们选用了r s - 4 8 5 通信总线作为控i n i 通信的现场总线。下面将对控制 通信软件平台的设计作详细介绍。 3 1 控制通信软件平台设计概述 3 1 1 功能划分 如图3 1 所示，控制通信软件平台实现的功能如下： 1 制定和模拟信号接口电路单元通信使用的通信协议； 2 产生模拟信号接口电路单元的各种控制命令； 3 模拟信号接口电路单元各种数据的回读、显示、处理； 第三章红外放大器测试仪控制，通信软件平台设计 图3 - 1 控制通信软件平台功能结构图 控制通信软件平台设计采用的软硬件环境如下： 软件：采用v i s u a lc 抖6 0 编写，配合a d o 数据库技术进行数据的存储。 硬件：控制通信软件平台基于工业控制计算机开发，同时配合特殊传输线 缆和r s - 4 8 5 总线电平转换电路。 3 1 2r s 一4 8 5 总线概述 迸人9 0 年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场 总线( f i e l db u s f b ) 技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴 趣与重视。所谓现场总线，是指将现场设备( 如数字传感器、变送器、仪表与执 行机构等) 与工业过程控制单元、现场操作站等 互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点， 是工业控制网络向现场级发展的产物。当前国际上具有代表性的现场总线技术与 产品是e i ar s 一4 8 5 总线、p r o f i b u s 、c a n b u s 与l o 唧o r k s 等，介绍如下： 1e i ar s 一4 8 5 总线 e i a r s 一4 8 5 总线是工业领域广泛应用的l s o o s i 模型物理层标准协议 之- - i 埘。 ( 1 ) 机械特性：采用r s 一2 3 2 r s 4 8 5 连接器( 如a d a m 4 5 2 0 ) 将p c 串口 r s - - 2 3 2 信号转换成r s 一4 8 5 信号，或接入t 孔r s 4 8 5 转换器( 如m a x 4 8 5 ) 将i 0 接口芯片t t l 电平信号转换成r s 4 8 5 信号，进行远距离高速双向串行 通信。 ( 2 ) 电气特性：信号负逻辑，+ 2 v + 6 v 表示“0 ”，一6 v 一2 v 表示“1 ”， 二线双端半双工差分电平发送与接收，无公共地线，能有效克服共模干扰、抑制 线路噪声，传输距离1 2 k m ，最高数据传输速率可达l o m b i t s ( 通过和模拟接口电路单元中m c u 通信进行各种待测数据的回读； 2 数据显示、处理模块： 模拟接口电路单元回送数据的处理、显示； 模拟接口电路单元回送数据的预处理、存储； 3 其他功能模块： 数据库的管理； 高速数据采集模块的嵌入接口； 帮助信息。 控制通信软件平台主界面如图3 33 4 所示，其中： 图3 - 3 红外放大器控制通信软件平台：加断电控制 第三章红外放大器测试仪控制，通信软件平台设计 图3 - 4 红外放大器测试仪：波形选择界面 3 2 1r s 4 8 5 通讯协议设定 通信软件必须符合r s - 4 8 5 协议标准。因此上位机( 工控机) 和下位机( 多 个m c u ) 严格实行主从广播结构形式的通信方式，工控机为主，下位机( m c u ) 为从。从机部主动发送命令数据，一切都由主机控制，从机之间不进行直接通信， 若要通信可通过铸机实现。数据通信波特率设定为9 6 0 0 b s ，每个从机都有唯一 的地址编号，为了以后扩展的方便，从机的地址编号由硬件电路上的拨码开关设 定，此地址编号用来区分各m c u l 2 0 1 。 帧格式设定为3 2 b i t 数据位，无奇偶校验位，1 位停止位，数据格式采用数据 包的形式。 工业控制计算机通过4 8 5 网络广播自己需要的下位机地址，所有下位机都接 听广播，记下广播地址 3 1 。各下位m c u 把收到的地址同自己设定的地址( 通过 硬件拨码开关外部设定) 进行比较，地址相同的下位机为被选中的下位机，其余 下位机均处于未选中状态，暂时在网络上被隔离。网上只剩下工业控制计算机主 机和被选中的从机( m c u ) ，这时候二者按照主从方式进行过程通信。 第三章红外放大器测试仪控制，通信软件平台设计 常用的r s - 4 8 5 总线通信采用2 进制或者1 6 进制传输，但是在设计中考虑到 控制字有可能和传输数据重复，我们采用了a s c i i 码传输方式，这样可以采用字 母而不是数字作为控制字，大大提高了总线数据传输的可靠性。数据部分格式如 表3 2 所示( 其中数据均为a s c i i 码) ，其中c h ( 0 ) 代表数据头，c h o ) 代表结束， 之中间为传输的控制量以及数据量。 表3 - 2 传输数据格式表 3 2 2r s - - 4 8 5 通信总线的设计实现 软件采用v i s u a lc + + 6 0 编程，作出十分直观的人机界面，采用r s - 4 8 5 通 信标准和上述的问答方式进行数据通信，通过上位机向串口读写数据，并通过光 纤4 8 5 总线将各种控制信息传送到现场的每路下位狐u 控制模块，上位机就可以 监控网络上任何一个下位机了，同时，回传的电压、电流信号也可以实时显示在 p c 机的界面上。平台的界面直观，而且利于对现场信号进行实时监测。因此， 采用本系统，对实验操作人员来说人机界面良好，简单易懂。 根据系统功能的要求，控s u 通信软件平台需发送2 种类型的命令：( 1 ) 控 制命令，( 2 ) 数据回读命令，所有命令均采用a s c i i 码方式传送，为了防止通 讯错误，各子机正确收到上位机发来的命令后返回相应的确认字符。 m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s 中提供了一个串口通讯控件惦c o 眦l ”，用它，我 们可以很方便的利用串口进行通讯该控件有很多自己的属性，你可以通过它的 属性窗口来设置。也可以用程序设置。我推荐用程序设置，这样更灵活。常用的 属性如表3 - 3 所示： 表3 - 3 串口通讯控件常用操作 属性( 函数) 作用 s e t c o m m p o r t 指定使用的串口 g e t c o m m p o r t得到当前使用的串口 s e t s e t t i n g s指定串口通信的参数 g e t s e t t in g s 取得串口参数 s e t p o r t o p e n打开或关闭串口( 当一程序打开串口时，其他程序将 无法使用) g e t p o r t o p e n取得串口状态 第三章红外放大器测试仪控制，通信软件平台设计 g e t i n b u f f e r c o u n t输入缓冲区中接受到的字符数 s e t i n p u t l e n一次读取输入缓冲区的字符数( = o 时读出全部缓冲区 内容) g e t i n p u t读取输入缓冲区 g e t o u t b u f f e r c o u n t输出缓冲区中待发字符数 s e t g e t o u t写入输出缓冲区 用该控件传输的数据默认为是二进制格式。而我们的设计中需要进行a s c i i 传输，因此特别编写了a s c i i 码转换函数，如下所示，其中函数s t r i n 9 2 h e x 是 a s c i i 码向十六进制转换程序，用于串口发送数据时使用； i n tc c o m d l g ：s t r i n 9 2 h e x ( c s t r i n gs t r ，c b y t e a r r a y & s e n d d a t a ) i n th e x d a t a , l o w h e x d a t a ； i n th e x d a t a l e n = o ： i n tl e n = s t r g e t l e n g t h ( ) ： s e n d d a t a s e t s i z e ( 1 e n 2 ) ： f o r ( i n ti = o ：i = l e n ) b r e a k ： i s t r = s t r i 3 ： h e x d a t a = c h a r 2 h e x ( h s t r ) ：高位转换 l o w h e x d a t a = c h a r 2 h e x ( 1 s t r ) ：低位转换 i f ( ( h e x d a t a = 1 6 ) | | ( 1 0 w h e x d a t a 一1 6 ) ) b r e a k ； e l s eh e x d a t a = h e x d a t a * 1 6 + l o w h e x d a t a ： i + + ：