使用FPGA实现虚拟仪器测试接口的动态切换控制（原稿）

1 使用 现 虚拟仪器 测试 接口 的动态 切换控制 李巡生 张军 李永斐 （云南省计算机软件技术开发研究中心 昆明 650051） 摘要： 本文讨论了在使用 虚拟 仪器对不同类型的设备进行 故障诊断 或性能检测时，会遇到许多测试 信号 接口 不兼容 和不匹配 的 困惑 ， 提出了使用 动态编程的特性，来解决这一实际应用中的问题，探讨实现该功能的技术路线 和方法 ， 为 实现 这 功能 的设计 提供参考 。 关键词： 虚拟 仪器 测试接口 动态编程 切换装置 1、概述 通常在对设备的故障和性能进行检测时，我们都会使用一些通用的电子测量仪器，如万用表， 示波器、逻辑分析仪器、信号采集装置 、虚拟测试仪器等 来进行测试 ， 测试时 会根据信号的不同类型，采用不同 测试设备和 使用 不同 的 测试 连接方式 ，来实现对 被测 设备的 信号数据采集。例如测试直流电压、电流、电阻等，使用万用表；测试交流或动态电压、电流、频率等，使用示波器、频率计；测试多序列时序信号、多通道逻辑电平信号等，使用 逻辑分析仪器；测试数据传输特性、数据交变特性，使用综合测试仪器和专用测试仪器。不同的测试仪器，其测试接口都会根据测试信号的动态范围、阻抗匹配特性、传输特性、物理连接方式的不同，各自有不同的连接方式和连接要 求。 在测试过程中，测试人员会根据所需测试信号的不同，使用不同的测试仪器和相应的测试接口来适应测试的需求，而且还要不断的更换测试笔，不断的切换测试方式，使测试工作的效率变得很低， 往往还会出现测试错误， 这给测试工作带来了极大的不便，而且制约了测试工作的快速完成 。 随着虚拟仪器 的普及和广泛应用， 测试 方法和测试手段也获得了进步， 给测试工作带来了许多方便，但 要实现使用一对测试笔来完成所有测试任务（或者大多数测试任务），还是有较大的困难的， 如何有效解决测试 接口互通互用 的问题，在技术上仍然存在难度 。 2、 设计思想 传统的测 试仪器来 在 测试被测设备时， 通常使用人工方式直接将测试仪器的测试端子（测试笔）与测试点连接，并观察仪器的响应情况，判断信号的正确与否。在测试不同种类的信号时，需要更换测试端子（测试笔）。比如测试电压时，使用万用表 ；测试信号变化波形时，使用示波器；要同时测试两者，则必须将测试端子都连接到测试点，如果还要测试频率，则频率计的测试端子也需要接入，这就使测试连接 变得 很复杂，而且还容易出现错误和失误，导致测试工作失败。在测试工作中，这种情况是经常存在的，为了方便有效的完成测试任务 ，使用一个测试接口来实现 与 多个测试仪器的 互通互用 的连接 ， 需要有一个测试接口切换装置来实现其功能， 它将 给 测试 工作带来更多的方便，简化测试过程， 提高测试工作效率。 图 1 描述了 传统仪器和虚拟仪器 在使用测试接口切换装置 方面的 对比情况。 使用这种测试接口切换装置，根据实际测试工作需要，可任意选择被测设备测试点信号的表达方式（即测试仪器种类），可任意选择接入测试的测试仪器的数量，仅需要一个测试端口，就可轻松 2 完成测试 任务 所需的 功能 要求。 图 1： 传统仪器和虚拟仪器接口切换方式的对比 由图 1 可见， 使用传统测试仪器与测试接口切换装置连接，测试端口的切换必须 由 人工来实现，因为 装置连接的测试仪器不能产生切换控制信号； 如果使用虚拟仪器 与测试接口切换装置连接 ，通过虚拟仪器的 I/O 端口（可以是 I/O 接口信号或 线接口信号），作为可编程接口，直接 对 测试接口切换装置 进行控制，根据需要进行测量的信号，控制相应测试仪器设备 端口 与 测试输入信号端口 来实现测试接口的切换。比如要测试被测对象的交流电压，由虚拟仪器软件控制使 测试接口切换装置 要能够 根据测试需求进行切换 ，将数字万用表切换到测试笔，则可马上得到交流电压的读数，同时又将数字化仪也切换到测试笔， 使测试者能同时观察 到电压 值 读数，电压的波形和振 幅 ；虚拟仪器可通过接口变成控制， 能同时实现两个 或多个测试仪器的接入功能，以满足实际应用的要求。使测试结果的表达通过多种表现形式（数值、波形、频率等）体现出来。但由于 不同的测试仪器，其输入接口的阻抗匹配、频率特性、抗干扰特性、信号动态范围等 的差异， 会使测量 结果 形成误差， 故在进行接口切换时，既要考虑 接口 输入输出的信号有效的过渡，又要考虑在切换后接口之间 形成相互影响 ；排除影响造成的差异，不能因此而 导致测试任务不能有效完成或测试任务失败。 显然 ， 由人工方式来配置 测试信号端口和端口的传输特性 参数， 实现起来 会显得很困难 ，操作起来也会很复杂，甚至 又回到 直接通过 出传统 测试仪器来完成测试任务。 因此，我们提出了 使用 可 动态配置的 方式来实现 测试接口切换装置 的逻辑配置， 所采用的核心器件为现场可编程逻辑阵列（ 通过对 动态配置 控制，可同时对不同 测试仪器 端 口的特性参数进行动态调整 ， 可以简化用 复杂 逻辑 电路 来实现 的技术难度，加快测试系统开发速度，降低开发成本。 对于 测试 接口切换装置的输入与输出 信号 的理想 关系 表达 式为： = （ 1） 由于 测试接口切换装置 输出 端 口 的 差异和 端口连接的 相互影响， 其 关系表达式为： x)= +C x)= +C 传统仪器检测方式 虚拟仪器检测方式示波器 万用表频率计 逻辑分析仪信号发生器虚拟仪器的模块化仪器被测设备 被测设备接口切换装置接口切换装置控制总线测试接口线测试接口线测试笔 测试笔 3 x)= +C （ 2） 其中 C 为 测试接口切换装置 输入和输出的 传输特征 系数； 其他 测试接口 的影响 程度 ； Si(为 测试接口切换装置的输入 信号 。 由 (2)式 可看出，要 使 测试接口切换装置 输入与输出 信号 达到 理想程度，必须要克服 许多 相关 因 素带来的影响，一方面 是 测试接口切换装置 的 插入影响， 其影响主要有 ： 插入 衰耗、阻抗匹配 、连接方式 、动态范围、分布电容、频率特性、传输特性等； 一方面是 测试接口切换装置 端口物理连接方面形成的影响 ，其影响主要有：介入衰耗、阻抗匹配、 耦合 电容、隔离特性、频率特性等 。因此，必须把复杂关系转化为简单关系来处理，使用 动态配置 技术来实现智能化的 测试接口切换 装置 ，有效的 解决 在使用虚拟仪器测试过程中的接口转换技术难题。 将 模块化 虚拟仪器的输入 信号端口 简单的与 测试接口切换装置 连接， 就能建立与测试输入信号端口 趋于理想 的关系表达式 ： A B N （ 3） A、 B、 N 为 虚拟 测试仪器 端口 与 测试输入信号端口 的 转换 常数。 由 (3)式可看出，在测试时，由于 模块化 虚拟 仪器所连接的 测试端口 不同，但只要通过对 行 动态配置的 编程控制，将 与测试 输入 信号端 口的 转换 常数 动态 置入 制器中，就可使 虚拟仪器测试端口 与 测试 输入 信号端口 实现 传输 匹配，确保信号传输的 准确性和符合性 。 3、工作原理 通过对 测试 接口切换装置的设计， 使用 实现 虚拟仪器测试接口的动态 编程 切换 是可行的 ，装置由测试输入信号端口、 试控制电路、 虚拟仪器测试 端口和辅助电路组成， 测试接口切换装置 的输出 端口 与模块化 虚拟仪器的物理 端口连接 ， 连接所使用的 物理 连接器 必须与 虚拟仪器的 连接器相匹配； 测试接口切换装置 的输入信号端口直接与被测设备的测试点连接，一般情况下使用主测试端口（测试笔）对被测设备进行测试 。 测试接口切换装置工作原理示意图如下： 图 2： 测试接口切换装置工作原理示意图 端口连接 信号隔离电平转换F P G A 测试控制电路测试输入信号端口虚拟仪器 测试 端口阻抗匹配模块化虚拟仪器被测设备 4 在使用测试接口切换装置对被测设备信号进行测量时，需要明确所测试信号的输出表达形式，以便通过 对 试控制电路的动态配置，来满足测试功能与测试输出表达的具体要求。对于普通的虚拟测试仪器，其输入端口特性通常如下： 1、数字化仪输入阻抗为 150 ，同轴测试电缆，频率 100试电压范围为 5V； 2、数字万用表输入阻抗为 104普通测试电缆，频率 10试电压范围为 250V、电流范围为 20A； 3、开关量 I/O 信号输入阻抗都是高输入阻抗，普通测试电缆，频率 100态范围分为 平； 4、函数信号发生器输出阻抗为 50 ，同轴测试电缆，频率 100 与之相对应的测试接口切换装置也必须有能够完全配合的端口物理连接器， 测试接口切换装置的输入信号端口与输出之间，应该具备几个最基本的动态切换功能，如端口连接、阻抗匹配、信号隔离和电平转换功能，这些功能的关系表达式为： 端口连接关系： i， 表示装置的输入输出信号无衰减连接； 阻抗匹配关系： i，表示装置的输入输出阻抗完全匹配； 信号隔离关系： 示装置的输入输出存在 信号 隔离，隔离系数为 K； 电平转换关系： R 示装置的输入输出存在电平变换，变换指数为 R；（注电平变换只针对电平信号，对其他信号不做电平变换） 一个包含许多未经配置的逻辑门的芯片， 与 通常使用的专用集成电路芯片(同， 片 可以 进行反复配置，以适应不同的应用需要。在需要经常改变配置来满足应用需求 变化的情况，使用 一个 最好 的选择。 测试接口切换装置需要在测试过程中，根据测试要求，使用 实现特定 逻辑控制、逻辑计算、精确匹配、功能切换等测试任务。 4、基本功能 该 测试接口切换装置的基本特性 包括以下几个方面： 1、 端口连接 功能： 通过 态构建 的开关 逻辑电路 ，来 实现对虚拟模块化测试 仪器 端口与 测试输入信号端口 （测试笔）的物理连接 ，连接关系 可根据测试 响应 需求 确定，即将 测试输入信号端口 与多个虚拟仪器端口通过开关连通，使 测试输入信号 能直接在多个虚拟仪器上表达出来 ； 2、 阻抗匹配功能： 通过 态构建的 控制 逻 辑电路 ， 实现对虚拟模块化测试 仪器 端口与测试输入信号端口 （测试笔）的阻抗匹配，阻抗特性可由外部连接的阻抗网络来 满足，即通过生的控制逻辑，在 测试输入信号 端或虚拟测试仪器端并联特征阻抗，使信号传输 过程满足F P G A 开关逻辑测试信号输入端测试仪器 3测试仪器 2测试仪器 1测试仪器测试仪器测试仪器测试信号测试信号输入端测试仪器 3测试仪器 2测试仪器 1测试信号阻抗网络F P G A 控制逻辑 5 阻抗匹配的要求 ； 3、 信号隔离功能： 通过 态构建的控制逻辑电路， 实现对虚拟模块化仪器 测试端口与 测试输入信号端口 （测试笔）的 信号隔离和 保护 ：当测试输入信号超过量程范围时、测试输入信号不确定时或者测试输入信号 需要耦合 变换时，要 使用 隔离 和保护 措施来实现对信号的 限制。即通过 生的控制逻辑，在 测 试输入信号 端或虚拟测试仪器端之间插入隔离网络，使信号传输过程能够避免外部影响或电压冲击； 4、 电平转换功能： 通过 态构建的转换逻辑电路， 实现对虚拟模块化仪器测试端口与测试输入信号端口 （测试笔） 的信号电平 存在差异时，采用电平转换电路来进行 转换 。即使用生的逻辑电路，在 测试输入信号 端或虚拟测试仪器端之间插入电平转换电路，使信号传输电平能够有效匹配。 测试接口切换装置的基本功能，在通常测试情况下，基本满足了测试接口切换的功能，作为功能很强大的 件来说，其功能仅发挥了一小部分，还有足够的资 源还可利用。 在后续的研究开发工作中，我们将 通过对测试接口切换装置的性能扩展，充分发挥 件的特点，使测试接口切换装置在虚拟仪器测试的应用中，发挥更大的作用，用来实现测试输入信号调理功能 ，其 扩展特性 有 ： 1、 对 测试输入 的模拟信号 进行 修正 或 补偿 ： 修正或补偿的关系表达式为： 1+k) k 为修正或补偿系数， k 1； 2、对 测试输入 的模拟 信号 进行 衰减和放大 ： 衰减和放大的关系表达式为： 1+g) g 为衰减和放大系数， 当 g 0 时，做信号放大 运算 ；当 g 0 时，做信号衰减 运算 ； 3、 对 测试输入 的数字信号 进行整形和限幅 ： 整形和限幅的关系表达式为： i/n n 为整形和限幅系数， n 1； 4、对 测试输入 的传输 信号 进行信 号数字滤波 ： 数字滤波的关系表达式为： Si/m m 为 信号滤波 系数， m=1、 2、 3 ； 5、对 测试输入 的传输频率特性进行补偿： 频率补偿的关系表达式为： Si(f) Si(f)为频率补偿值， f 为频率补偿频点； 6、对 测试输入 的数字信号 进行编程 逻辑 控制 ： 编程逻辑控制的关系表达式为： Si( (逻辑表达式。 由此可见，由于采用 实现测试接口切换装置的动态配置，通过对其应用功能的扩充，可实现在测试过程中对测试输入信号的多种调理功能和信号处理功能，使测试接口切换装置具有更强的性能。 测试信号测试信号输入端测试仪器 3测试仪器 1测试仪器 2F P 制逻辑测试信号测试信号输入端测试仪器 3测试仪器 1测试仪器 2F P G A 逻辑电路 6 5、 结论 我们结合对虚拟仪器应用项目的技术开发工作，对有