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,。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

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　　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)百路高低速動態(tài)信號進(jìn)行連續(xù)長時間同步采集,、記錄,、實(shí)時處理，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,。DDS儀器(數(shù)字式動態(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,。

　　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，軟件也結(jié)合了現(xiàn)有多種較成熟儀器平臺的技術(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。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)近端有一個雙向的PCM編碼與USB的轉(zhuǎn)換接口,，利用這個轉(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

　　一個大型測試項(xiàng)目通常由多個測試科目組成,，每個科目又有多臺DDS儀器。在進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)處理時,，將可能有多個數(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,。

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　　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,。

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　　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),。

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　　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,，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)車車輛動力學(xué)分析模塊,，飛機(jī)強(qiáng)度分析模塊等實(shí)時處理模塊,。信號分析可自動連續(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,。

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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)