使用FPGA實(shí)現(xiàn)虛擬儀器測(cè)試接口的動(dòng)態(tài)切換控制（原稿）

1 使用 現(xiàn) 虛擬儀器 測(cè)試 接口 的動(dòng)態(tài) 切換控制 李巡生 張軍 李永斐 （云南省計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)研究中心 昆明 650051） 摘要： 本文討論了在使用 虛擬 儀器對(duì)不同類型的設(shè)備進(jìn)行 故障診斷 或性能檢測(cè)時(shí)，會(huì)遇到許多測(cè)試 信號(hào) 接口 不兼容 和不匹配 的 困惑 ， 提出了使用 動(dòng)態(tài)編程的特性，來(lái)解決這一實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，探討實(shí)現(xiàn)該功能的技術(shù)路線 和方法 ， 為 實(shí)現(xiàn) 這 功能 的設(shè)計(jì) 提供參考 。 關(guān)鍵詞： 虛擬 儀器 測(cè)試接口 動(dòng)態(tài)編程 切換裝置 1、概述 通常在對(duì)設(shè)備的故障和性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，我們都會(huì)使用一些通用的電子測(cè)量?jī)x器，如萬(wàn)用表， 示波器、邏輯分析儀器、信號(hào)采集裝置 、虛擬測(cè)試儀器等 來(lái)進(jìn)行測(cè)試 ， 測(cè)試時(shí) 會(huì)根據(jù)信號(hào)的不同類型，采用不同 測(cè)試設(shè)備和 使用 不同 的 測(cè)試 連接方式 ，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 被測(cè) 設(shè)備的 信號(hào)數(shù)據(jù)采集。例如測(cè)試直流電壓、電流、電阻等，使用萬(wàn)用表；測(cè)試交流或動(dòng)態(tài)電壓、電流、頻率等，使用示波器、頻率計(jì)；測(cè)試多序列時(shí)序信號(hào)、多通道邏輯電平信號(hào)等，使用 邏輯分析儀器；測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸特性、數(shù)據(jù)交變特性，使用綜合測(cè)試儀器和專用測(cè)試儀器。不同的測(cè)試儀器，其測(cè)試接口都會(huì)根據(jù)測(cè)試信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、阻抗匹配特性、傳輸特性、物理連接方式的不同，各自有不同的連接方式和連接要 求。 在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員會(huì)根據(jù)所需測(cè)試信號(hào)的不同，使用不同的測(cè)試儀器和相應(yīng)的測(cè)試接口來(lái)適應(yīng)測(cè)試的需求，而且還要不斷的更換測(cè)試筆，不斷的切換測(cè)試方式，使測(cè)試工作的效率變得很低， 往往還會(huì)出現(xiàn)測(cè)試錯(cuò)誤， 這給測(cè)試工作帶來(lái)了極大的不便，而且制約了測(cè)試工作的快速完成 。 隨著虛擬儀器 的普及和廣泛應(yīng)用， 測(cè)試 方法和測(cè)試手段也獲得了進(jìn)步， 給測(cè)試工作帶來(lái)了許多方便，但 要實(shí)現(xiàn)使用一對(duì)測(cè)試筆來(lái)完成所有測(cè)試任務(wù)（或者大多數(shù)測(cè)試任務(wù)），還是有較大的困難的， 如何有效解決測(cè)試 接口互通互用 的問(wèn)題，在技術(shù)上仍然存在難度 。 2、 設(shè)計(jì)思想 傳統(tǒng)的測(cè) 試儀器來(lái) 在 測(cè)試被測(cè)設(shè)備時(shí)， 通常使用人工方式直接將測(cè)試儀器的測(cè)試端子（測(cè)試筆）與測(cè)試點(diǎn)連接，并觀察儀器的響應(yīng)情況，判斷信號(hào)的正確與否。在測(cè)試不同種類的信號(hào)時(shí)，需要更換測(cè)試端子（測(cè)試筆）。比如測(cè)試電壓時(shí)，使用萬(wàn)用表 ；測(cè)試信號(hào)變化波形時(shí)，使用示波器；要同時(shí)測(cè)試兩者，則必須將測(cè)試端子都連接到測(cè)試點(diǎn)，如果還要測(cè)試頻率，則頻率計(jì)的測(cè)試端子也需要接入，這就使測(cè)試連接 變得 很復(fù)雜，而且還容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和失誤，導(dǎo)致測(cè)試工作失敗。在測(cè)試工作中，這種情況是經(jīng)常存在的，為了方便有效的完成測(cè)試任務(wù) ，使用一個(gè)測(cè)試接口來(lái)實(shí)現(xiàn) 與 多個(gè)測(cè)試儀器的 互通互用 的連接 ， 需要有一個(gè)測(cè)試接口切換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能， 它將 給 測(cè)試 工作帶來(lái)更多的方便，簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程， 提高測(cè)試工作效率。 圖 1 描述了 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器 在使用測(cè)試接口切換裝置 方面的 對(duì)比情況。 使用這種測(cè)試接口切換裝置，根據(jù)實(shí)際測(cè)試工作需要，可任意選擇被測(cè)設(shè)備測(cè)試點(diǎn)信號(hào)的表達(dá)方式（即測(cè)試儀器種類），可任意選擇接入測(cè)試的測(cè)試儀器的數(shù)量，僅需要一個(gè)測(cè)試端口，就可輕松 2 完成測(cè)試 任務(wù) 所需的 功能 要求。 圖 1： 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器接口切換方式的對(duì)比 由圖 1 可見(jiàn)， 使用傳統(tǒng)測(cè)試儀器與測(cè)試接口切換裝置連接，測(cè)試端口的切換必須 由 人工來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?裝置連接的測(cè)試儀器不能產(chǎn)生切換控制信號(hào)； 如果使用虛擬儀器 與測(cè)試接口切換裝置連接 ，通過(guò)虛擬儀器的 I/O 端口（可以是 I/O 接口信號(hào)或 線接口信號(hào)），作為可編程接口，直接 對(duì) 測(cè)試接口切換裝置 進(jìn)行控制，根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)量的信號(hào)，控制相應(yīng)測(cè)試儀器設(shè)備 端口 與 測(cè)試輸入信號(hào)端口 來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試接口的切換。比如要測(cè)試被測(cè)對(duì)象的交流電壓，由虛擬儀器軟件控制使 測(cè)試接口切換裝置 要能夠 根據(jù)測(cè)試需求進(jìn)行切換 ，將數(shù)字萬(wàn)用表切換到測(cè)試筆，則可馬上得到交流電壓的讀數(shù)，同時(shí)又將數(shù)字化儀也切換到測(cè)試筆， 使測(cè)試者能同時(shí)觀察 到電壓 值 讀數(shù)，電壓的波形和振 幅 ；虛擬儀器可通過(guò)接口變成控制， 能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 或多個(gè)測(cè)試儀器的接入功能，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。使測(cè)試結(jié)果的表達(dá)通過(guò)多種表現(xiàn)形式（數(shù)值、波形、頻率等）體現(xiàn)出來(lái)。但由于 不同的測(cè)試儀器，其輸入接口的阻抗匹配、頻率特性、抗干擾特性、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍等 的差異， 會(huì)使測(cè)量 結(jié)果 形成誤差， 故在進(jìn)行接口切換時(shí)，既要考慮 接口 輸入輸出的信號(hào)有效的過(guò)渡，又要考慮在切換后接口之間 形成相互影響 ；排除影響造成的差異，不能因此而 導(dǎo)致測(cè)試任務(wù)不能有效完成或測(cè)試任務(wù)失敗。 顯然 ， 由人工方式來(lái)配置 測(cè)試信號(hào)端口和端口的傳輸特性 參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)起來(lái) 會(huì)顯得很困難 ，操作起來(lái)也會(huì)很復(fù)雜，甚至 又回到 直接通過(guò) 出傳統(tǒng) 測(cè)試儀器來(lái)完成測(cè)試任務(wù)。 因此，我們提出了 使用 可 動(dòng)態(tài)配置的 方式來(lái)實(shí)現(xiàn) 測(cè)試接口切換裝置 的邏輯配置， 所采用的核心器件為現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（ 通過(guò)對(duì) 動(dòng)態(tài)配置 控制，可同時(shí)對(duì)不同 測(cè)試儀器 端 口的特性參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整 ， 可以簡(jiǎn)化用 復(fù)雜 邏輯 電路 來(lái)實(shí)現(xiàn) 的技術(shù)難度，加快測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)速度，降低開(kāi)發(fā)成本。 對(duì)于 測(cè)試 接口切換裝置的輸入與輸出 信號(hào) 的理想 關(guān)系 表達(dá) 式為： = （ 1） 由于 測(cè)試接口切換裝置 輸出 端 口 的 差異和 端口連接的 相互影響， 其 關(guān)系表達(dá)式為： x)= +C x)= +C 傳統(tǒng)儀器檢測(cè)方式 虛擬儀器檢測(cè)方式示波器 萬(wàn)用表頻率計(jì) 邏輯分析儀信號(hào)發(fā)生器虛擬儀器的模塊化儀器被測(cè)設(shè)備 被測(cè)設(shè)備接口切換裝置接口切換裝置控制總線測(cè)試接口線測(cè)試接口線測(cè)試筆 測(cè)試筆 3 x)= +C （ 2） 其中 C 為 測(cè)試接口切換裝置 輸入和輸出的 傳輸特征 系數(shù)； 其他 測(cè)試接口 的影響 程度 ； Si(為 測(cè)試接口切換裝置的輸入 信號(hào) 。 由 (2)式 可看出，要 使 測(cè)試接口切換裝置 輸入與輸出 信號(hào) 達(dá)到 理想程度，必須要克服 許多 相關(guān) 因 素帶來(lái)的影響，一方面 是 測(cè)試接口切換裝置 的 插入影響， 其影響主要有 ： 插入 衰耗、阻抗匹配 、連接方式 、動(dòng)態(tài)范圍、分布電容、頻率特性、傳輸特性等； 一方面是 測(cè)試接口切換裝置 端口物理連接方面形成的影響 ，其影響主要有：介入衰耗、阻抗匹配、 耦合 電容、隔離特性、頻率特性等 。因此，必須把復(fù)雜關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單關(guān)系來(lái)處理，使用 動(dòng)態(tài)配置 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的 測(cè)試接口切換 裝置 ，有效的 解決 在使用虛擬儀器測(cè)試過(guò)程中的接口轉(zhuǎn)換技術(shù)難題。 將 模塊化 虛擬儀器的輸入 信號(hào)端口 簡(jiǎn)單的與 測(cè)試接口切換裝置 連接， 就能建立與測(cè)試輸入信號(hào)端口 趨于理想 的關(guān)系表達(dá)式 ： A B N （ 3） A、 B、 N 為 虛擬 測(cè)試儀器 端口 與 測(cè)試輸入信號(hào)端口 的 轉(zhuǎn)換 常數(shù)。 由 (3)式可看出，在測(cè)試時(shí)，由于 模塊化 虛擬 儀器所連接的 測(cè)試端口 不同，但只要通過(guò)對(duì) 行 動(dòng)態(tài)配置的 編程控制，將 與測(cè)試 輸入 信號(hào)端 口的 轉(zhuǎn)換 常數(shù) 動(dòng)態(tài) 置入 制器中，就可使 虛擬儀器測(cè)試端口 與 測(cè)試 輸入 信號(hào)端口 實(shí)現(xiàn) 傳輸 匹配，確保信號(hào)傳輸?shù)?準(zhǔn)確性和符合性 。 3、工作原理 通過(guò)對(duì) 測(cè)試 接口切換裝置的設(shè)計(jì)， 使用 實(shí)現(xiàn) 虛擬儀器測(cè)試接口的動(dòng)態(tài) 編程 切換 是可行的 ，裝置由測(cè)試輸入信號(hào)端口、 試控制電路、 虛擬儀器測(cè)試 端口和輔助電路組成， 測(cè)試接口切換裝置 的輸出 端口 與模塊化 虛擬儀器的物理 端口連接 ， 連接所使用的 物理 連接器 必須與 虛擬儀器的 連接器相匹配； 測(cè)試接口切換裝置 的輸入信號(hào)端口直接與被測(cè)設(shè)備的測(cè)試點(diǎn)連接，一般情況下使用主測(cè)試端口（測(cè)試筆）對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試 。 測(cè)試接口切換裝置工作原理示意圖如下： 圖 2： 測(cè)試接口切換裝置工作原理示意圖 端口連接 信號(hào)隔離電平轉(zhuǎn)換F P G A 測(cè)試控制電路測(cè)試輸入信號(hào)端口虛擬儀器 測(cè)試 端口阻抗匹配模塊化虛擬儀器被測(cè)設(shè)備 4 在使用測(cè)試接口切換裝置對(duì)被測(cè)設(shè)備信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要明確所測(cè)試信號(hào)的輸出表達(dá)形式，以便通過(guò) 對(duì) 試控制電路的動(dòng)態(tài)配置，來(lái)滿足測(cè)試功能與測(cè)試輸出表達(dá)的具體要求。對(duì)于普通的虛擬測(cè)試儀器，其輸入端口特性通常如下： 1、數(shù)字化儀輸入阻抗為 150 ，同軸測(cè)試電纜，頻率 100試電壓范圍為 5V； 2、數(shù)字萬(wàn)用表輸入阻抗為 104普通測(cè)試電纜，頻率 10試電壓范圍為 250V、電流范圍為 20A； 3、開(kāi)關(guān)量 I/O 信號(hào)輸入阻抗都是高輸入阻抗，普通測(cè)試電纜，頻率 100態(tài)范圍分為 平； 4、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗為 50 ，同軸測(cè)試電纜，頻率 100 與之相對(duì)應(yīng)的測(cè)試接口切換裝置也必須有能夠完全配合的端口物理連接器， 測(cè)試接口切換裝置的輸入信號(hào)端口與輸出之間，應(yīng)該具備幾個(gè)最基本的動(dòng)態(tài)切換功能，如端口連接、阻抗匹配、信號(hào)隔離和電平轉(zhuǎn)換功能，這些功能的關(guān)系表達(dá)式為： 端口連接關(guān)系： i， 表示裝置的輸入輸出信號(hào)無(wú)衰減連接； 阻抗匹配關(guān)系： i，表示裝置的輸入輸出阻抗完全匹配； 信號(hào)隔離關(guān)系： 示裝置的輸入輸出存在 信號(hào) 隔離，隔離系數(shù)為 K； 電平轉(zhuǎn)換關(guān)系： R 示裝置的輸入輸出存在電平變換，變換指數(shù)為 R；（注電平變換只針對(duì)電平信號(hào)，對(duì)其他信號(hào)不做電平變換） 一個(gè)包含許多未經(jīng)配置的邏輯門的芯片， 與 通常使用的專用集成電路芯片(同， 片 可以 進(jìn)行反復(fù)配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。在需要經(jīng)常改變配置來(lái)滿足應(yīng)用需求 變化的情況，使用 一個(gè) 最好 的選擇。 測(cè)試接口切換裝置需要在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試要求，使用 實(shí)現(xiàn)特定 邏輯控制、邏輯計(jì)算、精確匹配、功能切換等測(cè)試任務(wù)。 4、基本功能 該 測(cè)試接口切換裝置的基本特性 包括以下幾個(gè)方面： 1、 端口連接 功能： 通過(guò) 態(tài)構(gòu)建 的開(kāi)關(guān) 邏輯電路 ，來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模塊化測(cè)試 儀器 端口與 測(cè)試輸入信號(hào)端口 （測(cè)試筆）的物理連接 ，連接關(guān)系 可根據(jù)測(cè)試 響應(yīng) 需求 確定，即將 測(cè)試輸入信號(hào)端口 與多個(gè)虛擬儀器端口通過(guò)開(kāi)關(guān)連通，使 測(cè)試輸入信號(hào) 能直接在多個(gè)虛擬儀器上表達(dá)出來(lái) ； 2、 阻抗匹配功能： 通過(guò) 態(tài)構(gòu)建的 控制 邏 輯電路 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模塊化測(cè)試 儀器 端口與測(cè)試輸入信號(hào)端口 （測(cè)試筆）的阻抗匹配，阻抗特性可由外部連接的阻抗網(wǎng)絡(luò)來(lái) 滿足，即通過(guò)生的控制邏輯，在 測(cè)試輸入信號(hào) 端或虛擬測(cè)試儀器端并聯(lián)特征阻抗，使信號(hào)傳輸 過(guò)程滿足F P G A 開(kāi)關(guān)邏輯測(cè)試信號(hào)輸入端測(cè)試儀器 3測(cè)試儀器 2測(cè)試儀器 1測(cè)試儀器測(cè)試儀器測(cè)試儀器測(cè)試信號(hào)測(cè)試信號(hào)輸入端測(cè)試儀器 3測(cè)試儀器 2測(cè)試儀器 1測(cè)試信號(hào)阻抗網(wǎng)絡(luò)F P G A 控制邏輯 5 阻抗匹配的要求 ； 3、 信號(hào)隔離功能： 通過(guò) 態(tài)構(gòu)建的控制邏輯電路， 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模塊化儀器 測(cè)試端口與 測(cè)試輸入信號(hào)端口 （測(cè)試筆）的 信號(hào)隔離和 保護(hù) ：當(dāng)測(cè)試輸入信號(hào)超過(guò)量程范圍時(shí)、測(cè)試輸入信號(hào)不確定時(shí)或者測(cè)試輸入信號(hào) 需要耦合 變換時(shí)，要 使用 隔離 和保護(hù) 措施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的 限制。即通過(guò) 生的控制邏輯，在 測(cè) 試輸入信號(hào) 端或虛擬測(cè)試儀器端之間插入隔離網(wǎng)絡(luò)，使信號(hào)傳輸過(guò)程能夠避免外部影響或電壓沖擊； 4、 電平轉(zhuǎn)換功能： 通過(guò) 態(tài)構(gòu)建的轉(zhuǎn)換邏輯電路， 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模塊化儀器測(cè)試端口與測(cè)試輸入信號(hào)端口 （測(cè)試筆） 的信號(hào)電平 存在差異時(shí)，采用電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)進(jìn)行 轉(zhuǎn)換 。即使用生的邏輯電路，在 測(cè)試輸入信號(hào) 端或虛擬測(cè)試儀器端之間插入電平轉(zhuǎn)換電路，使信號(hào)傳輸電平能夠有效匹配。 測(cè)試接口切換裝置的基本功能，在通常測(cè)試情況下，基本滿足了測(cè)試接口切換的功能，作為功能很強(qiáng)大的 件來(lái)說(shuō)，其功能僅發(fā)揮了一小部分，還有足夠的資 源還可利用。 在后續(xù)的研究開(kāi)發(fā)工作中，我們將 通過(guò)對(duì)測(cè)試接口切換裝置的性能擴(kuò)展，充分發(fā)揮 件的特點(diǎn)，使測(cè)試接口切換裝置在虛擬儀器測(cè)試的應(yīng)用中，發(fā)揮更大的作用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試輸入信號(hào)調(diào)理功能 ，其 擴(kuò)展特性 有 ： 1、 對(duì) 測(cè)試輸入 的模擬信號(hào) 進(jìn)行 修正 或 補(bǔ)償 ： 修正或補(bǔ)償?shù)年P(guān)系表達(dá)式為： 1+k) k 為修正或補(bǔ)償系數(shù)， k 1； 2、對(duì) 測(cè)試輸入 的模擬 信號(hào) 進(jìn)行 衰減和放大 ： 衰減和放大的關(guān)系表達(dá)式為： 1+g) g 為衰減和放大系數(shù)， 當(dāng) g 0 時(shí)，做信號(hào)放大 運(yùn)算 ；當(dāng) g 0 時(shí)，做信號(hào)衰減 運(yùn)算 ； 3、 對(duì) 測(cè)試輸入 的數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行整形和限幅 ： 整形和限幅的關(guān)系表達(dá)式為： i/n n 為整形和限幅系數(shù)， n 1； 4、對(duì) 測(cè)試輸入 的傳輸 信號(hào) 進(jìn)行信 號(hào)數(shù)字濾波 ： 數(shù)字濾波的關(guān)系表達(dá)式為： Si/m m 為 信號(hào)濾波 系數(shù)， m=1、 2、 3 ； 5、對(duì) 測(cè)試輸入 的傳輸頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償： 頻率補(bǔ)償?shù)年P(guān)系表達(dá)式為： Si(f) Si(f)為頻率補(bǔ)償值， f 為頻率補(bǔ)償頻點(diǎn)； 6、對(duì) 測(cè)試輸入 的數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行編程 邏輯 控制 ： 編程邏輯控制的關(guān)系表達(dá)式為： Si( (邏輯表達(dá)式。 由此可見(jiàn)，由于采用 實(shí)現(xiàn)測(cè)試接口切換裝置的動(dòng)態(tài)配置，通過(guò)對(duì)其應(yīng)用功能的擴(kuò)充，可實(shí)現(xiàn)在測(cè)試過(guò)程中對(duì)測(cè)試輸入信號(hào)的多種調(diào)理功能和信號(hào)處理功能，使測(cè)試接口切換裝置具有更強(qiáng)的性能。 測(cè)試信號(hào)測(cè)試信號(hào)輸入端測(cè)試儀器 3測(cè)試儀器 1測(cè)試儀器 2F P 制邏輯測(cè)試信號(hào)測(cè)試信號(hào)輸入端測(cè)試儀器 3測(cè)試儀器 1測(cè)試儀器 2F P G A 邏輯電路 6 5、 結(jié)論 我們結(jié)合對(duì)虛擬儀器應(yīng)用項(xiàng)目的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，對(duì)有