使用FPGA實現虛擬儀器測試接口的動態(tài)切換控制（原稿）

1 使用 現 虛擬儀器 測試 接口 的動態(tài) 切換控制 李巡生 張軍 李永斐 （云南省計算機軟件技術開發(fā)研究中心 昆明 650051） 摘要： 本文討論了在使用 虛擬 儀器對不同類型的設備進行 故障診斷 或性能檢測時，會遇到許多測試 信號 接口 不兼容 和不匹配 的 困惑 ， 提出了使用 動態(tài)編程的特性，來解決這一實際應用中的問題，探討實現該功能的技術路線 和方法 ， 為 實現 這 功能 的設計 提供參考 。 關鍵詞： 虛擬 儀器 測試接口 動態(tài)編程 切換裝置 1、概述 通常在對設備的故障和性能進行檢測時，我們都會使用一些通用的電子測量儀器，如萬用表， 示波器、邏輯分析儀器、信號采集裝置 、虛擬測試儀器等 來進行測試 ， 測試時 會根據信號的不同類型，采用不同 測試設備和 使用 不同 的 測試 連接方式 ，來實現對 被測 設備的 信號數據采集。例如測試直流電壓、電流、電阻等，使用萬用表；測試交流或動態(tài)電壓、電流、頻率等，使用示波器、頻率計；測試多序列時序信號、多通道邏輯電平信號等，使用 邏輯分析儀器；測試數據傳輸特性、數據交變特性，使用綜合測試儀器和專用測試儀器。不同的測試儀器，其測試接口都會根據測試信號的動態(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。 在測試過程中，測試人員會根據所需測試信號的不同，使用不同的測試儀器和相應的測試接口來適應測試的需求，而且還要不斷的更換測試筆，不斷的切換測試方式，使測試工作的效率變得很低， 往往還會出現測試錯誤， 這給測試工作帶來了極大的不便，而且制約了測試工作的快速完成 。 隨著虛擬儀器 的普及和廣泛應用， 測試 方法和測試手段也獲得了進步， 給測試工作帶來了許多方便，但 要實現使用一對測試筆來完成所有測試任務（或者大多數測試任務），還是有較大的困難的， 如何有效解決測試 接口互通互用 的問題，在技術上仍然存在難度 。 2、 設計思想 傳統(tǒng)的測 試儀器來 在 測試被測設備時， 通常使用人工方式直接將測試儀器的測試端子（測試筆）與測試點連接，并觀察儀器的響應情況，判斷信號的正確與否。在測試不同種類的信號時，需要更換測試端子（測試筆）。比如測試電壓時，使用萬用表 ；測試信號變化波形時，使用示波器；要同時測試兩者，則必須將測試端子都連接到測試點，如果還要測試頻率，則頻率計的測試端子也需要接入，這就使測試連接 變得 很復雜，而且還容易出現錯誤和失誤，導致測試工作失敗。在測試工作中，這種情況是經常存在的，為了方便有效的完成測試任務 ，使用一個測試接口來實現 與 多個測試儀器的 互通互用 的連接 ， 需要有一個測試接口切換裝置來實現其功能， 它將 給 測試 工作帶來更多的方便，簡化測試過程， 提高測試工作效率。 圖 1 描述了 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器 在使用測試接口切換裝置 方面的 對比情況。 使用這種測試接口切換裝置，根據實際測試工作需要，可任意選擇被測設備測試點信號的表達方式（即測試儀器種類），可任意選擇接入測試的測試儀器的數量，僅需要一個測試端口，就可輕松 2 完成測試 任務 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比 由圖 1 可見， 使用傳統(tǒng)測試儀器與測試接口切換裝置連接，測試端口的切換必須 由 人工來實現，因為 裝置連接的測試儀器不能產生切換控制信號； 如果使用虛擬儀器 與測試接口切換裝置連接 ，通過虛擬儀器的 I/O 端口（可以是 I/O 接口信號或 線接口信號），作為可編程接口，直接 對 測試接口切換裝置 進行控制，根據需要進行測量的信號，控制相應測試儀器設備 端口 與 測試輸入信號端口 來實現測試接口的切換。比如要測試被測對象的交流電壓，由虛擬儀器軟件控制使 測試接口切換裝置 要能夠 根據測試需求進行切換 ，將數字萬用表切換到測試筆，則可馬上得到交流電壓的讀數，同時又將數字化儀也切換到測試筆， 使測試者能同時觀察 到電壓 值 讀數，電壓的波形和振 幅 ；虛擬儀器可通過接口變成控制， 能同時實現兩個 或多個測試儀器的接入功能，以滿足實際應用的要求。使測試結果的表達通過多種表現形式（數值、波形、頻率等）體現出來。但由于 不同的測試儀器，其輸入接口的阻抗匹配、頻率特性、抗干擾特性、信號動態(tài)范圍等 的差異， 會使測量 結果 形成誤差， 故在進行接口切換時，既要考慮 接口 輸入輸出的信號有效的過渡，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 導致測試任務不能有效完成或測試任務失敗。 顯然 ， 由人工方式來配置 測試信號端口和端口的傳輸特性 參數， 實現起來 會顯得很困難 ，操作起來也會很復雜，甚至 又回到 直接通過 出傳統(tǒng) 測試儀器來完成測試任務。 因此，我們提出了 使用 可 動態(tài)配置的 方式來實現 測試接口切換裝置 的邏輯配置， 所采用的核心器件為現場可編程邏輯陣列（ 通過對 動態(tài)配置 控制，可同時對不同 測試儀器 端 口的特性參數進行動態(tài)調整 ， 可以簡化用 復雜 邏輯 電路 來實現 的技術難度，加快測試系統(tǒng)開發(fā)速度，降低開發(fā)成本。 對于 測試 接口切換裝置的輸入與輸出 信號 的理想 關系 表達 式為： = （ 1） 由于 測試接口切換裝置 輸出 端 口 的 差異和 端口連接的 相互影響， 其 關系表達式為： x)= +C x)= +C 傳統(tǒng)儀器檢測方式 虛擬儀器檢測方式示波器 萬用表頻率計 邏輯分析儀信號發(fā)生器虛擬儀器的模塊化儀器被測設備 被測設備接口切換裝置接口切換裝置控制總線測試接口線測試接口線測試筆 測試筆 3 x)= +C （ 2） 其中 C 為 測試接口切換裝置 輸入和輸出的 傳輸特征 系數； 其他 測試接口 的影響 程度 ； Si(為 測試接口切換裝置的輸入 信號 。 由 (2)式 可看出，要 使 測試接口切換裝置 輸入與輸出 信號 達到 理想程度，必須要克服 許多 相關 因 素帶來的影響，一方面 是 測試接口切換裝置 的 插入影響， 其影響主要有 ： 插入 衰耗、阻抗匹配 、連接方式 、動態(tài)范圍、分布電容、頻率特性、傳輸特性等； 一方面是 測試接口切換裝置 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，必須把復雜關系轉化為簡單關系來處理，使用 動態(tài)配置 技術來實現智能化的 測試接口切換 裝置 ，有效的 解決 在使用虛擬儀器測試過程中的接口轉換技術難題。 將 模塊化 虛擬儀器的輸入 信號端口 簡單的與 測試接口切換裝置 連接， 就能建立與測試輸入信號端口 趨于理想 的關系表達式 ： A B N （ 3） A、 B、 N 為 虛擬 測試儀器 端口 與 測試輸入信號端口 的 轉換 常數。 由 (3)式可看出，在測試時，由于 模塊化 虛擬 儀器所連接的 測試端口 不同，但只要通過對 行 動態(tài)配置的 編程控制，將 與測試 輸入 信號端 口的 轉換 常數 動態(tài) 置入 制器中，就可使 虛擬儀器測試端口 與 測試 輸入 信號端口 實現 傳輸 匹配，確保信號傳輸的 準確性和符合性 。 3、工作原理 通過對 測試 接口切換裝置的設計， 使用 實現 虛擬儀器測試接口的動態(tài) 編程 切換 是可行的 ，裝置由測試輸入信號端口、 試控制電路、 虛擬儀器測試 端口和輔助電路組成， 測試接口切換裝置 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； 測試接口切換裝置 的輸入信號端口直接與被測設備的測試點連接，一般情況下使用主測試端口（測試筆）對被測設備進行測試 。 測試接口切換裝置工作原理示意圖如下： 圖 2： 測試接口切換裝置工作原理示意圖 端口連接 信號隔離電平轉換F P G A 測試控制電路測試輸入信號端口虛擬儀器 測試 端口阻抗匹配模塊化虛擬儀器被測設備 4 在使用測試接口切換裝置對被測設備信號進行測量時，需要明確所測試信號的輸出表達形式，以便通過 對 試控制電路的動態(tài)配置，來滿足測試功能與測試輸出表達的具體要求。對于普通的虛擬測試儀器，其輸入端口特性通常如下： 1、數字化儀輸入阻抗為 150 ，同軸測試電纜，頻率 100試電壓范圍為 5V； 2、數字萬用表輸入阻抗為 104普通測試電纜，頻率 10試電壓范圍為 250V、電流范圍為 20A； 3、開關量 I/O 信號輸入阻抗都是高輸入阻抗，普通測試電纜，頻率 100態(tài)范圍分為 平； 4、函數信號發(fā)生器輸出阻抗為 50 ，同軸測試電纜，頻率 100 與之相對應的測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， 測試接口切換裝置的輸入信號端口與輸出之間，應該具備幾個最基本的動態(tài)切換功能，如端口連接、阻抗匹配、信號隔離和電平轉換功能，這些功能的關系表達式為： 端口連接關系： i， 表示裝置的輸入輸出信號無衰減連接； 阻抗匹配關系： i，表示裝置的輸入輸出阻抗完全匹配； 信號隔離關系： 示裝置的輸入輸出存在 信號 隔離，隔離系數為 K； 電平轉換關系： R 示裝置的輸入輸出存在電平變換，變換指數為 R；（注電平變換只針對電平信號，對其他信號不做電平變換） 一個包含許多未經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 進行反復配置，以適應不同的應用需要。在需要經常改變配置來滿足應用需求 變化的情況，使用 一個 最好 的選擇。 測試接口切換裝置需要在測試過程中，根據測試要求，使用 實現特定 邏輯控制、邏輯計算、精確匹配、功能切換等測試任務。 4、基本功能 該 測試接口切換裝置的基本特性 包括以下幾個方面： 1、 端口連接 功能： 通過 態(tài)構建 的開關 邏輯電路 ，來 實現對虛擬模塊化測試 儀器 端口與 測試輸入信號端口 （測試筆）的物理連接 ，連接關系 可根據測試 響應 需求 確定，即將 測試輸入信號端口 與多個虛擬儀器端口通過開關連通，使 測試輸入信號 能直接在多個虛擬儀器上表達出來 ； 2、 阻抗匹配功能： 通過 態(tài)構建的 控制 邏 輯電路 ， 實現對虛擬模塊化測試 儀器 端口與測試輸入信號端口 （測試筆）的阻抗匹配，阻抗特性可由外部連接的阻抗網絡來 滿足，即通過生的控制邏輯，在 測試輸入信號 端或虛擬測試儀器端并聯特征阻抗，使信號傳輸 過程滿足F P G A 開關邏輯測試信號輸入端測試儀器 3測試儀器 2測試儀器 1測試儀器測試儀器測試儀器測試信號測試信號輸入端測試儀器 3測試儀器 2測試儀器 1測試信號阻抗網絡F P G A 控制邏輯 5 阻抗匹配的要求 ； 3、 信號隔離功能： 通過 態(tài)構建的控制邏輯電路， 實現對虛擬模塊化儀器 測試端口與 測試輸入信號端口 （測試筆）的 信號隔離和 保護 ：當測試輸入信號超過量程范圍時、測試輸入信號不確定時或者測試輸入信號 需要耦合 變換時，要 使用 隔離 和保護 措施來實現對信號的 限制。即通過 生的控制邏輯，在 測 試輸入信號 端或虛擬測試儀器端之間插入隔離網絡，使信號傳輸過程能夠避免外部影響或電壓沖擊； 4、 電平轉換功能： 通過 態(tài)構建的轉換邏輯電路， 實現對虛擬模塊化儀器測試端口與測試輸入信號端口 （測試筆） 的信號電平 存在差異時，采用電平轉換電路來進行 轉換 。即使用生的邏輯電路，在 測試輸入信號 端或虛擬測試儀器端之間插入電平轉換電路，使信號傳輸電平能夠有效匹配。 測試接口切換裝置的基本功能，在通常測試情況下，基本滿足了測試接口切換的功能，作為功能很強大的 件來說，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)的研究開發(fā)工作中，我們將 通過對測試接口切換裝置的性能擴展，充分發(fā)揮 件的特點，使測試接口切換裝置在虛擬儀器測試的應用中，發(fā)揮更大的作用，用來實現測試輸入信號調理功能 ，其 擴展特性 有 ： 1、 對 測試輸入 的模擬信號 進行 修正 或 補償 ： 修正或補償的關系表達式為： 1+k) k 為修正或補償系數， k 1； 2、對 測試輸入 的模擬 信號 進行 衰減和放大 ： 衰減和放大的關系表達式為： 1+g) g 為衰減和放大系數， 當 g 0 時，做信號放大 運算 ；當 g 0 時，做信號衰減 運算 ； 3、 對 測試輸入 的數字信號 進行整形和限幅 ： 整形和限幅的關系表達式為： i/n n 為整形和限幅系數， n 1； 4、對 測試輸入 的傳輸 信號 進行信 號數字濾波 ： 數字濾波的關系表達式為： Si/m m 為 信號濾波 系數， m=1、 2、 3 ； 5、對 測試輸入 的傳輸頻率特性進行補償： 頻率補償的關系表達式為： Si(f) Si(f)為頻率補償值， f 為頻率補償頻點； 6、對 測試輸入 的數字信號 進行編程 邏輯 控制 ： 編程邏輯控制的關系表達式為： Si( (邏輯表達式。 由此可見，由于采用 實現測試接口切換裝置的動態(tài)配置，通過對其應用功能的擴充，可實現在測試過程中對測試輸入信號的多種調理功能和信號處理功能，使測試接口切換裝置具有更強的性能。 測試信號測試信號輸入端測試儀器 3測試儀器 1測試儀器 2F P 制邏輯測試信號測試信號輸入端測試儀器 3測試儀器 1測試儀器 2F P G A 邏輯電路 6 5、 結論 我們結合對虛擬儀器應用項目的技術開發(fā)工作，對有