《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 基于USB,、PCM編碼和以太網(wǎng)三層通訊的虛擬儀器平臺(tái)

基于USB,、PCM編碼和以太網(wǎng)三層通訊的虛擬儀器平臺(tái)

2009-04-01
作者:馮利燕 周富大 高維路 朱洪興

  摘? 要: 介紹了一種基于USB、PCM編碼和以太網(wǎng)三層通訊的虛擬義器——DDSTM儀器平臺(tái)。分析了三層通訊的各自特點(diǎn)和相互關(guān)系,,重點(diǎn)介紹了DDSTM儀器的組成,,然后從虛擬儀器的角度簡要介紹系統(tǒng)軟件,,最后給出實(shí)例,。

  關(guān)鍵詞: USB? PCM編碼? 以太網(wǎng)? DDS儀器? 虛擬儀器

?

  在現(xiàn)代航空航天、高速列車等大型工程試驗(yàn)中,,往往要求對多科目,、多位置的數(shù)百路高低速動(dòng)態(tài)信號進(jìn)行連續(xù)長時(shí)間同步采集、記錄,、實(shí)時(shí)處理,,并且要求測試數(shù)據(jù)網(wǎng)上綜合。早期的獨(dú)立測試儀器已逐漸不能滿足日益膨脹的需求,,世界各國都在尋求高效,、方便的綜合測試平臺(tái)。DDS儀器(數(shù)字式動(dòng)態(tài)信號測試儀器)正是為了滿足現(xiàn)代大型工程測試的需要,,綜合在遙控遙測中成熟的PCM編碼技術(shù),、最新的USB(通用串行總線)桌面接口技術(shù)和已廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù),成功開發(fā)的全新數(shù)字化測控儀器平臺(tái),。

  虛擬儀器是目前國內(nèi)外測試技術(shù)與儀器制造業(yè)十分關(guān)注的熱點(diǎn)話題,,其技術(shù)發(fā)展非常迅速。它通過對傳統(tǒng)儀器的部分功能甚至全部功能的軟件化,,在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,,靈活地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的測量和控制能力。USB連接方式簡單,,是一種成本較低的解決方案,。而USB接口的儀器單元不僅可內(nèi)置于計(jì)算機(jī)機(jī)箱中使用,,也可以單獨(dú)構(gòu)成儀器,置于計(jì)算機(jī)外工作,,通過USB電纜傳輸信號至主機(jī),。特別是USB支持即插即用(PnP),系統(tǒng)能夠自動(dòng)地對USB設(shè)備進(jìn)行配置,。由此,,建立在USB基礎(chǔ)上的虛擬儀器平臺(tái)便有了競爭力。

  DDS儀器軟件的核心部分為自主源代碼,,有利于系統(tǒng)應(yīng)用程序的最底層開發(fā),,直接面向用戶的需求。同時(shí),,軟件也結(jié)合了現(xiàn)有多種較成熟儀器平臺(tái)的技術(shù),,提供了與它們之間的接口。

  從PCM編碼,、USB,、以太網(wǎng)三層通信入手,本文將論述綜合測試平臺(tái)的通訊結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),,DDS儀器的硬件體系結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)軟件構(gòu)建的虛擬儀器平臺(tái),。直升機(jī)測試的實(shí)例將展現(xiàn)該系統(tǒng)的應(yīng)用,。

1 三層通信結(jié)構(gòu)介紹

  三層通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

1.1 USB通信層

  起源于1995年的USB,近年來得到了飛快發(fā)展,。除了作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口的應(yīng)用之外,,它也正在成為多種新型應(yīng)用的通用連接標(biāo)準(zhǔn),包括數(shù)據(jù)采集,、測試測量等,。由于USB1.1支持12Mbps(高速)和1.5Mbps(低速)兩種速度,因此能滿足大部分工業(yè)實(shí)時(shí)測試的要求,。而且,,由于USB自身的特點(diǎn),使得由它構(gòu)成的系統(tǒng)具有了優(yōu)勢,。

  采用USB構(gòu)成的系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性,。通過使用Hub擴(kuò)展,可駁接多達(dá)127個(gè)外設(shè),。USB具有良好的即插即用與熱插拔特性[1],,從而使由此構(gòu)成的DDS儀器可以方便地增加和刪減測試單元,組成現(xiàn)場所需的測試儀器,。

  與傳統(tǒng)的安裝在臺(tái)式機(jī)機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板卡相比,,USB接口不僅可以方便地應(yīng)用于臺(tái)式計(jì)算機(jī),,而且更廣泛地應(yīng)用于便攜式計(jì)算機(jī),有利于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)小型化,、便攜化,,而且再也不會(huì)受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址,、中斷等資源的限制,。

  另外,安裝在機(jī)箱內(nèi)的板卡往往會(huì)受到機(jī)箱內(nèi)數(shù)字噪聲環(huán)境的干擾,。與之相反,,DDSTM儀器是一個(gè)獨(dú)立的模擬電路環(huán)境,具有安靜的電磁氛圍,,數(shù)字噪聲極小,。即使對于測量上千千瓦交流電機(jī)振動(dòng)的微伏級輸入信號,也能得到干凈,、精密的信號波形,。

  鑒于以上優(yōu)點(diǎn),DDS儀器采用USB通信協(xié)議與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)通信,,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在桌面的匯總,。隨著USB2.0的推出,USB的速率將達(dá)到480Mbps,。我們相信,,DDS儀器的應(yīng)用前景將更為令人矚目。

1.2 PCM編碼的通信

  USB是優(yōu)秀的桌面接口技術(shù),,當(dāng)它與PCM編碼通信相結(jié)合,,優(yōu)勢互補(bǔ),就能產(chǎn)生一種簡單,、高速,、抗干擾力強(qiáng)并適用于無線、同軸,、光纖等多種介質(zhì)的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。其基本思想是在現(xiàn)場測試點(diǎn),將傳感器采集的模擬量數(shù)字化后進(jìn)行PCM編碼,,按照通信雙方約定好的協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳,。在PC機(jī)近端有一個(gè)雙向的PCM編碼與USB的轉(zhuǎn)換接口,利用這個(gè)轉(zhuǎn)換接口接收數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析,。而主機(jī)向設(shè)備發(fā)送控制信息的過程正好相反,,數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換接口以PCM編碼的形式再向遠(yuǎn)端傳輸。

1.3 以太網(wǎng)通信層

  一個(gè)大型測試項(xiàng)目通常由多個(gè)測試科目組成,,每個(gè)科目又有多臺(tái)DDS儀器,。在進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí),,將可能有多個(gè)數(shù)據(jù)處理工作站按照各自的要求,從不同的DDS儀器上取得信號數(shù)據(jù)流,。以太網(wǎng)正是為測試信號的數(shù)據(jù)綜合提供了最方便的方法,。

2 數(shù)字式動(dòng)態(tài)信號測試儀器(DDS儀器)

  DDS儀器采用USB總線作為儀器的通訊總線,現(xiàn)已開發(fā)成功USB接口的A/D轉(zhuǎn)換單元,、數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀單元,、數(shù)字式電位器調(diào)理單元、PCM編碼接收單元等一系列單元模塊,。根據(jù)現(xiàn)場需要,,可隨時(shí)將模塊插入DDS儀器機(jī)箱內(nèi)組合成所要求的測控系統(tǒng)。圖2是一個(gè)DDS儀器的典型應(yīng)用,。在DDS儀器中,,最左邊的USB接口A/D單元(ADKM01_USB)上帶有USB HUB(集線器),通過DDS儀器內(nèi)的HUB擴(kuò)展為每個(gè)調(diào)理單元提供USB接口,。USB接口A/D單元上有32路模擬信號輸入,,3路脈沖信號輸入。模擬信號經(jīng)調(diào)理單元放大處理后送到A/D轉(zhuǎn)換單元,,且每個(gè)調(diào)理單元的調(diào)節(jié),,如增益、零點(diǎn),、低通濾波器截止頻率等均通過USB接口,,由軟件完成調(diào)節(jié)控制。

?

  在此系統(tǒng)中,,其中的PCM編碼接收單元如圖3示意,,采用CPLD,于在線可編程芯片(ISP芯片)上完成信號的串并轉(zhuǎn)換,、譯碼和分路輸出等功能。與之相應(yīng),,信號發(fā)送端的可編程器件實(shí)現(xiàn)多路信號重新組合,、PCM編碼、并/串轉(zhuǎn)換,,經(jīng)驅(qū)動(dòng)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,。無論是發(fā)送端還是接收端,都只需一片ISP芯片完成通信的全部功能,。

?

  PCM編碼通信協(xié)議如圖4所示,。譯碼模塊分別提取信息碼流中的位同步和幀同步信號,并將PCM碼譯成NRZ碼,。分路模塊接收譯碼模塊輸出的位同步時(shí)鐘,、幀同步信號和串行NRZ碼流,,將串行信號分路,輸出寬度為16位的并行信號,。數(shù)據(jù)重排模塊接收來自三個(gè)分路模塊的并行信號,,將它們按一定的規(guī)律送入緩存并發(fā)出中斷申請。USB單片機(jī)接收到中斷后,,從緩存中取出數(shù)據(jù)并通過USB總線傳送給計(jì)算機(jī),。

?

  使用ISP芯片不僅減小了設(shè)備的體積,減少了電路的外部連線,,而且減少了外部干擾的機(jī)會(huì),,提高了電路的可靠性。

3 DDSTM儀器軟件體系

  DDS儀器軟件體系建立在Windows98或Windows2000操作系統(tǒng)上,,采用虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)方法,,面向最終用戶。DDS儀器軟件分三大部分,,由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,,儀器操作、信號記錄軟件和DataScop信號分析軟件組成,。

  DDS儀器操作,、信號記錄軟件采用最直觀、簡潔的方法實(shí)現(xiàn)了DDS儀器即插即用的配置管理,,其虛擬儀器界面的設(shè)計(jì)沿用磁帶機(jī),、示波器、數(shù)字表,、應(yīng)變儀等傳統(tǒng)儀器的操作習(xí)慣,,并提供了信號實(shí)時(shí)頻譜分析及顯示,信號多重檢索,,電視攝像同步,,調(diào)理單元自動(dòng)調(diào)節(jié)、成組調(diào)節(jié)等多種高效,、快速儀器調(diào)節(jié),,儀器設(shè)定狀態(tài)數(shù)據(jù)管理,信號實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葟?qiáng)大功能,。

  DataScop信號分析軟件通過TCP/IP協(xié)議,,從DDS儀器軟件獲取實(shí)時(shí)或回放數(shù)據(jù),可完成數(shù)據(jù)標(biāo)定,,測試零線確定,,提供常用時(shí)域分析、頻域分析,、統(tǒng)計(jì)分析,、信號曲線,、圖表輸出。根據(jù)用戶要求,,還可內(nèi)建如:機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)分析模塊,,飛機(jī)強(qiáng)度分析模塊等實(shí)時(shí)處理模塊。信號分析可自動(dòng)連續(xù)處理,。

4 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論

  直升機(jī)飛行測量系統(tǒng)是根據(jù)用戶需求研制的動(dòng)態(tài)信號綜合測試系統(tǒng),。在此系統(tǒng)中,來自尾槳,、主槳,、機(jī)艙的共約100多路信號通過調(diào)理、采集,、PCM編碼匯總并傳輸?shù)経SB總線,,然后送入現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、分析,、處理,。通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)靈活檢索與回放,,方便數(shù)據(jù)后續(xù)處理與綜合,。

  試驗(yàn)證明該系統(tǒng)很好地解決了現(xiàn)代大型綜合測試的需要,極大地提高了測試效率,。

?

參考文獻(xiàn)

1 Universal Serial Bus System Architecture.MindShare,,Inc. Don Anderson

2 Universal Serial Bus Specification

3 相關(guān)網(wǎng)址:http://www.infotronix.com.cn 

[注]DDS為北京世紀(jì)興元科技發(fā)展有限責(zé)任公司注冊商標(biāo)

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)和其它問題,,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected],。