專利名稱：模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電子信息和測試測量領(lǐng)域，具體涉及動靜態(tài)信號的現(xiàn)場測試、記 錄、分析與設(shè)備的自動化控制儀器組成的測控裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外的測控系統(tǒng)，絕大多數(shù)還是采用的信號調(diào)理、設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集之 間多個功能模塊分離實現(xiàn)的方案。這種方案類似于搭積木的方式，各個功能模塊采用獨立 的設(shè)備實現(xiàn)，實現(xiàn)各功能的設(shè)備可能是一個廠家提供，也可能是多個廠家提供。這種方式， 雖然有著較大的靈活性，但是在系統(tǒng)實施過程中，無法避免布線工程量大、各設(shè)備間接口難 以統(tǒng)一以及由此帶來的系統(tǒng)整體可靠性和穩(wěn)定性差等弊端，也成為測控系統(tǒng)長期工作的一 大隱患。雖然業(yè)內(nèi)已經(jīng)逐漸認識到分離設(shè)備組成的測控系統(tǒng)帶來的這些不足，但是，目前縱 觀市場，特別是國內(nèi)市場，還沒有高可靠的集成式測控產(chǎn)品推出。究其原因，其一，國內(nèi)廠家 對該項主要是測控系統(tǒng)涉及的技術(shù)范圍較廣，從信號調(diào)理、工業(yè)現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集、計算 機接口技術(shù)，到專業(yè)測控軟件、虛擬儀器技術(shù)等諸多方面。目前，國內(nèi)大多數(shù)設(shè)備廠家都在 某一個或者兩個方面進行研究，能夠提供完整技術(shù)解決方案的廠家并不多。我們作為國內(nèi) 最早的測控設(shè)備提供商，在這幾個領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)有多年的研發(fā)經(jīng)驗和成熟產(chǎn)品，因此，能迅速 的抓住市場需求，推出UXI系列模塊化集成式測控系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個現(xiàn)場測試 系統(tǒng)中成功應(yīng)用，得到用戶的一致好評。相信，隨著該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，會有越來越多的國 內(nèi)外測控系統(tǒng)提供商推出集成式的測控系統(tǒng)，掀起一次技術(shù)革新潮。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置，本實用新型高 度集成、結(jié)構(gòu)簡單，使得現(xiàn)場實施和設(shè)備維護工作極大的減少，同時，采用智能測控軟件完 成對整個系統(tǒng)進行控制、測試結(jié)果的自動換算等工作，無需人工干預(yù)，提高了系統(tǒng)的易操作 性和可靠性。本實用新型的模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置，由信號調(diào)理模塊1、設(shè)備控制模 塊2、電源模塊3、UXI總線4、多路并行采集模塊5、控制模塊6、通信接口模塊7、DDR2大容 量存儲接口 8、DDR2存儲器9、采集控制邏輯電路10和UXI背板11構(gòu)成；UXI背板11內(nèi)有 電源模塊3和UXI總線4 ；控制模塊6內(nèi)有通信接口模塊7、DDR2大容量存儲接口 8和采集 控制邏輯電路10 ；信號調(diào)理模塊1和設(shè)備控制模塊2分別連接到UXI背板11的UXI總線 4 ；為整個裝置供電的電源模塊3連接到UXI總線4和控制模塊6 ；多路并行采集模塊5連 接到UXI總線4 ；對采集時序進行控制的采集控制邏輯電路10連接多路并行采集模塊5 ； DDR2大容量存儲接口 8連接采集控制邏輯電路10和DDR2存儲器9 ；將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴?位機的通信接口模塊7連接DDR2大容量存儲接口 8。本實用新型的模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置，具有以下優(yōu)點(一)保留了傳 統(tǒng)測控系統(tǒng)組建的靈活性。(二)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。(三)專用的測控
3軟件可以對調(diào)理模塊進行自動識別。(四)整個測量與控制過程無需多余的人工干預(yù)，完全 由系統(tǒng)自動完成，極大的簡化了整個操作過程。(五)軟件采用虛擬儀器技術(shù)，可針對用戶 具體需求來實現(xiàn)設(shè)備功能、屬性的重構(gòu)，在不改變硬件設(shè)備的情況下，即可實現(xiàn)軟件即是儀 器的構(gòu)想。

圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖中符號說明信號調(diào)理模塊1、設(shè)備控制模塊2、電源模塊3、UXI總線4、多路并 行采集模塊5、控制模塊6、通信接口模塊7、DDR2大容量存儲接口 8、DDR2存儲器9、采集控 制邏輯電路10、UXI背板11。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖并用最佳的實施例對本實用新型作詳細的說明。參閱圖1，模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置，由信號調(diào)理模塊1、設(shè)備控制模塊 2、電源模塊3、UXI總線4、多路并行采集模塊5、控制模塊6、通信接口模塊7、DDR2大容量 存儲接口 8、DDR2存儲器9、采集控制邏輯電路10和UXI背板11構(gòu)成；UXI背板11內(nèi)有電 源模塊3和UXI總線4 ；控制模塊6內(nèi)有通信接口模塊7、DDR2大容量存儲接口 8和采集控 制邏輯電路10 ；信號調(diào)理模塊1和設(shè)備控制模塊2分別連接到UXI背板11的UXI總線4 ； 為整個裝置供電的電源模塊3連接到UXI總線4和控制模塊6 ；多路并行采集模塊5連接 到UXI總線4 ；對采集時序進行控制的采集控制邏輯電路10連接多路并行采集模塊5 ；DDR2 大容量存儲接口 8連接采集控制邏輯電路10和DDR2存儲器9 ；將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴衔粰C 的通信接口模塊7連接DDR2大容量存儲接口 8。針對目前現(xiàn)場測控系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)組成復(fù)雜、現(xiàn)場工程量大、設(shè)備維護難度高、 系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性較差等問題，提出了一種新的“模塊化、集成式的測控系統(tǒng)”解決方 案——UXI模塊化集成式測控系統(tǒng)。通常把測控系統(tǒng)分為信號調(diào)理、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和測控軟件4部分。在傳統(tǒng)的 測控系統(tǒng)中，這幾個組成部分相互獨立，每一個功能都是由一套專用儀器實現(xiàn)，由此，帶來 了現(xiàn)場實施過程中常見的系統(tǒng)組成復(fù)雜、布線工作量大、設(shè)備維護工作繁雜、智能化程度不 高以及整個系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較差的問題。本實用新型將測控系統(tǒng)中最主要的信號調(diào)理、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集功能集成到一 個硬件平臺中，通過標準的計算機接口總線——USB接口，與上位機通信。由運行在上位機 的智能測控軟件，對集成式測控系統(tǒng)中的各個組成單元進行身份識別和智能控制，實現(xiàn)測 控系統(tǒng)的目標需求。同時，為了滿足多種不同的測控系統(tǒng)需求，UXI模塊化集成式測控系統(tǒng) 的信號調(diào)理和設(shè)備控制單元均采用模塊化設(shè)計，通過前面板的可抽插式結(jié)構(gòu)，可以方便的 更換不同的信號調(diào)理模塊和設(shè)備控制模塊，實現(xiàn)多種通道數(shù)、多種功能組合的測控系統(tǒng)。這種模塊化、集成式的測控系統(tǒng)解決方案，使得現(xiàn)場布線工作大大減少，系統(tǒng)組成 相對簡單、設(shè)備數(shù)量和由此帶來的設(shè)備維護工作也極大的減少，同時，采用智能測控軟件進 行統(tǒng)一識別和控制，免除了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中，工程標定、數(shù)據(jù)換算等人工干預(yù)過程，全部控 制和數(shù)據(jù)換算工作均由智能軟件完成，降低了測控人員對測控系統(tǒng)工作過程中的干預(yù)程度，提高了系統(tǒng)的易操作性和可靠性。本實用新型要點集成式多通道設(shè)計信號調(diào)理單元、設(shè)備控制單元與數(shù)據(jù)采集單元均集成在一個UXI機箱中，避免了 傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中布線工程量大、穩(wěn)定性和可靠性差等問題。由UXI設(shè)備內(nèi)部的總線連接，代 替了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中多個設(shè)備之間的電纜連接，使得整個測控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。模塊化設(shè)計技術(shù)。信號調(diào)理單元和設(shè)備控制單元均采用模塊化設(shè)計，針對不同的應(yīng)用需求，可配置 不同的調(diào)理/控制功能模塊；UXI的抽插式模塊設(shè)計，不僅可方便的插入不同的模塊，還支 持各種組合的模塊混插方式，靈活的配置成多種信號輸入、多種通道數(shù)的測控系統(tǒng)。采用大規(guī)模FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)技術(shù)現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)是美國 Xilinx 公司 于1984年首先開發(fā)的一種通用型用戶可編程器件。FPGA既具有門陣列器件的高集成度和 通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I/O單元陣列構(gòu)成，一個FPGA 包含豐富的邏輯門、寄存器和I/O資源。一片F(xiàn)PGA芯片就可以實現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個標準 數(shù)字集成電路所實現(xiàn)的系統(tǒng)。FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可 以實現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計需求。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復(fù)雜系 統(tǒng)的設(shè)計。使用FPGA還可以實現(xiàn)動態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)(可以在系統(tǒng)運行的不同時刻， 按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關(guān)或時間相關(guān)的任務(wù))及硬件軟化、軟件 硬化等功能。由于FPGA既繼承了 ASIC(專用集成電路)大規(guī)模、高集成度和高可靠性的特點， 又克服了普通ASIC設(shè)計周期長、投資大、靈活性差的缺點，已經(jīng)逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電 路設(shè)計的理想首選。本實用新型中，完全由FPGA實現(xiàn)采集時序控制、DDR2高速數(shù)據(jù)存儲等基本功能， 減少PCB面積的同時，系統(tǒng)可靠性也大大提高。同時，由于FPGA的現(xiàn)場可編程特性，為今后 設(shè)備的功能改進與技術(shù)升級提供了可能。采用高速數(shù)據(jù)接口USB是英文Univer sal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是一 種大量應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。主要具有以下優(yōu)點支持熱插拔、攜帶方便、標準統(tǒng)一、 可連接多個設(shè)備等。USB2. 0在此基礎(chǔ)上，提高了設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速率，因此，被廣泛用于 需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中。本系統(tǒng)采用高速USB2.0接口作為集成測控硬件平臺與上位機的通信接口，在 BULK傳輸模式下，最高傳輸速度可達10MB/S，能高效的完成設(shè)備的控制與采集數(shù)據(jù)的讀取 等要求。同時，USB2.0的高速數(shù)據(jù)傳輸也可滿足32通道100K采樣率的實時傳輸要求?？?以說，正是高速USB2. 0接口的采用，使本系統(tǒng)具備了實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)處理的基本能力。DDR2高速海量存儲系統(tǒng)DDR2 (Double Data Rate 2) SDRAM是由JEDEC (電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會)進行開發(fā)的新生代內(nèi)存技術(shù)標準，它與上一代DDR內(nèi)存技術(shù)標準最大的不同就是，雖然同是采用 了在時鐘的上升/下降延同時進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞?，但DDR2內(nèi)存卻擁有兩倍于上一代 DDR內(nèi)存預(yù)讀取能力(即4b i t數(shù)據(jù)讀預(yù)取)。換句話說，DDR2內(nèi)存每個時鐘能夠以4倍 外部總線的速度讀/寫數(shù)據(jù)，并且能夠以內(nèi)部控制總線4倍的速度運行。目前有很多廠商 都開始大量生產(chǎn)DDR2內(nèi)存，使得DDR2在技術(shù)成熟的同時，具有更高的價格優(yōu)勢。 本系統(tǒng)采用大容量DDR2作為數(shù)據(jù)存儲器，可支持最大4GB的存儲深度，具備高速 海量存儲能力；在32通道100KSPS采樣率的測試條件下，可連續(xù)存儲。 智能同步接口，支持多臺設(shè)備并行擴展一臺UXI最大可支持32通道同步并行采集/控制，為了滿足多通道的應(yīng)用需求， 本設(shè)備設(shè)計了同步智能擴展接口，支持最大256通道并行擴展，保證各通道之間的采集與 控制完全同步。軟件自校準技術(shù)為了保證設(shè)備的測試精度，所以測試設(shè)備在出廠前都必須經(jīng)過嚴格的校準流程。 傳統(tǒng)的測試儀器中，校準過程一般都是通過專業(yè)校準人員對電路板上的電位器等可調(diào)元件 進行反復(fù)調(diào)整，最終達到設(shè)備的精度指標。這一過程花費時間較長，而且由于是人工參與， 存在較大的不可靠性。在本系統(tǒng)中，通過大量采用新型器件對傳統(tǒng)校準技術(shù)進行了改進，將 人工手動校準的過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊o需人員參與、校準過程由軟件自動控制、校準結(jié)果由軟件自 動判定的完全軟件自校準模式，從而實現(xiàn)了軟件自校準技術(shù)。采用該技術(shù)后，除了由軟件實 現(xiàn)設(shè)備的全部校準工作外，在測試過程中，可以隨時改變校準參數(shù)，保證設(shè)備在各種條件下 的數(shù)據(jù)一致性。虛擬儀器軟件設(shè)計傳統(tǒng)儀器只能由儀器的生產(chǎn)廠來定義制造，而用戶無法改變。傳統(tǒng)儀器基本上未 能擺脫獨立使用、手動操作、功能相對固定、使用具有局限性的模式。計算機技術(shù)的發(fā)展，給 傳統(tǒng)儀表技術(shù)注入了強大的活力，在微電子技術(shù)和LSIC技術(shù)推動下，有力地促進了數(shù)字化 儀器、智能儀器的快速發(fā)展。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用靈活強大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資 源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件，形成了既有普通儀器的基本功能、又有一般儀 器所不具備的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器本質(zhì)上是利用硬件強大的運算能力、圖形環(huán) 境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù) 分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對象 的各種功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入/輸出問題的方法和軟件賴 以生存、運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構(gòu)件，“軟件就是儀器”，任何使用者只 要通過調(diào)整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模，甚至儀器的性 質(zhì)。在本項目的軟件設(shè)計中，我們基于虛擬儀器設(shè)計思想，采用嵌入式虛擬儀器中間 件架構(gòu)并創(chuàng)建設(shè)備配置信息庫。通過這種設(shè)計模式，我們可以非常方便的針對用戶具體需 求來實現(xiàn)設(shè)備功能、屬性的重構(gòu)。另外，我們還通過嵌入式虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境來集成嵌 入式虛擬儀器開發(fā)所需的各種工具集以及各種資源庫，從而大大加快嵌入式虛擬儀器的開 發(fā)的效率。
6[0039]有意效果針對現(xiàn)場測控系統(tǒng)所面臨的系統(tǒng)組成復(fù)雜、各設(shè)備之間接口兼容性差、現(xiàn)場布線 工程巨大、設(shè)備之間連接不可靠、測試過程中智能化程度不高、系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性較差的 問題，本實用新型提出了 “UXI系列模塊化集成式測控系統(tǒng)”的設(shè)計方案。該系統(tǒng)將信號調(diào) 理、設(shè)備控制單元與數(shù)據(jù)采集單元集成在一個機箱中，形成一個完整、獨立的測控系統(tǒng)硬件 設(shè)備，只需要通過設(shè)備的USB接口，即可和上位機進行通信，與上位機運行的測控系統(tǒng)軟件 組成一套功能強大的專用測控系統(tǒng)。由UXI設(shè)備內(nèi)部的總線連接，代替了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中 多個設(shè)備之間的電纜連接，極大的減少了現(xiàn)場實施過程的布線工作，提高了整個測控系統(tǒng) 的穩(wěn)定性與可靠性。同時，信號調(diào)理和設(shè)備控制單元均采用模塊化設(shè)計，通過設(shè)備的前面板 抽插式設(shè)計，可以方便的更換不同的信號調(diào)理與設(shè)備控制單元模塊，實現(xiàn)多種應(yīng)用。這樣，在保留了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)靈活性的同時，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。 同時，由于采用了統(tǒng)一標準的信號調(diào)理和設(shè)備控制模塊，專用的測控軟件可以對這些模塊 進行自動識別。用戶在使用過程中，無需再像傳統(tǒng)方式那樣，對測控軟件進行諸如K系數(shù)、 工程標定等參數(shù)的手工設(shè)定，也不用對采集數(shù)據(jù)通過單位換算后再得到實測的物理量。取 而代之的是，軟件自動根據(jù)識別的信號調(diào)理模塊，自動加載對應(yīng)的工程標定設(shè)置，測試過程 完成后，自動將物理量顯示在波形窗口，用戶可直接讀出所測物理量，整個測量與控制過程 無需多余的人工干預(yù)，完全由系統(tǒng)自動完成，極大的簡化了整個操作過程。同時，軟件采用 虛擬儀器技術(shù)，可針對用戶具體需求來實現(xiàn)設(shè)備功能、屬性的重構(gòu)，在不改變硬件設(shè)備的情 況下，即可實現(xiàn)軟件即是儀器的構(gòu)想。采用系統(tǒng)集成技術(shù)解決測控系統(tǒng)的合理構(gòu)成正成為測控界普遍關(guān)注的話題。測控 系統(tǒng)的規(guī)模和功能各異，且存在各種模塊的集成以及在異構(gòu)和分布環(huán)境下設(shè)備互連、互操 作、數(shù)據(jù)傳輸和通信等諸多問題，測控一體化系統(tǒng)集成應(yīng)運而生。測控一體化是當今測控系 統(tǒng)的發(fā)展方向，它以計算機為核心，采用組件技術(shù)將標準總線、硬件模塊或儀器單元和相應(yīng) 的測控軟件等進行構(gòu)建，同時貫徹實施一系列系統(tǒng)集成標準體系，使之成為通用性和可移 植性強的測控系統(tǒng)。測控一體化要求實現(xiàn)測控系統(tǒng)的集成，其目標不僅包括測控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)集 成，還包括功能集成、信息集成和環(huán)境集成，同時還要符合相應(yīng)的系統(tǒng)集成標準。本項目正 是基于這一創(chuàng)新理論而成功研制的新一代測控系統(tǒng)，相信隨著其成功的推廣，會在整個測 控行業(yè)掀起一次技術(shù)革新潮。以上實施例是本實用新型較優(yōu)選具體實施方式
的一種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本技術(shù) 方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置，其特征在于，由信號調(diào)理模塊(1)、設(shè)備控制模 塊O)、電源模塊(3)、UXI總線G)、多路并行采集模塊(5)、控制模塊(6)、通信接口模塊 (7)、DDR2大容量存儲接口⑶、DDR2存儲器(9)、采集控制邏輯電路(10)和UXI背板(11) 構(gòu)成；UXI背板(11)內(nèi)有電源模塊(3)和UXI總線(4)；控制模塊(6)內(nèi)有通信接口模塊 (7)、DDR2大容量存儲接口(8)和采集控制邏輯電路(10)；信號調(diào)理模塊(1)和設(shè)備控制 模塊(2)分別連接到UXI背板(11)的UXI總線；為整個裝置供電的電源模塊(3)連接 到UXI總線(4)和控制模塊(6)；多路并行采集模塊(5)連接到UXI總線(4)；對采集時序 進行控制的采集控制邏輯電路(10)連接多路并行采集模塊(5) ；DDR2大容量存儲接口(8) 連接采集控制邏輯電路(10)和DDR2存儲器(9)；將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴衔粰C的通信接口模 塊(7)連接DDR2大容量存儲接口⑶。
專利摘要模塊化集成式動靜態(tài)信號測試裝置，涉及動靜態(tài)信號的現(xiàn)場測試、記錄、分析與設(shè)備的自動化控制儀器組成的測控裝置。UXI背板內(nèi)有電源模塊和UXI總線；控制模塊內(nèi)有通信接口模塊、DDR2大容量存儲接口和采集控制邏輯電路；信號調(diào)理模塊和設(shè)備控制模塊分別連接到UXI背板的UXI總線；為整個裝置供電的電源模塊連接到UXI總線和控制模塊；多路并行采集模塊連接到UXI總線；對采集時序進行控制的采集控制邏輯電路連接多路并行采集模塊；DDR2大容量存儲接口連接采集控制邏輯電路和DDR2存儲器；將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴衔粰C的通信接口模塊連接DDR2大容量存儲接口。本實用新型高度集成、結(jié)構(gòu)簡單，提高了系統(tǒng)的易操作性和可靠性。
文檔編號G05B19/418GK201845224SQ201020555608
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者葛承鑫, 趙潤茂 申請人:成都易研科技有限公司