（检测技术与自动化装置专业论文）基于pci总线的高速实时连续测试系统的研究.pdf

基于p c i 总线的高速实时连续测试系统的研究检测技术与自动化装置专业研究生：黄新财指导老师：汪道辉教授在现代雷达、制导与引信、高能物理、声纳处理等科研领域，目标试验数据不仅是检验算法有效性的重要依据，而且也是算法修正的依据；综合测试系统是获取和保存目标试验数据的主要设备，在现代科学研究中的地位和作用日益重要，已经成为外场试验的基本条件和关系到试验成败的关键因素之一。针对这种现状，本文设计了一种基于p c i 总线的高速连续测试系统，实现了对4 路模拟信号的并行采集和存储，每路采样分辨率可达1 6 位、采样率可达2 0 m h z ，可连续进行数小时数据采集，总存储容量达到数t 且可扩展。文中介绍了测试系统的发展现状、构建测试系统的常用技术，p c i 总线协议，接口规范和接口方法，分析了目前制约p c i 总线在高速连续测试领域应用的因素，探讨克服这些因素的方法。本文选用实时数据流存储卡实现数据实时存盘；设计了高速数据采集卡和高速数据回放卡，完成数据的采集和回放，控制采集卡和回放卡的数据通过s c a t t e r g a t h e rd m a 实现基于p c i 总线的数据交换。本文重点论述了基于f p g a 的p c i 数据采集卡、回放卡的设计，采集卡、回放卡和实时数据流存储卡高速数据交换的实现。重点论述了包括模拟电路的设计、板上缓存的组织、s c a t t e r g a t h e rd m a 实现、p c i 接口的设计等。设计引入f p g a 技术，提高系统设计的弹性。文中还充分考虑了可靠性和可测性设计。本文还介绍了系统应用程序的结构和开发、驱动程序的开发开发了应用程序d a qs c o p e 和p c i 数据采集卡、回放卡的驱动程序。关键词：p c if p g ad m a 数据采集缓存接口t h er e s e a r c ho fp c i b a s e dh i g h - s p e e dr e a l - t i m ec o n t i n u o u s l yt e s t i n gs y s t e mm a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e i n gd e v i c e sg r a d u a t e ：h u a n gx i n c a is u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gd a o h u ii nm o d e r ns c i e n t i f i cr e s e a r c hd o m a i ns u c h 舾r a d a rh o m i n g & 缸z e h i g h -e n e r g yp h y s i c sa n ds o n a rd i s p o s a l ，e x p e r i m e n td a t ai sn o to n l yab a s ew a r r a n t yt oa r i t h m e t i cv a l i d i t yc h e c k i n g ，b u ta h oaf o u n d a t i o nt oa r i t h m e t i ci m p r o v i n g a sae f f e c t i v ei n s t r u m e n tt og a t h e ra n ds t o r et h ee x p e r i m e n td a t a ，m u l t i f u n c t i o nt e s t i n gs y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t w ed e s i g na n dc o n s t r u c tap c i - b a s e dh i g h - s p e e dr e a l - t i m em u l t i - f u n c t i o nt e s t i n gs y s t e mw i t hac a p a b i l i t yo fp a r a l l e la c q u i r i n g4c h a n n e la n a l o gs i g n a l si n1 6 - b i tr e s o l u t i o na t2 0 m h zs a m p l i n gr a t ea n ds t o r et h ed a t aw i t h o u td a t al o s t t h i st h e s i ss t u d yh i g h - s p e e ds y s t e mc o n s t r u c t i n gt e c h n o l o g i e s ，p c ib u sp r o -t o c o la n di n t e r f a c e ，s e r i o u s l ya n a l y s et h ed i i f i c u l t yt od e v e l o pp c i - b a s e dt e s t i n gs y s t e ma n dr a i s es o l u t i o nt oc o n q u e ri t w ec h o o s er e a l - t i m ed a t as t r e a ms t o r a g ec a r dn a m e ds t r e a m s t o rc a r dt or e a l i z er e a l t i m ed a t as t o r a g ea n dd e v e l o pt w op c ic a r d s ，ad a t a - a c q u i s i t i o nc a r d ，ap l a y - b a c kc a r d t h e s et w oc a r de x c h a n g ed a t aw i t ht h es t r e a m s t o rc a r dt h r o u g hs c a t t e r g a t h e rd m am o d e t h i st h e s i sd e t a i l e d l yd i s c u s st h ed e s i g no fp c l b a s e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dd a t ap l a y - b a c kc a r d ，d i s c u s st h ed a t ae x c h a n g ei m p l e m e n t a t i o nb e t w e e nt h ep c ic a r d sa n dt h es t o r a g ec a r d ，d i s c u s st h ef p g a - b a s c db o a r di m p l e m e n t a t i o n w ea l s of u l l yc o n s i d e rs y s t e mr e l i a b i l i t ya n dm e n s u r a b i l i t yi no u rd e s i g n w ea l s od i s c u s sd r i v e rd e v e l o p m e n t w ed e v e l o pd r i v e r sf o ro u rd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dd a t ap l a y - b a c kc a r d w eg i v eo u tf u n c t i o n - c a l ld i a g r a mt o o k e y w o r d s ：p c if p g ad m ad a t aa c q u i s i t i o nb u f f e ri n t e r f a c e插图2 1 测试系统结构框图1 02 2 系统所测信号时序图，1 33 1 基于p c i 的测试系统层次模型1 63 2 基于p c i 的测试系统硬件模块框图1 83 3 传统p c i 测试系统1 93 4p c i 钡u 试系统改进结构2 13 5 基于s t r e a m s t o rc a r d 的系统框图2 23 6 基于p c i 的测试系统信息流程2 33 7 多路分时采样，2 43 8 双块数据缓冲区2 63 9 环形数据缓冲区2 63 1 0 本设计的缓存组织结构图2 83 1 1p c i 总线系统结构图2 93 1 2p c i 接口信号线3 03 1 3p c i 总线读操作时序3 13 1 4p c i 总线写操作时序。3 13 1 5p c i 总线资源关系3 43 1 6 系统硬件结构图3 64 1 硬件系统的组成框图4 04 2 模拟电路和数字电路分板设计示意图4 14 3 子板子系统框图4 14 4 模拟调理电路4 2j x4 5a d 转换电路，4 6d a 转换电路。4 7p c i 母卡硬件框图4 8 板载缓存组织结构4 9p c i 总线端时钟线，4 1 0p c i 本地时钟电路4 1 1p c i 9 0 5 6 和f p g a 接口，4 1 2 系统所测信号时序图4 1 3f p g a 内部模块框图，4 1 4f p g a 和p c i 9 0 5 6 接口状态转换图4 1 5p c i 9 0 5 6l o c a l b u s c m o d e t i m i n g d i g r a m 4 1 6s w i t c h 产生逻辑状态机4 1 7s r a m 切换控制状态机4 1 8l p m _ r a m _ d p 生成的r a m 4 1 9s g d t 刷新逻辑状态机。5 1 软件系统分层结构图5 2w i n d r i v e r 设备列表5 3w i n d r i v e r 生成驱动程序。5 4 驱动程序流程图5 5 软件功能框图5 6 数据采集模块工作流程图5 7 硬件回放模块工作流程图6 1 系统调试和测试模型6 2 硬件层调试和测试环境框图x铝躬“们乩驵匏碣乱眈以斛；g 8孔褐张伯踯缸昭阻6 3 模拟电路测试点8 66 4 转换电路的验证方法8 66 5 数字电路测试探头8 76 6 基于s i g n a l t a p i i 的调试示意图8 86 7s i g n a l t a p i i 的调试界面8 86 8p c i 9 0 5 6 和f p g a 的b u r s t 读写8 96 9 数据链路层调试示意图。9 06 1 0p l xm o n i t o r 的系统调试界面9 16 1 1p l xm o n i t o r 读取的s g d t 表9 16 1 2p l xm o n i t o r 显示的d m a 寄存器信息9 26 1 3 应用程序d a qs c o p e 调试环境。9 36 1 4 丢帧率数据吞吐率测试9 46 1 5 系统丢帧率9 56 1 6 系统数据吞吐率9 5四川大学硕士学位论文1 绪论1 1 引言随着计算机技术的发展和计算机应用的普及，使用计算机作为手段的数据处理与数据分析方法成为了现代信号处理的主要方法。作为典型的数字系统，现代计算机通常只能处理数字信号。然而，绝大多数的自然界信号或者传感器输出的信号都是以模拟量的形式体现的，如压力、电压、电流、声波，无线电波等。如何获取大量高精度的数字样本成为了现代信号处理领域的一个重要研究课题。数据采集就是利用电子技术对模拟信号进行测量，并通过数据转换电路将模拟信号转换成数字信号。它是进行电子产品试制和开发、军事装备研究、现代科学实验的不可或缺的环节 1 3 1 。在现代国际军备竞争中，高端电子测鼋仪器已经成为重要的筹码，已经成为衡量一个国家军备实力的重要方面。在科学技术高度发达的今天，铡试技术在航空、航天，国防、通信、建筑等各个领域，在电子设备开发、生产、维护等各个环节，都发挥着越来越重要的作用，测试费用所占的比例也越来越大。有关资料显示，目前在航空、航天、电子、通信等领域，各种自动测试设备( a t e ) 和自动测试系统( a t s ) 已达系统总成本的3 0 5 0 ，甚至7 0 【9 】【1 4 】。另一方面，测试技术也直接影响系统开发进度，先进的测试系统能帮助研究人员迅速定位问题，找到解决问题的方法，提高竞争力。在激烈竞争的世界中，测试系统将与整个系统一起构成一个完整的整体，是保证整个电子系统实际性能指标的重要手段。在现代高端科学研究领域，比如雷达、制导、声纳等研究领域，研究的开展往往依赖于丰富的试验数据，试验数据不仅是检验算法有效性的重要依据，而且也是算法修正的依据。多次的试验则造成研究费用的急尉增加，研究开发周期加长。于是，开发研制具有大容量、长时间连续存储能力的高速实时测试系统成为现代电子测试技术的一个重要研究课题 t 5 1 。四l 大学硒十学伊论文1 2 自动测试系统的发展自动测试系统是检测技术、计算机技术和通信技术有机结合的结果。其发展大致经历了三个阶段p 6 9 1 ：第一代，总装阶段。将几种具有不同输入和输出电路的可程控仪器总装在一起形成一个总装系统。设计和组建第一代自动测试系统时，组建必须自行解决各器件之间的接口和有关问题。当系统关系比较复杂、需要程控的器件较多时，研制工作量大，费用高，而且系统的适应性差。第二代，接口标准化阶段。为了解决第一代自动测试系统中存在的这些缺点，于是研制和发展出具有标准接口总线( i b ，i n t e r f a c eb u s ) 系统的第二代产品。该系统采用了标准接口总线，将测试系统中各有关器件按积木式和标准形式连接在一起。系统中的各组成部分，包括计算机、程控仪器、可控开关等均统称为器件( d e v i c e ) ，各器件均配置标准化的接口功能电路，用统一的无源总线电缆连接起来。这种系统组建方便、专用的通用接口电路修改、增加测试等也很灵活，显示了很大的优越性。目前使用的使用的标准化接口总线系统，有多种不同的类型，但是最具代表性并得到广泛使用的是通用接口总线系统( 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 ) 。g p i b 总线可以使世界上不同厂家生产的仪器设备，用统一的标准总线连接起来，消除传统的每次组建一套系统都需要设计一套专用接口的重复劳动。第三代，计算机模块化仪器阶段。这种新型的微机化模块化仪器是把计算机和测试系统或设备紧密地结合起来，融为一体。这种系统使用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，将特定的硬件测试功能设计成模块( 插入组件) ，各种硬件模块通过特定的计算机总线接口插入计算机系统，通过开发特定的软件，从而实现测试功能。它的出现给测试系统带来了革命性的冲击，对测试理论、测试方法学带来了巨大的变革。随着计算机总线技术的不断发展和提高，计算机仪器的性能也得到了不断改善，在现代航空、航天、国防、通信等领域的高速信号测试、高速信号分析研究中得四i i i 大学硕士学位论文到广泛的运用。这一阶段的测试系统包括c a m a c 、v x i 、p c i 、c p c i ，p x i 测试系统等。第三代自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度高等众多优点，是当前先进的自动测试系统特别是军用自动测试系统的主流组建方案。1 3 基于总线技术测试系统的发展总线是指计算机、测试仪器构成的测试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路，是自动测试系统的重要组成部分，在计算机和测试系统中具有举足轻重的作用。利用总线技术，能够大大简化系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实行标准化以及组织规模化的生产，从而显著降低系统成本。总线技术的发展推动着测试系统的发展，使测试的自动化程度和集成化程度日益提高。总线技术的不断升级换代推动自动测试技术水平的曰益提高 17 】 1 8 】。1 3 1c a m a c 总线系统1 9 6 9 年，西欧各国从事核科学研究的一些组织在核电子学标准委员会( e so n e ) 领导下，制定并公布了计算机自动测量和控制仪器及接i = 1 系统规范r p c a m a c ( c o m p u t e ra u t o m a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 ) 。它首先被用于高能物理实验室等核科学研究领域，后来逐步推广到电子、冶金、航空、航天等部门。1 9 7 5 年以后，i e e e 、i e c 等组织相继把c a m a c 定为国际标准，并公布相应的标准文本。因此，采用c a m a c 标准体制可以构成一个规模宏大的测控系统。c a m a c 系统以机箱为基本单元，在一个4 8 c m 宽的机箱中，设有2 5 个站位，其中2 个站位用于放机箱控制器，其余各站位用于放置功能模件，每个模件通过8 6 接点插头与机箱内的总线( 称为数据路) 相连。l 台计算机( 主机) 可以与多个机箱相连，机箱之间的信息传送方式可以是并行传送( 1 6 位或2 4 位) ，字节串行或位串行传送，对于并行传送的系统，1 台机最多可连接7 个机箱，对于串行传送系一3 一四f l i 大学硬士学位论文统最多可以连接6 2 个机箱。【3 3 】c a m a c - - 面对着各种不同形式的计算机系统，另一面对着各种测量、显示仪器及控制设备，起着两者接口的作用。c a m a c 系统适用于大型( 上百个模件) 测控系统，当然也可用于小型测控系统。c a m a c 系统具有标准化程度高、数据传输速率高和应用范围广等一些优点，在核工业，航空航天、国防、工业控制、医疗卫生、交通管理、数据处理和实验室自动化等领域得到广泛应用。但是，c a m a c 系统对机架、机箱和编程要求比较高。 2 3 11 3 2g 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 ) 总线系统g p i b 总线( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) - - i e e e 4 8 8 通用接口总线，是h p 公司在2 0 世纪7 0 年代推出的台式仪器接口总线，因此又q h p i b ( h pi n t e r f a c eb u s ) ，1 9 7 5 年i e e e 和i e c 确认为i e e e 4 8 8 ( 采用2 4 线电缆) 和i e c 6 5 2 ( 采用2 5 线电缆) 标准。f 2 2 1这种系统是在微机中插入一块g p i b 接口卡，通过2 4 或2 5 线电缆连接到仪器端的g p i b 接口。当微机的总线变化时( 例如采用i s a 或p c i 等不同总线) ，接口卡也随之变更，其余部分可保持不变，从而使g p i b 系统能适应微机总线的迅速变化。g p i b 的设计没有标准的机箱和模件以及严格规定的标准化体制，g p i b 通用接口总线采用通用的测量仪器灵活组态，将各种配带有符合国际标准的g p i b 接口的仪器，通过接口总线互连构成自动测试系统。在g p i b 系统中可以接入多个仪器或装置，这些仪器或装置根据其在系统中所起的作用可以分为三种类型，即控者、听者和讲者。对某些设备而言，它本身可能具有控者、听者和讲者三种功能中的一种，两种或三种。但在某一时刻，只允许其中一种功能起作用，如果系统中有多个装置都有控者功能，则在某一时刻只允许一个控者起作用。g p i b 系统的控制器可以是计算机、微处理器或简单的程序控制器。g p i b 系统主要为台式测鼍仪器或装置组成自动测试系统而设计的，是一种小巧价廉的接口系统。系统组建和拆散灵活、方便，用具有g p i b 接口设备组建的系统是真正的积木型系统，它们表现出无与伦比的灵活性。使得该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到最为广泛的应用。但是，由于g p i b 系统出现较早，一4 一四川大学颐士学位论文所以也存在一定的局限性。如其数据线只有8 根，用位并行、字节串行的方式传输数据，传输速度最高1 m b 8 ，传输距离2 0 m ( 加驱动器能达5 0 0 m ) ，一个系统最多不超过1 5 台仪器等等。1 3 3v 总线系统v x i ( v m eb u se x t e n s i o n 8f o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，其含义是在v m e 总线基础上扩展的模块化仪器测量系统。它把v m e 总线和g p i b 模块化结构有机地结合在一起，促进整个测试系统向开放式、集成化方向发展，推动测试仪器的标准化、模块化、通用化进程，使系统资源( 包括硬件和软件) 获得共享。1 9 8 7 年，h p 等五家国际著名的仪器公司发布v x i 规范的第一个版本，几经修改和完善，于1 9 9 2 年被i e e e 接纳为i e e d l l 5 5 - 1 9 9 2 标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个具有唯一逻辑地址的器件( 装置) ，可组成一个或多个系统，每个子系统最多可包含1 3 个插入式模块( 模块共有4 种尺寸可选) ，插入一个机箱内。模块与v x i 总线之间通过连接器( 有p 1 ，p 2 ，p 3 三种连接器，其中p 1 必选) 相连。对v x i 总线系统的控制可以通过主机箱外的外部控制者，也可通过嵌入主机箱内的内控者。v x i 总线支持即插即用，人机界面良好。v x i 系统的最高数据传输速度可达4 0 m b 8 ，是g p i b 系统的4 0 倍。1 9 9 8 年修订的v x l 2 0 版本规范采用v m e 总线的最新进展，提供6 4 位扩展能力，使数据传输率进一步提高至u 8 0 m b 8 。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越广泛，尤其是组建大、中规模自动测试系统以及对速度、精度要求高的场合。但是，组建v x i 总线要求有特别定制的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器等，造价比较高。1 3 4p c i c p c i p x i 总线系统p c i 局部总线技术。p c i 是p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e t 的英文缩写，由美国i n t e l 公司首先提出。1 9 9 1 年i n t e l 公司联合世界上多家公司成立了p c is i g ，致力于促进p c i 局部总线工业标准的建立和发展。1 9 9 2 年，p c is i g 发布p c i 局部总线规范1 o o 。经过修改后，1 9 9 3 年发布了p c i 局部总线规范2 0 ，1 9 9 5年又发布了修改版2 1 ，并于1 9 9 5 年6 月1 日开始生效。p c i 局部总线是微型机上四i f i 大学硬士学位论文的处理器存储器与外围控制部件、外围附加模块之间的互连机构，它规定了互连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范。在电气方面还专门定义了5 v 和3 3 v 的信号环境。特别是p c i 局部总线规范的2 1 版定义了6 4 位总线扩展和6 6 m h z 总线时钟的技术规范。p c i 局部总线的应用，可以在3 3 m h z 主频和3 2 位数据通路的条件下达到峰值1 3 2 m b s 的带宽，在6 6 m h z 主频和6 6 位数据通路的条件下达5 2 8 m b 8 。p c i 局部总线的设计是独立于处理器的。虽然它是由i n t e l 公司提出的，但不用限于i n t e l 系列的处理器，当今流行的其他处理器系列，如a l p h a 、p o w e r p c 、s p a r c 以及多处理器结构的下一代处理器都可以使用p c i 局部总线。p c i 局部总线规范是当今微型机行业事实上的标准，也是业界微型机系统及产品普遍遵循的工业标准之一。p c i 局部总线不仅满足高，中、低档台式机的应用需要，而且适用于从移动计算到服务器整个领域的需要。由于p c i 总线在开放性、高性能、低成本、通用操作系统等方面的优势，使其得到迅速的普及和发展 1 1 【2 1 1 3 s 1 | 3 9 1 。c o m p a c t p c i 总线技术。c o m p a c t p c i 是c o m p a c tp e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n -t e r c o n n e t 的英文缩写，是p c i 总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。1 9 9 4 年。美国的一些工业计算机制造商建立了p c i 工业计算机制造协会( p c ii n d u s t r i a lc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sg r o u p ) ，简称p i c m g 。1 9 9 5 年p i c m g 出版了c o m p a c t p c i 规范1 0 ，1 9 9 7 年又出版t c o m p a c t p c i 规范2 o 。设计c o m p a c t p c i 的出发点在于迅速利用p c i 的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统【2 1 1 。p x i 总线技术。p x i 是c o m p a c t p c ie 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 的简称，f l j n i ( 美国国家仪器公司) 于1 9 9 7 年l o 月率先推出。它将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展为适合于工业控制、测量、数据采集和试验应用的电气、机械和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构【1 9 】1 4 开展本课题目的和意义在构建用于雷达、声纳、软件无线电、通信等军用、民用领域的高速采四j i i 大学硬士学位论文集、记录及回放系统时，目前国内外选用的计算机硬件总线体系主要有v x i 平台、c o m p a c t p c i p x i 平台以及p c i 平台三种平台。前两者的总体优势为总线带宽符合要求、控制精度高、可靠性好，而且，基于这两种平台的主控制器、各种i o 模块等均采用e u r oc a r d 结构，因而整体结构牢固、合理，具有较好的抗震性，在航天、核电、空管、通信等行业或特殊部门有较为广泛的应用；但由于其本身系统结构的复杂性，且目前支撑这两类平台的高性能的主控制器和各种 o 模块品种少而且价格昂贵，相应的软件支持也不丰富，所以，构建系统的成本比采用p c i 平台高得多，且开发周期较长；p c i 总线系通有开放、性能高、成本低、通用性好等优点。虽然c o m p a c t p c i 总线技术和p x i 总线技术对p c i 总线改进，但是主要是机械方面的改进，增强了p c i 总线在工业环境下和仪器领域的适应性；而电气方面，c o m p a c t p c i 总线技术和p x i 总线技术基本是完全继承了p c i 总线规范。故p c i 下面的开发成果可以很容易转移雪 c o m p a c t p c i 总线和p x i 总线系统上来。故在目前情况下，研究基于p c i 总线的测试系统很有意义。因此，构建本测试系统的总线不采用v m e 或c o m p a c t p c i p x i ，而采用p c i 总线体系。p c i 总线已成为新一代个人计算机的标准总线，它是一种高性能的3 2 6 4 位地址数据复用局部总线，总线时钟频率为3 3 m h z 或6 6 m h z 或更高，与c p u 和时钟频率无关，它支持多个外设，非常适合于网络适配器、动态视频卡、高速数据采集及各类高速外设。它有严格的规范来保证高度的可靠性和兼容性。而且，由于p c i 总线受到大量软硬件厂商、公司的关注和支持，相应的支撑该总线体系的硬件、软件产品数量，品种都十分丰富、性价比高，这也为开发符合功能要求的、可靠性好、具备良好兼容性、性价比高的高速数据采集系统奠定了较好的物质基础和技术基础。目前，基于p c i 总线的高速数据采集、记录和回放系统，在国外，近些年来有较多的科研机构和公司都纷纷致力于这方面的研究、产品开发、系统集成，也推出了一些比较成熟的产品和系统，比如i c s 、s i g a a t e c 、g a g e - a p p l i e d 等，均提供这类系统或子模块以及相应的开发软件，但价格都非常昂贵，而且，它们的产品在接口、集成度等方面很难满足国内具体应用场合中的一些特殊要求，往往四o ”大学硕士学位论文还需要国内用户在硬件和软件上，花费大量的精力进行二次开发或总体系统的集成。在国内，也有相关的科研单位、大专院校开发类似的系统，应用在雷达信号处理机、声纳处理、振动与噪声测量、图像处理等场合。1 5 本课题所完成的工作本课题所作的工作包含以下几个方面：1 查阅了大量的文献资料，参加各种专题技术研讨会、学术交流会，跟踪电子测试系统、总线技术的最新动态。深入学 - j p c i 的工作原理、工作方式和最新协议，研究p c i 总线在自动测试系统构建中的优劣势，为设计出高性能的测试系统打下理论基础。2 结合目前的技术现状和系统需求，进行详细方案设计、功能模块划分、设备期间选型等。引入f p g a 和h d l 语言技术，提高系统可靠性、灵活性，可测性。采用f p g a 来实现数字部分的控制，提高系统的集成度和可靠性。3 分析和掌握e d a 技术的特点和设计方法，依据系统构建需求，借助e d a 设计仿真工具，完成系统原理的分析和设计，原理图的绘制，对模拟电路和数字电路的设计、仿真、综合，p c b 的设计验证等；针对高速系统特点，考虑了系统的可靠性设计和可测性设计等。4 分析和调试硬件电路板、开发f p g a 程序，实现预定功能。5 使用w i n d r i v e r 实现驱动程序的开发，为应用软件操作硬件设备提供函数调用接口。6 进行系统集成，软件硬件联合调试。目前系统调试工作已经全面完成，系统正在安全可靠运行中。7 对系统进行全面调试和测试，评估系统的性能，总结、提出系统性能改善的新方向。四川大学硕士学位论文2 本测试系统需求分析2 1自动测试系统的详细分析自动测试技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理和控制等问题。2 1 1 测试系统的构成典型自动测试系统主要有以下几个部分构成：数据采集器、数据回放器、微机总线接口和存储接口等p o 各部分的构成框图如图2 1 所示。1 数据采集模块该模块通常包含阻抗匹配电路、量程设定切换电路、增益调整电路、模拟滤波电路、采样保持电路、模数转换电路等，是数据采集系统的数据源头。其作用是将现场信号按照预定的规则逐个采集，量化之后送到计算机接口，由计算机接口电路完成对信号的后续处理，如信号变换、数据存储等。2 微机接口模块该模块通常由微机接口，如串口、并口、u s b 接口、p c i 总线接口、p x i 接口等组成，实现数据从数据采集模块到微机系统的内存或者其他存储介质的转移，或者实现数据从内存或存储介质到数据回放控制模块的传送。3 数据回放控制模块数据采集系统的目的是分析信号或者根据输入信号产生控制信号，数据回放控制模块实现对信号的回放或控制信号的输出该模块接收从微机接口模块送来的数据，经过数模转换、滤波电路、增益调整电路、输出设定电路、阻抗匹配电路等，将数字信号转换成为模拟信号或者控制信号。4 微机系统和存储模块微机系统是数据采集系统的中心，实现对数据的分析、算法变换、控制决策等，微机可能是计算机或者单片机控制器等；存储模块提供数据存放接口、存储四i 大学硕士学位论文! i 圈圈懿f - 张- - 楸- - li，、i! 、i扣砷阿m 虱鬯型!i微机端i援u噼 ! 裱- - t - “- 7 砷- - - 向71 习l 输拶fi电路佛睁强砸母恒蛩副二堡墨：j鼎哟1 广=l鼙r - - i微机是i器乏s：li硒1rl接ni幢剂网电路i 龋匕始田掀堤匝圈u微机接。电路、f图2 1 测试系统结构框图空间、存储介质等，可能是存储芯片，或内存、或硬盘介质、或磁盘阵列等，用于适应不同速率和不同容量的数据存储需求。2 i 2 测试系统的主要性能指标从数据采集系统的功能分析可以得知，数据采集系统的主要性能指标包括：系统通道数、系统采样率、测试分辨率、数据通吞吐率、采样方式、触发方式、存储容量和其他指标等【6 】【l l 】。1 系统通道数数据采集系统能并行采样的模拟输入通道的数目。通道数的多少将直接影响后续的数据源速率和对存储容量需求。现代测试系统往往需要具有多通道测试能力，以实现对相关信号的测试和分析。2 系统采样率单位时间内获取被测信号的样点数。根据香农采样定理，要想采用取样方式重现原来的信号，采样率必须远大于信号带宽( b ) 的两四川大学硕士学位论文倍，即厶 2 b w式中，i 为采样率；昱彬b 信号的带宽。上述关系保证频率处于带宽极限的正弦波每周期需要进行2 次以上的采样。这一方程式确定了理论上的最小采样率。在实际中常常需要采用较高的采样率来糖确重现原来的信号。3 系统分辨率分辨率取决于a d 转换器对量化值进行编码的位数。若a d 转换器是位编码。则最小量化单位为l 2 ，即位的二进制数可代表2 个不同值或不同码。对于n 的电压范围，位转换器的电压分辨率为k = 巧2 4 系统吞吐率又被称为系统速度、系统运行速率或系统通过率。指在满足系统精度指标的前提下，系统每个通道每秒钟可采集和处理的样本数。系统吞吐率主要取决于系统所采用的各个部件的响应时间，包括放大电路的恢复和建立时间，采样保持电路的捕捉时间、模数转换器的转换时间、数据传输通道将数据传送到存储设备所需的数据传送时间和存储设备存储时间等。系统吞吐率是衡量数据采集系统性能的一个最重要的指标。5 采样方式常用的数字化采样方式有：实时采样和重复采样。6 触发方式按触发源可分为内触发和外触发；按触发信号时机分为上升沿触发、下降沿触发、高电平触发、低电平触发等；按触发时间分超前出发、实时触发、延迟触发等。7 存储容量表示一次连续的采样、存储过程中获取和保存被测信号的能力，为了能获取尽可能多的有效信息，希望存储容量尽可能大。8 其它功能包含软件回放、硬件回放、数据导出导入、数据变换、数据分析等。软件回放指通过计算机软件复现被采样信号；硬件回放指通过专用回放电路，最大限度复现采样前的模拟信号。信号回放功能有利于在实验室条件下分析信号。四l 大学硕士学但论文2 2 本系统所测信号2 2 1 雷达回波信号雷达( r a d a r ) 原是“无线电探测与定位”的英文缩写。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。雷达主要由天线、发射机、接收机( 包括信号处理机) 和显示器等部分组成。雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。通过对雷达回波信号的分析，包括对雷达回波返回时间、回波的波形、回波的强度、相位等信息的分析。可以得知目标物体的距离、方位等相关信息。根据波形来区分，雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类当前常用的雷达大多数是脉冲雷达。常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲，相关的参数为脉冲重复周期( 脉冲重复频率或扫描周期) 、脉冲宽度以及载波频率。由于雷达重复扫描周期中，回波信号通常只占很小的时日j 部分。为了高效地获取回波数据，往往采用距离窗口推迟采样，以便滤除雷达重复周期中与目标无关的信号，提高数据有效率。因此系统触发信号、采样门、采样距离等都在变化。2 2 2 本系统的测试对象本系统被测信号由四路雷达回波信号、同步信号( p r f ) 、波门信号等组成。同步脉冲之后延迟一段时间，给出波门信号，回波信号在波门信号内。测试系统在波门信号以内对回波信号进行数据采样和数据存储。同步信号( p r f ) 频率可变( i k h z - - 3 k h z ) 同步信号延迟一定时间后采样f - ( g a t e ) 信号有效，采样门重复频率同p r l 占空比可变；采样门内的回波信号为有效回波。时序图如图2 2 所四川大学硕士学位论文刁；图2 2 系统所测信号时序图2 2 3 本系统中将用到的名词术语为了能完全纪录回波信息，并能进行软件和硬件回放，需要纪录回波数据信息、回波和同步信号的位置关系、采样波门宽度等。为了更好地描述相关信息，结合时序m 2 2 对相关参数作以下定义：同步频率每秒钟内出现的同步信号p r f 的个数为同步频率，设计中同步频率范围为l k h z 一3 k h z 。采样门宽每个同步信号之后出现一个采f 4 n g a t e ，采样门的有效电平的宽度为采样门宽。采样距离采样门和同步信号有效沿之间的时间差称为采样距离。数据帧每一个同步信号对应的所有采样数据构成一帧数据。四川大学硕士学位论文2 3 系统设计目标结合上述对数据采集系统的组成原理和主要技术指标的研究和分析，以下提出高速实时数据采集系统的功能需求、设计任务。2 3 1 系统功能描述基于p c i 总线的高速测试系统应该达到以下主要功能如下：1 能完成对4 通道模拟输入信号的长时间连续实时采集。2 对采集的数据能进行软件回放和分析。3 能读取存储的数据，并进行连续硬件回放，恢复信号。2 3 2 系统设计指标本文主要任务包括硬件系统设计和软件系统设计两个方面。1 硬件系统设计开发和设计一块多功能的数据采集卡、一块多功能数据回放卡。采集回放卡上的主要功能有：高速模拟通道由模拟前端电路( 衰减，放大、滤波、程控增益放大) ，采样保持和a d 转换或者d a 转换、控制与触发等部分组成。高速数字缓存由高速存储器、f p g a 共同组成。p c i 接口电路负责高速数字缓存电路和计算机总线、存储阵列交换数据。系统技术主要指标参数如下：通道数；4 通道采样频率：2 0 m h z采样精度：1 2 位通过速率：1 2 0 m h z s四川大学硕士学位论文存储容量： 9 6 0 g触发方式：软件触发，外触发( 上升沿下降沿可选)2 驱动程序设计提供驱动动态连接库和相关头文件( h 文件) ，以实现上层应用软件对硬件系统的相关设置和相关数据处理操作2 4 系统设计原则在硬件系统和软件系统设计过程中，应遵循如下几条规则：1 由于数据采集系统最高工作频率达6 6 m h z ；且系统既有模拟电路，又有数字电路，属于高速混合电路，另外，元器件和集成电路类型杂、数量多。因此，应该严格按照工程化设计流程，充分利用e d a 手段，加强各个阶段的仿真、验证，加快系统设计收敛过程。2 整个系统的方案选择、电路系统设计和芯片选型时应充分考虑可扩展性和技术延续性，以便后期需求发生变迁时系统有足够的应对能力。3 为缩短硬件开发周期、提高系统集成度，系统中尽量多采用可编程逻辑器件f p g a 来实现系统的控制逻辑；这样也有利于采用e d a 手段提高设计效率。4 为了便于调试和验证，应充分考虑系统可测性设计。5 充分考虑硬件抗干扰能力、可靠性和电磁兼容性。6 采用硬件系统可重用设计，充分考虑采集和回放系统的共同特性，尽量提高两者的公共部分，降低硬件系统调试的工作量。四i f f 大学硬士学位论文3 系统实现的策略研究和方案分析3 1 系统的分层模型基于计算机总线( 比如c a m a c 总线、p c i 总线、p x i 总线、v m e 总线、v x i 总线等) 的测试系统，通过在总线系统上加入符合总线规范的测试功能模块扩展测试硬件功能，通过计算机总线实现模块间数据通信，通过开发特定的应用软件操作硬件模块、实现系统的测试功能。为了方便进行系统的分析和论述，将本文研究的基于p c i 总线的综合测试系统可大致划分成三个层次，系统的层次模型如图3 1 所示。系统的开发按照这三个层次进行。硬件设备层( d e v i c el a y e r ) ，又称为物理层( p h yl a y e r )硬件设备层包含基于p c i 总线的p c i 数据采集卡、数据存储卡和基= j = p c i 总线的硬盘阵列卡p c i 数据采集卡提供数据采集硬件模块；p c i 数据回放卡提供数据回放硬件模块；p c i 硬盘阵列卡提供数据存储物理设备硬盘阵列。a p p l i c a t i o nl a y e r，、a 阳1 妇b i ( f u n o t i o nl a y e r )f 卜p l a t f o r md 删a t a l 幽l n k l y a y e r e r妙跳芸譬嚣f e rd e v i c el a y e r( p h yl a y e r )图3 i 基于p c i 的测试系统层次模型四川大学硕士学位论文数据链路层( d a t al i n kl a y e r l数据链路层提供a d 卡到p c i 硬盘阵列卡、p c i 硬盘阵列卡到d a 卡进行数据交互的数据链路，提供上层软件操作总线上硬件资源的软件接口。该层是高速实时测试系统的关键，选择和设计合适的数据链路层策略、方案是保证系统商吞吐率关键。应用程序层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，又称为功能层( f u n c t i o nl a y e r )系统的各种功能需要以软件界面的形式提供给用户，用户通过操作软件界面获得相应的测试功能。应用层实现对各种测试功能的软件封装，组织测试系统流程，为用户提供完善的、友好的操作接口本系统的设计通过研制p c i 数据采集卡和p c i 数据回放卡实现数据采集和数据回放硬件功能；通过选购合适的p c i 存储卡构成硬盘存储阵列，实现对数据的连续存储：通过p c i 总线实现各个硬件模块之间、系统和各个硬件模块之间的数据交互；通过开发特定的应用软件为用户提供各种测试功能。本章重点研究硬件层和数据链路层设计方案和策略。研究和分析目