（微电子学与固体电子学专业论文）红外放大器的测试系统研发.pdf

河北工业大学硕士学位论文 i 红外放大器的测试系统研发 摘 要 本论文系统阐述了“红外放大器测试仪”的工作原理、系统结构和软、硬件实现。该 系统通过对经放大器处理后输出的高、低速信号进行采集、分析，给红外放大器做出性能 评价。在硬件上采用 mcu、fpga 加数据采集卡的方式实现；软件上，采用 visual c+ 和 labview 相结合的设计方法。在 visual c+中调用 labview 设计的高速数据采集模 块，实现了数据采集模块和软件系统的完美结合。并通过专业的发布软件 installshield 对 软件系统进行了发布。实验证明，该红外放大器测试系统具有易操作、稳定性好和可移植 的特点，能很好的满足用户的要求。 关键词：测试仪，数据采集( daq) ，系统设计，visual c+ ，labview 红外放大器测试仪的研发 ii design of test system for infrared amplifier abstract this paper systematically introduces the chief principles, system architecture and hardware/software implementation of the design of test system for an infrared amplifier. we can educe a conclusion that the infrared amplifiers capability with high/low daq of it. mcu, fpga and daq card make up of the hardware. in the software design we use visual c+ and labview. the daq module and visual c+ can jointed without gapes from the design method of calling labview by visual c+. also, the software issued by professional issue software installshield. from tests, we can say that the instrument has some characteristics as follow: easy manipulation, stabile, transplantable, etc. so, it can meets the requirements of user well. key word: test instrument, data acquisition (daq), system design, visual c+, labview 河北工业大学硕士学位论文 - 1 - 绪 论 当今，信息技术成为推动国民经济和科学技术高速发展的关键技术。著名科学家钱学森明确指 出： 信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是关键和基础 。 测试与测量是人类认识自然界客观事物并对这些事物的若干现象进行量化从而取得深入认识其 本质的必不可少的手段。测试测量仪器则是实现测试测量的基本工具。进入信息时代，电子测量仪 器成为了测试测量仪器的主流。 中国电子测量仪器经过 40 多年的发展， 为我国国民经济、 科学教育、 特别是国防军事的发展做出了巨大贡献。随着世界高科技发展的潮流，中国电子测量仪器也步入了 高科技发展的道路，在若干重大科技领域取得了突破性进展，为我国电子测量仪器走向世界水平奠 定了良好的基础1。 今后，我国将在信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、航空航天技术等关键领域 取得更大突破，这些领域的研究、开发、技术升级的基本手段就是利用电子仪器。因此，随着各行 各业对电子仪器产品需求量的增加将不断推动电子测量仪器行业向前发展。 20 世纪 80 年代中期，随着计算机计数以及集成电路技术的飞速发展，测试仪器的物理功能越 来越多，对计算功能的要求越来越强，传统硬件仪器的固有缺点（如封闭性、缺乏灵活性、响应速 度慢等） 已使它越来越不能满足测试仪器功能日益强大的要求。 特别是近 10 年来出现的现场可编程 门阵列（fpga），数字信号处理器（dsp），他们与微机软件相结合将产生强大的计算与控制能力， 这使其在一定的实时性要求下取代了许多原来由硬件完成的功能并能完成许多硬件不能胜任的功 能。在这种情况下虚拟仪器（virtual instrument）应运而生。 与传统仪器相比，虚拟仪器是一种全 新的仪器概念，是仪器与计算机深层次结合的产物。那么，到底什么是虚拟仪器呢？我们先来看传 统仪器的构成2，如图 1 所示： 图 1 仪器的构成元素 fig 1 constitute elements of instrument 传统仪器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成。这三部分都是用电子线路 来实现的，即：都是采用硬件来实现的。随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步， 实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件 红外放大器测试仪的研发 - 2 - 代替硬件成为可能，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。同时，结果表 达与仪器控制原本就是计算机的 长项 。这样，把传统仪器的后两部分（信号处理、结果表达与仪 器控制）用计算机软件来实现，而不再采用硬件（电子线路）来实现，基于这种思想形成的仪器， 就叫虚拟仪器，即以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能 由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器的出现是对传统仪器观念的一次变革， 是 21 世纪 测控仪器的重要发展方向3。 只有同时拥有高效的软件、模块化 i/o 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充 分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。 作为一种新的仪器模式与传统的硬件化仪器比较，虚拟仪器主要有以下的特点：功能软件化、 功能软件模块化、模块控制化、仪器控制模块化、硬件接口标准化、系统集成化、程序设计图形化、 计算可视化、硬件接口软件驱动化等。 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，使本来由硬件实现的功能软件化（虚拟 化），以便最大限度的降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。 软件即仪器 这一说法正是基于 软件在虚拟仪器系统中的重要作用而提出的4。 河北工业大学硕士学位论文 - 3 - 第一章 红外放大器测试仪 随着技术得发展，红外探测系统在工农业生产、航空航天等领域得到了广泛应用。一个通用的 红外探测系统由探测器、前置放大器、主放大器、计算机等部分组成，其中主放大器完成景物信号 的放大、调整、控制、编码等，是红外系统的主要部分之一。由于在系统开发研制过程中各部分同 步并行开展，因此对每个单元的单独考核和性能评价十分关键，一个优秀的评价装置或测试系统十 分必要，应具有测试量覆盖广泛、操作简便、智能化等特点5。 本论文阐述的红外放大器测试仪是某卫星用红外多光谱扫描仪分系统红外放大器（主放大器） 研制所必需的地面专用检测设备，用于在整个研制过程中对红外放大器初样、正样产品进行电性能 检测和产品质量评估。 红外放大器用于红外多光谱扫描仪系统中对前置放大器输出的各不同光谱谱段信号进行放大。 主要作用于 b09、b10、b11、b12 四个谱段，分别代表分系统扫描到的不同波长谱段。红外放大器 对各谱段的控制、放大性能关乎 irs 系统的工作状态以及对扫描对象的采集结果，是卫星工作正常 与否的关键部件。因此，对红外放大器进行控制测试、电性能检测、放大器技术指标检测具有重大 的现实意义。 通过对红外放大器进行实地测量以及大量数据分析，制定方案并研制了红外放大器测试仪。在 红外放大器测试仪的研制中，采用了 fpga、虚拟仪器等先进的技术，保证了红外放大器测试仪可 以灵活、稳定、高效的工作。 红外放大器测试仪可以满足红外放大器单板调试、整机常规电性能检测的需要，还可在单机环 境试验中，对红外放大器的工作状况进行监测，并可与分系统其它有关电子部件进行联调、联检。 红外放大器测试仪有充分的产品性能测试功能，并留有较多的信号监测接口，可以根据测试和监测 结果，在红外放大器研制过程中，对各种技术故障进行分析和定位，为红外放大器产品研制提供强 有力的技术支持。 1 - 1 测试仪的结构组成 根据图 1-1 的功能结构图可将红外放大器测试仪主要可分为四方面： 1、 模拟与红外放大器有电气功能联系的分系统其它电子学设备针对红外放大器的功能； 在红外 多光谱扫描仪分系统中，放大器与前置放大器(信号输入设备)、配电控制器（供电设备）、红外编 码器（输出视频信号数字化处理设备）、遥测变换器（遥测信号接受设备）等设备有电气接口关系， 因此要求红外放大器测试仪能够模拟这些设备与红外放大器对应的电接口，并替代这些设备实现其 针对红外放大器的功能。 接口电气连接器型号、内容应与对应设备一致。所有与红外放大器的接口全部安置在测试仪后 面板上，面板接插件与对应的红外放大器面板相同，通过一对一电缆与红外放大器连接。 测试仪还应设置如下测试端口，可供外接示波器或数字万用表监测： 1）模拟前放输出信号监测端口，1 组，4 个谱段间切换； 红外放大器测试仪的研发 - 4 - 2）供前置放大器电源电压测量端口，1 组，4 个谱段间切换； 数字脉冲监测端口，1 组，含 3 个监测点（箝位控制脉冲、采样保持脉冲、传输脉冲各 占 1 个监测点） ，4 个谱段间切换； 3）串出信号监测端口，4 组，含 7 个监测点（b0911 奇偶串出信号各占 1 个监测点， b12 串出信号各占 1 个监测点） 。 2、完成红外放大器常规电气性能检测，采集数据，测试完成后按预置要求对测试数据进行分析 和处理。 3、对测试过程按预置程序进行管理，对测试过程中红外放大器的工作状态进行监视。 图 1 . 1 功能结构图 fig1.1 the function frame 4、通过在前端输入模拟波形，经红外放大器变换处理后，在显示终端复现图像，来检验红外放 大器工作性能。 从硬件结构上，测试仪由工业控制计算机、微处理器、fpga、接口及驱动电路等组成。工业 控制计算机为上位主控机，作为专用测控软件的运行平台，负责测试仪所有功能的控制与管理；专 用测控软件采用 rs-485 串行网络实现与下位机（微处理器）通信，完成各控制参数和信号源设定、 调整，实现上电、增益等控制指令的传输、回读以及大量数据的交互。 ，工控机通过内置的高速 pci 数据采集卡连接测试仪的输出接口，对放大器输出信号进行采集、显示。 从系统结构上可将红外放大器测试仪分为三部分进行设计：软件平台、模拟接口电路（测试仪 机体）和高速数据采集三部分，三者以及红外放大器之间关系如图 1-2 所示。 1、软件平台实现工业控制计算机对测试仪的功能控制，采集数据的读取，数据存储和报表的 生成。 2、测试仪的功能如下： 河北工业大学硕士学位论文 - 5 - 1）前置放大器模拟信号的产生，类型有：正弦、阶梯、梯形、三角波信号以及直流电 平等； 2）时序控制信号产生，包括箝位脉冲；b09-b12 四个谱段的采样/保持脉冲、传输脉冲； 3）b09-b12 四个谱段的加/断电控制，增益控制，电压、电流、增益、遥测电平等数据 的回读； 4）与计算机的通信接口电路。 图 1 . 2 红外放大器测试仪示例图 fig 1.2 the frame of infrared amplifier testing instrument 为了使用方便以及满足无 pc 机的现场测试要求，要求测试仪可单独工作。当其单独工作时： 1）测试仪前面板实现 b09-b12 上电、增益选择等控制功能； 2 ）示波器等仪器可以连接测试仪后面板的电流电压等常规数据输出端口来进行数据的常 规检测； 3 ）可以使用其它数据采集系统连接预留给高速数据采集部分的放大器输出接口进行数据 的采集和分析； 软件平台和机身面板的控制权由前面板上的 联机 控制按钮的选择与否决定。 3、高速数据采集由数据采集卡和运行于计算机平台的软件构成，实现待测红外放大器输出放 大信号的数据采集；采集数据的波形/数字量显示；采集数据的存储以及处理。 1 - 2 设计方案 为了更好的实现该系统，采用分模块的设计方法，以下是各模块的设计方案 1 . 2 . 1 测试仪主机设计方案 测试仪机体（模拟信号接口电路）分为输入、输出两大部分。输出部分将完成电源加载及切换、 前放模拟信号源输出、增益切换控制；输入部分将完成放大器的向前放供电电源的检测、串出信号 切换和检测、增益状态遥测信号的检测、放大器功耗的检测等。 该部分由一组高性能 mcu 和可编程器件（fpga）实现，其中 mcu 和 dac 等接口电路，生 成各模拟量信号，mcu 和 adc 完成数据的读取，经运算后发送给上位机。时序控制脉冲由 fpga 红外放大器测试仪的研发 - 6 - 产生。 1 . 2 . 2 高速数据采集设计方案 高速数据采集主要引入虚拟仪器设计方法。 虚拟仪器(virtual instrument)技术提出 软件即仪器 ， 即把计算机软、硬件技术应用于具有标准总线的嵌入式数据采集模块，由用户根据需要搭建不同测 量要求的仪器、设备和系统，硬件完成数据采样，软件完成测量测试的控制与分析。其中以美国 ni 公司的 labview 和 labwindows/cvi 虚拟仪器开发平台最为常用。按照测控功能硬件的不同，虚 拟仪器可以分成 gpib、vxi、pxi 和 daq 四种标准体系结构5。 目前， 较流行的虚拟仪器开发环境有两类： 一类是图形化编程语言， 具有代表性的有 labview， hpvee 等；另外一类是通用文本类编程语言，如 c 语言、visual c+，labwindows/cvi 等。图形 化的编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的优点。文本类通用编程语言具有编程灵活、运行 速度快等特点。 红外放大器测试仪作为航天用部件测试仪器，需要很高的可靠性，因此选择了高质量的工业控 制计算机而不是普通的 pc 作为虚拟仪器软件运行的硬件平台。体系结构选择上，考虑到红外放大 器测试仪虚拟仪器部分在要求安全稳定的同时、对数据采集的速度、精度、复杂度、数量级都要求 较高，普通的 gpib 平台无法满足该系统的复杂多样要求，同时要求对放大器输出数据进行后期处 理以及报表生成等工作，因此，经过多方调研，选用了数据采集系统（daq）模式，同时考虑到以 后的移植性和通用性，方案中预留了 gpib 接口，充分考虑了以后版本的扩展性问题。 数据采集卡的选择：考虑到放大器输出数据量较大，速度较快，我们采用 pci 总线接口，pci 总线可以提供高达 33mb/s 的传输速度，完全可以达到我们的要求。 开发环境方面，考虑到开发周期、用户反馈以及 daq 采集卡厂商对 labview 的强力支持，选 择了 visual c+和 labview 相结合的开发环境6。 1 . 2 . 3 软件设计方案 采用 visual c+编写控制平台实现 rs-485 总线控制、通信、数据读取等功能。并利用 ado 以 及关系数据库技术实现常规电信号的测试、存储以及后期的报表生成等。 河北工业大学硕士学位论文 - 7 - 第二章 电路设计 模拟与红外放大器由电气联结关系的电子设备中针对放大器的部分要通过电路来实现。这其中 包括前方模拟信号源的产生，时序脉冲的产生，配电控制器的增益控制，数据回读，rs-485 通信电 路，开关控制等。 2 . 1 模拟信号源 该部分将产生模拟景物信号，并在箝位脉冲信号控制下，使输出信号与箝位脉冲之间保持一定 相位关系，形成模拟前置放大器输出的信号，可实现分谱段幅度和直流分量的调节和分别驱动。产 生的波形形式如图所示： 图 2 . 1 模拟信号源输出波形 fig2.1 the output wave of analog signals 这部分组成主要包括：正弦、方波、阶梯信号产生电路，可调直流电平产生电路，程控放大和 信号合成电路。将根据各谱段不同的要求对产生的信号进行程控放大、差分、缓冲驱动。 该部分将由 3 片微处理器（高速华邦单片机 w77e58）系统组成，分别由通信电路、单片机、 8bit-dac、程控放大器、信号合成、差分转换、缓冲驱动电路等组成，每个单片机具有单独的地址 编码，串行通信采用校验与对讲方式有效保障设定数据的真实可靠78。模拟信号源可达到的技术 指标，见表 2-1。 红外放大器测试仪的研发 - 8 - 表 2 . 1 模拟信号源技术指标 table 2.1 analog signals source technical index 名称 b09 b10 b11 b12 输出通道 1 1 1 1 输出型式 差分 模拟前放输出信号（组合信号，形式见图 2-1） 输出信号类型 直流电平信号 景物原始信号形式 正弦、三角、阶梯、方波（用户可选） 输出信号偏置电平 -2.3v+2.3v 可调 1.5v3.5v，分谱段独立可调 信号幅值调整范围 直流电平信号-3v+3v 可调 信号频率范围 正弦波 2khz20hz 偏差 优于标称值的 5% 扩展要求 提供外接函数发生器/任意波形发生器引入接口（q9）， 并可实现外接信号与箝位信号融合。 2 - 2 时序脉冲发生 模拟红外编码器功能，为红外放大器提供箝位控制、采样/保持、 传输三组数字脉冲。信号种类： 箝位，采样/保持 1，传输 1，采样/保持 2，传输 2，共 5 种。 该部分在 mcu 的控制下由 fpga 产生所需的时序控制信号。fpga 部分的模块框图如下： 图 2 . 2 f p g a 模块框图 fig 2.2 module frame of fpga 1、时钟调制单元： 由于各脉冲均要求稳定，所以采用 fpga 片内的 pll（锁相环）电路以及分频电路对主时钟进 行调制，同步、分频，产生适合信号产生模块用于计数使用的同步的时钟各组控制脉冲，谱段 b09、 10、11 分别驱动；谱段 b12 单独提供。控制脉冲的驱动能力达到 10ma16ma。 河北工业大学硕士学位论文 - 9 - 图 2 . 3 箝位脉冲 fig 2.3 strangulation pulse 2、信号产生单元： 主要使用计数的方法产生要求的箝位脉冲、采样/保持脉冲、传输脉冲。考虑各个脉冲不同的要 求， 利用分频后的 100khz 时钟产生箝位脉冲， 使用调制后的主时钟产生采样/保持和传输脉冲。 注： 鉴于箝位脉冲、采样/保持脉冲、传输脉冲最小精度要求为 1.24+0.3us，拟采用 50mhz 的主时钟作为 计数基准。由于要考虑到 pll 的使用，拟采用 altera 公司的 cyclone 系列工业级别 fpga: ep1c6q240i7（逻辑门数：60000 门）89。 箝位控制脉冲只与模拟前放输出信号有对应的时序关系，与采样/保持脉冲、传输脉冲没有时序 关系。见图 2-4-1、2-4-2。 图 2 . 4 . 1 采样/ 保持脉冲和传输脉冲时序 fig 2.4.1 schedule of sampling/holding pulse and transfer pulse 红外放大器测试仪的研发 - 10 - 图 2 . 4 . 2 采样保持脉冲和传输脉冲时序 fig 2.4.2 schedule sampling/holding pulse and transfer pulse 时序脉冲发生部分可达到的技术指标，见表 2-2。 表 2 . 2 时序脉冲发生部分技术指标 table 2.2 technical index of scheduling impulse 采样/保持脉冲（s） 传输脉冲（s） 箝位控制脉冲 （ms） b09b11 b12 b09b11 b12 周期 192.5610 32.51 652 2.480.5 5.960.5 脉宽 52，3 最佳 21 31 1.240.3 2.480.5 幅值 ttl 电平 驱动方式 b0911 奇偶分别驱动，b12 单独驱动 驱动电流 10ma16ma（ttl 电平） 输出电阻 240 ，偏差小于 10 2 - 3 增益切换控制 模拟配电控制器功能，产生增益切换控制命令：kl、ko、km、kh，以+28v（测试 图 2 . 5 增益切换控制命令形式 fig 2.5 control command of plus switch 河北工业大学硕士学位论文 - 11 - 图 2 . 6 增益切换电路 fig 2.6 circuit of plus switch 仪内部产生）正端做为控制公共端，以控制命令作为控制命令回线。命令形式如图 2-5 所示。可实 现分谱段增益切换。控制公共线电平值、命令持续时间以使保持继电器正常工作为标准10。该部分 采用下述电路实现，每个谱段 4 个，共 16 路。增益控制见图 2-6 所示。 2 - 4 电源开关 根据测试软件发出的指令或面板按键，测试仪自动将外供电源切换接入到相应的谱段；在面板 上有 led 显示上电/断电状态。可实现分谱段加/断电。电路原理如图 2-7 示。电源为外接稳压电源， 为两组15v/3a 数显电源11。 2 - 5 低速数据采集 这一部分主要对供前放电源质量、放大器自用电源和被测谱段增益遥测状态电平进项采集、处 理和显示。包括两个测试通道：通道 1 用来测量供前放电源的电压、电流，并在完成后，转为对放 大器自用电源电压、电流的测量，通过 rs-485 总线传回计算机，计算出功耗，并显示在控制界面 供监控使用；通道 2 用来测量被测谱段放大器增益状态遥测电平，通过 rs-485 总线传回计算机， 送显示器供监控使用。该部分为输入通道，单片机通过 8 位多路 adc 电路完成测试，数据经处理 后通过 rs-485 总线发送至计算机。 为满足上述测量，测试仪还需提供： a.模拟前放的等功率负载，考验放大器带负载能力和供前放电源质量。 b.模拟遥测变换器 2 遥测通道的负载（750k 的负载电阻）12。 红外放大器测试仪的研发 - 12 - 2 - 6 高速数据采集部分 高速数据采集实现对放大器串出信号的测试，用于对放大器整机电性能的评估。将放大器各谱 段奇/偶元串出信号引入插卡计算机，经单片机解码后选择所要测试的通道；在计算机的控制下，被 测谱段放大器的串出信号（1 或 2 路），经 pci 插卡式高速 adc 卡，在同步信号的控制下采集到计 算机并存储。测试仪各测量通道的性能指标，见表 2-3。 表 2 . 3 测试仪各测量通道的性能指标 table 2.3 index of instrument channels 串出信号测量 电源测量 遥测电平测量 通道数量 2 1 1（7 选 1 切换） 测量动态范围 05v 018v，02a 05v 分辨率（bit） 12 8 8 中心电平调整范围 2.2v，步距 0.1v 采样速率 5mhz 10khz 10khz 精度 1 lsb 1 lsb 1 lsb 测试精度应 被测指标的 1/31/10 表 2 . 4 测试仪的电性能参数和指标要求 table 2.4 electrical capability parameter and index of instrument 名称 b09 b10 b11 b12 电压（v） +80.2，-80.2 +150.2，-150.2 供前放 电源 输出电 iout （a） 0.17 0.17 0.17 iou0.08 输出零位（mv） 010 238610 （tbc） 等效输入噪声(mv) 1 0.2 箝位电平（mv） 00.3 23863 （tbc） 线性误差(mv) -5+5（全动态范围内） 输出信号限幅(v) -0.4+6.2 输出阻抗( ) 30020 h 2.20.1 m 1.60.1 o 1.20.1 增益 调节 (倍) l 0.80.1 遥测 输出 kh/km/ko /kl/off(v) 4.15.0/3.13.9/2.12.9/1.11.9/0.00.5 功耗(w) 60（包括供探测器前放电源在放大器结构体内的热耗） 串出信号周期为 2.48us，有效宽度 1.24us，以采 4 个点计，有效采样频率大于 3.2mhz，若采 5 河北工业大学硕士学位论文 - 13 - 个点，有效采样频率大于 4mhz；为保障数据的精度，采用 12 位 adc，综合考虑后，选择该 adc 卡的最小采样频率 5m，分辨率 12 位，且应有多种触发方式和较大容量的片上缓存。 拟采用台湾凌华公司出品的 pci-9812a 数据采集卡。pci-9812a 是基于 32 位 pci 总线的通用 高速数据采集卡，它具有高速多通道多种触发方式等特点，是当前市场上性价比较高的一款产品， 可以适用于各种采样频率要求较高的数据采集环境13。需要通过测试仪完成的电性能指标见下页表 2-4。 2 - 7 r s - 4 8 5 接口电路 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于 串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被 广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来 进行通讯。rs-232-c 接口（又称 eia rs-232-c）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的 用于串行通讯的标准。该标准规定采用一个 25 个脚的 db25 连接器，对连接器的每个引脚的信号 内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定14。 rs-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准，采取不平衡传输方式，即 所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从 dte 设备发出的数据在使用 db25 连接 器时是 2 脚相对 7 脚（信号地）的电平。典型的 rs-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时， 发送端驱动器输出正电平在+5+15v，负电平在-5-15v 电平。当无数据传输时，线上为 ttl， 从开始传送数据到结束，线上电平从 ttl 电平到 rs-232 电平再返回 ttl 电平。接收器典型的工作 电平在+3+12v 与-3-12v。由于发送电平与接收电平的差仅为 2v 至 3v 左右，所以其共模抑制 能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为 20kb/s。rs-232 是 为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 37k，所以 rs-232 适合本 地设备之间的通信。 rs-485 采用平衡传输方式、需要在传输线上接终端电阻等，可以采用二线与四线方式，二线 制可实现真正的多点双向通信，其共模输出电压是-7v 至+12v 之间。由于 rs-232 接口的信号电平 值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 ttl 电平不兼容，传输速率较低（在异步传输时，波 特率为 20kbps） ，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容 易产生共模干扰，抗噪声干扰性弱，传输距离有限等缺点，所以在要求较高的情况时选用 rs-485 通信方式。其逻辑 1 以两线间的电压差为+（26） v 表示；逻辑 0 以两线间的电压差为-（26） v 表示。接口信号电平比 rs-232 降低了很多且与 ttl 电平兼容，数据最高传输速率为 10mbps ， 采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。因为 rs-485 接口 组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以 rs-485 接口宜采用屏蔽双绞线传输。rs-485 接口连 接器采用 db-9 的 9 芯插头座，与智能终端 rs-485 接口采用 db- 9（孔） ，与键盘连接的键盘接口 rs-485 采用 db-9（针）15。 红外放大器测试仪的研发 - 14 - 由于计算机上的 rs-232 所传送的距离不超过 30m，所以，工业使用较少。考虑到 rs-485 的 远距离，多节点（32 个）以及传输线成本低的特性，使得 eia rs-485 成为工业应用中数据传输的 首选标准。rs-485 采用差分信号负逻辑，2v6v 表示 0 ，6v2v 表示 1 。rs-485 组 成的通信网络中多采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机，本设计中工控机作为主机，而 各个下位 mcu 作为从机。一般的 pc 机串行口为标准 rs-232 口，根据标准规定：rs-232 采用负逻 辑，即：逻辑 1 为-5v-15v，逻辑 0 为+5v+15v。有效、可靠的实现 rs-232 与 rs-485 之间 的转换是实现系统通信的前提。因此要实现与各个下位机之间的互连以及通信，就必须先经过 rs-232 和 rs-485 的信号转换器， 实现 rs-232 信号与 rs-485 信号的互相转换。 可以用 max485 的 接口转换芯片将 rs-232 转换成 rs-485 协议进行远距离传送。接口均采用了 maxim 公司的半双 工 rs-485 总线收发器 max485。其控制十分简单，re 为接受控制端，de 为发送控制端。在发送 和接收端都进行协议转换后， rs-485 协议对数据传送来说是相对透明的，所以依然可以使用计算 机中的 rs-232 进行远距离的数据传送和控制。在最简单的 rs-232 直接传送通信系统中，只要发 送和接收双方同时准备好，仅用信号发送端 (txd) ，信号接收端 (rxd) 和信号地 (gnd)3 根线 即可进行通信；若以应答方式进行数据通信，可使用请求发送 (rts) 、清除发送 (cts) 或数据终 端准备 (dtr) 、数据装置准备 (dsr) 进行硬件握手16。 因为设计中的通信速率为 9600b/s 相对较低，所以采用普通的双绞线作为传输电缆。为了实现 终端匹配， 在总线电缆的开始和末端都并联了 120 欧姆的终端电阻17。 rs-485 串口通信电路的具体 设计如图 2.8 所示： 图 2 . 8 r s - 4 8 5 接口转换原理图 fig 2.8 rs-485 conversion elements diagram 河北工业大学硕士学位论文 - 15 - 第三章 高速数据采集系统设计 该系统中高速数据采集卡作为专用硬件辅助设备，通过 pci 总线扩展到微机上，在视窗操作系 统环境下使用软件编程的方法，以微机作为采集控制单元经总线对硬件辅助设备进行配置和操作， 实现了高速采样率的数据采集、控制和双向通信功能。这个数据采集系统具有智能化和高速度的特 点，最高 20m samples/s 的数据采集速度，4 个模拟量、4 个数字量输入通道。数据采集卡通过 pci 总线和 pc 机进行数据通讯，以插件的可靠性来保证整体的可靠性，因此能够以相对较小的体积和 投资提供整套的模拟、数字信号采集的功能。 3 - 1 数据采集（d a q ）系统概述 数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、 生物量）通过各种传感元件做适当转换后，经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送 到控制器进行数据处理或存储记录的过程。总之，数据采集是借助软件来控制整个 daq 系统，包 括采集原始数据、分析数据、给出结果等。计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制， 并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（data acquisition system，das）18。 3 . 1 . 1 采样定理 设有连续信号 x(t)，其频谱为 x(f)，以采样周期 ts 采得的离散信号为 xs(nts)。. 如果频谱 x(f)和采样周期满足下列条件： (1) 频谱 x(f)为有限频谱，即当 f1 的绝对值大于等于 fc(截止频率)时，x(f)=0； (2) 则连续信号 唯一确定：fc 称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。采样定理给出了无失真地恢复原信号的 条件。 采样定理中两个条件的物理意义： 1、连续模拟信号 x(t)的频率范围是有限的，即信号的频率 f 在 2、采样周期 ts 不能大于信号周期 tc 的一半。 其中，采样周期 ts 决定采样信号的质量和数量：ts 太小， xs(nts)数量剧增，占用内存； fc ts 2 1 = s s s s ss t ntt t ntt ntxtx *)( )sin( )()( cff 0 红外放大器测试仪的研发 - 16 - ts 太大， 模拟信号的某些信息被丢失19。 3 . 1 . 2 数据采集系统基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图 3-1 是硬 件基本组成示意图。 图 3 . 1 数据采集系统 fig 3.1 data acquire system 传感器的作用是把非电的物理量转换成模拟电量，如：电压、电流或频率。一般采集到的信号 很微弱，所以需要放大器对其进行放大和缓冲。传感器和电路中的器件会产生噪声，人为的发射源 也可以通过各种耦合使信号通道感染上噪声，这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号 的信噪比。在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多 路模拟开关来实现。 模拟开关之后是模拟通道的转换部分， 它包括采样/保持和模数转换电路 （adc） ， 模数转换器是模拟输入通道的关键电路。 采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的采样 脉冲，并保持幅值恒定，以提高 a/d 转换器的转换精度。采样/保持器输出的信号送至 adc。最后， 转换结果由计算机输出20。 3 . 1 . 3 数据采集系统性能指标 当采用daq卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：输入模式（单端输入或者差分输入） 、分辨 率、输入范围、采样速率，精度和噪声等。 单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于一伏） ，信号源 与采集端之间的距离较短（小于15英尺） ，并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述 条件，则需要使用差分输入。差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除 了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。 输入范围是指adc能够量化处理的最大、最小输入电压值。daq卡提供了可选择的输入范围， 它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。 分辨率是模/数转换所使用的数字位数。分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的 信号变化量就越小。下图表示的是一个正弦波信号，以及用三位模/数转换所获得的数字结果。三位 模/数转换把输入范围细分为 23 或者就 8 份。二进制数从 000 到 111 分别代表每一份。显然，此时 数字信号不能很好地表示原始信号， 因为分辨率不够高， 许多变化在模/数转换过程中丢失了。 然而， 如果把分辨率增加为 16 位，模/数转换的细分数值就可以从 8 增加到 216 即 65536，它就可以相当 准确地表示原始信号。 增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，你就可以实际减小信 号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。例如，当使用一个 3 位模数转换，输入信号范 河北工业大学硕士学位论文 - 17 - 围为 0 到 10 伏，上面的图显示了给信号设置增益值的效果。当增益=1 时，模/数转换只能在 5 伏范 围内细分成 4 份，而当增益=2 时，就可以细分成 8 份，精度大大地提高了。但是必须注意，此时实 际允许的输入信号范围为 0 到 5 伏。一但超过 5 伏，当乘以增益 2 以后，输入到模/数转换的数值就 会大于允许值 10 伏21。 总之，输入范围，分辨率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。此最小模拟变化 量对应于数字量的最低位上的 0，1 变化，通常叫做转换宽度（code width） 。其算式为：输入范围/ （增益*2分辨率） 。 例如，一个 12 位的 daq 卡，输入范围为 0 到 10 伏，增益为 1，则可检测到 2.4mv 的电压变 化。而当输入范围为-10 到 10 伏（20 伏） ，可检测的电压变化量则为 4.8mv。 采样率决定了模/数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达 就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。下面的图表示了采样率对精 度的影响。 图 3 . 2 不失真采集 fig 3-2 no distorted sample wave 图 3 . 3 波形畸变 fig 3.3 aberrant wave 外部时钟对于数据采集卡来说，如同其它单芯片的应用，需要一个基本时钟(time-base)来推动 板卡上的控制芯片及模拟/数字转换器的运作，此时钟来自于卡片上的石英震荡器，然后根据不同要 求及不同的模拟/数字转换器的特性，将此周期性的方波信号经由计数器(counter)模块分频后，成为 模拟/数字转换器的工作时钟脉冲，这也就决定了数据采集卡的取样频率(sampling rate)或更新频率 (update rate)。然而，由于板卡上石英震荡器的频率为固定，所以再经由计数器模块分频后，有可能 无法达到使用者所需的特定频率，因此，如果数据采集卡可提供支持外部时钟的设计，将此时钟直 接作为转换器的取样周期，将会大大增加使用者在应用取样频率及更新频率上的弹性。另外，支持 外部时钟的另一个用处是可以达成多个模块对于同步的需求。 同步是当两个(或多个)设备一起工作并对时间有精确要求的时候，就需要在它们之间进行同步。 同步是基于在两个设备之间规定一个共同的时间参考，试想如果将不同音轨的音频信号分别录在不 同的磁带机上，则必须将这两个磁带机的磁带传送轴锁定在一起，否则将来拨放出来就会有相位上 的误差，这个过程就称为同步。如果两个设备没有进行同步，无论它们开始的时间多么一致，也会 红外放大器测试仪的研发 - 18 - 由于两台设备在机械结构的差异而产生时间漂移。同样的，对于数据采集卡也是一样的概念，甚至 在要求上更为严格。而如何达到数据同步采集，最基本的要求就是不同模块间要有相同的工作时脉 与一致的触发信号，而这个相同的时钟脉冲信号需要来自于共同的外部仪器21。 触发信号一般来说可分为软件触发(software trigger)，模拟触发(analog trigger)及数字触发(digital trigger)。软件触发是程序执行到启动数据采集的瞬间，即为触发点，对于模拟触发来说，可以设定 触发电位高于或是低于某特定电压值， 让板卡上的控制芯片认定此时为触发点。 至于数字触发信号， 其触发信号为一方波(ttl 电平)，使用者可以设定触发点为上升沿(rising edge)触发或是下降沿 （falling edge)触发。另外，触发从模式上可以分为：延迟触发(delay-trigger)、预触发(pre-trigger) 、 中间触发(middle-trigger)及后触发(post-trigger)几种。发点与所采集到数据的关系如下图所示： 图 3 . 4 外部模拟触发 fig 3.4 external analog trigger 图 3 . 5 外部数字触发 fig 3.5 external digital trigger 图 3 . 6 延时触发 fig 3.6 delay trigger 由以上这些图可了解到，所谓延迟触发即是忽略触发后的前 m 个数据后才开始采集 n 个数据， 预触发是采集触发信号的前 n 个数据，中间触发是采集触发前 m 个数据及触发后的 n 个数据，后 触发则是采集触发后的 n 个数据，而前面所提到的软件触发即是指后触发的模式。 河北工业大学硕士学位论文 - 19 - 图 3 . 7 预触发 fig 3.7 pre-trigger 图 3 . 8 中触发 fig 3.8 middle trigger 图 3 . 9 后触发 fig 3.9 post trigger 除此之外还有连续触发模式，连续触发可以采集每个触发信号后特定的数据数，但如果板卡不 支持此模式的话，则使用者必须以完整的将所有数据取回，再删除无意义的数据。触发和同步及如 何确保高速数据传输是一个数据采集系统及自动化平台的一个关键因素。 数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度；一是速度。对任何量的测量都要有一定的 精度要求，否则将失去测量的意义。提高数据采集的速度不仅仅提高了工作效率，更主要的是扩大 数据采集系统的适用范围， 便于实现动态测试22。 该系统用到的数据采集卡用的是 12 位的 ad， 40m 的晶振。虽然 ad 的时钟是系统时钟的 1/2，但这些条件足以满足了系统等要求。 3 - 2 虚拟仪器设计 虚拟仪器的开发系统是设计虚拟仪器所必需的软件工具。目前，较为流行的虚拟仪器软件开发 系统大致有三类：一类是图形化的编程语言，代表性的有 labview、hpvee 等；第二类是文本式 的编程语言，如 c 语言、visual c+、labwindows/cvi 等；第三类是零编程开发系统，代表性的 是 vmids 框架协议系统23。 考虑到图形化的编程语言具有编程