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基于USB、PCM编码和以太网三层通讯的虚拟仪器平台
在现代航空航天、高速列车等大型工程试验中,往往要求对多科目、多位置的数百路高低速动态信号进行连接长时间同步采集、记录、实时处理,并且要求测试数据网上综合。早期的独立测试仪器已逐渐不能满足日益膨胀的需求,世界各国都在寻求高效、方便的综合测试平台。DDS仪器（数字式动态信号测试仪器）正是为了满足现代大型工程测试需要,综合在遥控测中成熟的PCM编码技术、最新的USB（通用串行总线）桌面接口技术和已广泛应用的以太网技术,成功开发的全新数字化测控仪器平台。
虚拟仪器是目前国内外测试技术与仪器制造业十分关注的热点话题,其技术发展非常迅速。它通过用传统仪器的部分功能甚至全部功能的软件化,在通用的计算机平台上,灵活地实现了传统的测量和控制能力。USB连接方式简单,是一种成本较低的解决方案。而USB接口的仪器单元不仅可内置于计算机机箱中使用, 也可以单独构成仪器,置于计算机外工作,通过USB电缆传输信号至主机。特别是USB支持即插即用（PnP）,系统能够自动地对USB设备进行配置。由此,建立在USB基础上的虚拟仪器平台便有了竞争力。
DDS仪器软件的核心部分为自主源代码,
有利于系统应用程序的最底层开发,直接面向用户的需求。同时,软件也结合了现有多种较成熟仪器平台的技术,提供了与它们之间的接口。
从PCM编码、USB、以太网三层通信入手,本文将论述综合测试平台的通讯结构与特点,DDS仪器的硬件体系结构以及系统软件构建的虚拟仪器平台。直升机测试的实例将展现该系统的应用。
1 三层通信结构介绍
三层通信系统硬件结构框图如图1所示。
1.1 USB通信层
起源于1995年的USB,近年来得到了飞快发展。除了作为标准外设接口应用之外,它也正在成为多种新型应用的通用连接标准,包括数据采集、测试测量等。由于USB1.1支持12 Mbps（高速）和1.5Mbps（低速）两种速度,因此能满足大部分工业实时测试的要求。而且,由于USB自身的特点,使得由它构成的系统具有了优势。
采用USB构成的系统具有可扩展性。通过使用Hub扩展,可驳接多达127个外投。USB具有良好的即插即用与热插拔特性[1],从而使由此构成的DDS仪器可以方便地增加和删减测试单元,组成现场所需的测试仪器。
与传统的安装在台式机机箱内的数据采集板卡相比,
USB接口不仅可以方便地应用于台式计算机,而且更广泛地应用于便携式计算机,有利于数据采集系统小型化、便携化,而且再也不会受计算机插槽数量、地址、中断等资源的限制。
另外,安装在机箱内的板卡往往会受到机箱内数据噪声环境的干扰。与之相反,DDS TM仪器是一个独立的模拟电路环境,具有安静的电磁氛围,数字噪声极小。即使对于测量上千千瓦交流电机振动的微伏级输入信号,也能得到干净、精密的信号波形。
鉴于以上优点,DDS仪器采用USB通信协议与数据采集计算机通信,实现数据在桌面的汇总。随着USB2.0的推出,USB的速率将达到480Mbps。我们相们,DDS仪器的应用前景钭更为令人瞩目。
1.2 PCM编码的通信
USB是优秀的桌面接口技术,当它与PCM编码通信相结合,优势互补,就能产生一种简单、高速、抗干扰力强并适用于无线、同轴、光纤等多种介质的远距离数据采集系统。其基本思想是在现场测试点,将传感器采集的模拟量数字化后进行PCM编码,按照通信双方约定好的协议将数据上传。在PC机近端有一个双向的PCM编码与USB的转换接口,利用这个转换接口接收数据并通过USB接口传输至PC机进行分析。而主机向设备发送控制信息的过程正好相反,数据通过转换接口以PCM编码的形成再向远端传输。
1.3 以太网通信层
一个大型测试项目通常由多个测试科目组成,每个科目又有多台DDS仪器。在进行实时数据处理时,将可能有多个数据处理工作站按照各自的要求,从不同的DDS仪器上取得信号数据流。以太网正是为测试信号的数据综合提供了最方便的方法。
2 数字式动态信号测试仪器（DDS仪器）
DDS义器采用USB总线作为仪器的通讯总线,现已开发成功USB接口的A/D转换单元、数字式动态应变仪单元、数字式电位器调理单元、PCM编码接收单元等一系列单元模块。根据现场需要,可随时将模块插入DDS仪器机箱内组合成所要求的测控系统。图2是一个DDS仪器的典型应用。在DDS仪器中, 最左边的USB接口A/D单元（ADKM01_USB）上带有USBHUB（集线器）,通过DDS仪器内的HUB扩展为每个调理单元提供USB接口。USB接口A/D单元上有32路模拟信号输入,3路脉冲信号输入。模拟信号经调理单元放大处理后送到A/D转换单元,且每个调理单元的调节,如增益、零点、低通滤波器截止频率等均通过USB接口,由软件完成调节控制。
在此系统中,其中的PCM编码接收单元如图3示意,采用CPLD,于在线可编程芯片（ISP芯片）上完成信号的串并转换、译码和分路输出等功能。与之相应,信号发送端的可编程器件实现多路信号重新组合、PCM编码、并/串转换,经驱动后进行远距离传输。无论是发送端还是接收端,都只需一片ISP芯片完成通信的全部功能。
PCM编码通信协议如图4所示。译码模块分别提取信息码流中的位同步和帧同步信号,并将PCM码译成NRZ码。分路模块接收译码模块输出的位同步时钟、帧同步信号和串行NRZ码流,将串行信号分路,输出宽度为16位的并行信号。数据重排模块接收来自三个分路模块的并行信号,将它们按一定的规律送入缓存并发出中断申请。USB单片机接收到中断后,从缓存中取出数据并通过USB总线传送给计算机。
使用ISP芯片不仅减小了设备的体积,减少了电路的外部连续,而且减少了外部干扰的机会,提高了电路的可靠性。
3 DDS TM仪器软件体系
DDS仪器软件体系建立在Windows98或Windows2000操作系统上,采用虚拟仪器的实现方法,面向最终用户。DDS仪器软件分三大部分,由设备驱动程序,仪器操作、信号记录软件和DataScop信号分析软件组成。
DDS仪器操作、信号记录软件采用最直观、简洁的方法实现了DDS仪器即插即用的配置管理,其虚拟仪器界面的设计沿用磁带机、示波器、数字表、应变仪等传统仪器的操作习惯,并提供了信号实时频谱分析及显示,信号多重检索,电视摄像同步,调理单元自动调节、成组调节等多种高效、快速仪器调节,仪器设定状态数据管理,信号实时网络传输等强大功能。
DataScop信号分析软件通过TCP/IP协议,从DDS仪器软件获取实时或回放数据,可完成数据标定,测试零线确定,提供常用时域分析、频域分析、统计分析、信号曲线、图表输出。根据用户要求,还可内建如：机车车辆动力学分析模块,飞机强度分析模块等实时处理模块。信号分析可自动连续处理。
4 应用实例与结论
直升机飞行测量系统是根据用户需求研制的动态信号综合测试系统。在此系统中,来自尾桨、主桨、机舱的共约100多路信号通过调理、采集、PCM编码汇总并传输到USB总线,然后送入现场监控计算机实时显示、分析、处理。通过以太网将数据共享,实现数据灵活检索与回放,方便数据后续处理与综合。
试验证明该系统很好地解决了现代大型综合测试的需要,极大地提高了测试效率。 |
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