中電科思儀科技股份有限公司 劉明軍 唐建立 夏 磊

本文主要闡述了中電科思儀科技股份有限公司研制的多通道AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)。該模塊是一個(gè)多功能、32通道、單槽的AXIe模塊，每個(gè)通道集成了6個(gè)獨(dú)立的功能儀表，包括函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、數(shù)字化儀、數(shù)字萬(wàn)用表、限值檢測(cè)器以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。與傳統(tǒng)模擬信號(hào)測(cè)試儀表相比，該模塊的突出優(yōu)點(diǎn)在于它的高集成度、并行測(cè)試，單個(gè)AXIe模塊就能提供192個(gè)通用模擬儀表的功能，可廣泛應(yīng)用于模擬電路板、數(shù)?；旌想娐钒骞收显\斷自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的集成。

目前，國(guó)內(nèi)在模擬電路測(cè)試方面的主要手段還是通過(guò)集成現(xiàn)有的各種臺(tái)式儀器或者專用的功能單一的模塊儀器，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以選用高精度的測(cè)試儀器，缺點(diǎn)在于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)需要配置數(shù)量眾多的模擬測(cè)試儀表，體積龐大，測(cè)試成本高。如果我們適當(dāng)降低模擬測(cè)試儀表的精度，使其覆蓋大多數(shù)常用的測(cè)試，那么我們就可以利用目前先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和總線技術(shù)為用戶提供一套高集成度的模擬測(cè)試儀表，降低用戶系統(tǒng)集成的成本，提高測(cè)試系統(tǒng)的靈活性。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多通道AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊是一個(gè)多功能、32通道、單槽的AXIe模塊，每個(gè)通道集成了6個(gè)獨(dú)立的功能儀表，包括函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、數(shù)字化儀、數(shù)字萬(wàn)用表、限值檢測(cè)器以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。一個(gè)模塊共集成了192個(gè)功能儀表，能同時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行多功能的并行測(cè)試，這就能在很大程度上滿足模擬電路對(duì)功能測(cè)試方面的高要求。

1 多通道AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的硬件設(shè)計(jì)

AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊是一個(gè)多功能、32通道、單槽的AXIe綜合性測(cè)試儀器，它主要由信源儀表和測(cè)試儀表兩大類儀表組成，能夠同時(shí)在每個(gè)通道上為待測(cè)模擬電路提供激勵(lì)或者檢測(cè)從模擬電路上采集到的響應(yīng)。AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊體系結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 VXI模擬電路測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)物圖

由圖1可以看出，AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊由9個(gè)功能單元組成，分別是：電源變換/穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、中央電壓表單元、AXIe接口單元、波形存儲(chǔ)器單元、中斷系統(tǒng)單元、AXIe觸發(fā)單元、通道系統(tǒng)單元、開關(guān)單元。電源變換/穩(wěn)壓?jiǎn)卧瓿葾XIe標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓到通道儀表所需電壓的轉(zhuǎn)換。中央電壓表單元實(shí)現(xiàn)中央電壓表功能，能對(duì)所有通道的電壓進(jìn)行測(cè)試，精度比通道儀表中的數(shù)字多用表要高。AXIe接口單元、中斷系統(tǒng)單元和AXIe觸發(fā)單元實(shí)現(xiàn)模塊與AXIe的通訊。波形存儲(chǔ)器單元實(shí)現(xiàn)任意波和數(shù)字化儀的波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。開關(guān)矩陣完成輸入和輸出信號(hào)與通道儀表連接的功能。

1.1 通道儀表單元的設(shè)計(jì)

通道儀表單元是整個(gè)模塊的核心，每個(gè)通道由六種功能儀表組成，這六種儀表分為兩類，一類是信源儀表，另一類是測(cè)量?jī)x表。一個(gè)VXI模擬電路測(cè)試模塊共集成了192個(gè)儀表，并且通道間儀表相互獨(dú)立。單通道信源儀表和測(cè)量?jī)x表的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 單通道信源儀表和測(cè)量?jī)x表的結(jié)構(gòu)框圖

信源儀表包括函數(shù)發(fā)生器（Function Generator）和任意波發(fā)生器（Arb）。信源儀表為檢修、調(diào)試模擬電路時(shí)提供激勵(lì)信號(hào)。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的函數(shù)發(fā)生器能為UUT提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)波形，包括正弦波、方波、三角波和直流信號(hào)，而任意波形發(fā)生器能為待測(cè)模擬電路提供復(fù)雜的任意波形。

測(cè)量?jī)x表包括數(shù)字化儀（Digitizer）、數(shù)字多用表（DMM）、限值檢測(cè)器（Limit Detector）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter）等四種儀表。四種儀表共享同一個(gè)輸入通路和同一個(gè)信號(hào)采集功能單元。輸入通道實(shí)現(xiàn)量程選擇和測(cè)量模式選擇。輸入信號(hào)經(jīng)量程選擇以及放大、衰減處理后，送入信號(hào)采集功能單元；信號(hào)采集功能單元主要由比較器和A/D構(gòu)成。四種儀表中的數(shù)字多用表（DMM）是利用A/D直接得到測(cè)量數(shù)據(jù)，而限值檢測(cè)器和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器利用比較器將輸入信號(hào)處理后，將輸出信號(hào)送入FPGA，由FPGA來(lái)分析處理得到最終測(cè)量值。四種儀表中只有數(shù)字化儀可以采用兩種采樣方式中的任意一種，其余三種儀表只能固定用一種采樣方式。

1.2 開關(guān)單元的設(shè)計(jì)

開關(guān)單元是AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的重要組成部分，它完成輸入/輸出信號(hào)與通道儀表之間的連接。開關(guān)單元采用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)通道需要兩個(gè)繼電器，32個(gè)通道共需要64個(gè)繼電器。兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道的四種工作方式，它們分別是測(cè)量、源&測(cè)量、隔離、矩陣。繼電器連接方式如圖3所示。

圖3 通道繼電器連接圖

由圖3中可以看出，兩組繼電器有四個(gè)輸出腳連接在一起，另外四個(gè)輸出腳分別對(duì)應(yīng)“源”、“測(cè)量”、“I/O”和“矩陣”四種輸入/輸出端口，通過(guò)對(duì)繼電器的開關(guān)進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)四種輸入/輸出端口的互連互通。

1.3 高密度、多功能儀器小型化設(shè)計(jì)

AXIe模擬并行測(cè)試模塊在320mm×280mm大小的印制板上實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道非常困難，因此每個(gè)通道以至整個(gè)模塊都需要具有極高的集成度。本文設(shè)計(jì)中，選用ALTERA公司的超大規(guī)模FPGA，以保證關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際設(shè)計(jì)中共使用了5片，成功地節(jié)約了近10%的空間。在通道儀表設(shè)計(jì)方面，本文借助軟件無(wú)線電的思想，設(shè)計(jì)具有開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的硬件平臺(tái)，為高集成度、小型化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。通道儀表硬件電路分為基于A/D器件的采集單元和基于D/A器件的激勵(lì)單元，6種功能儀表相應(yīng)的分為測(cè)量類儀表和激勵(lì)源類儀表兩大類。對(duì)測(cè)量類儀表來(lái)說(shuō)，其輸入通道以及采樣器件是共享的，不同的測(cè)量?jī)x表利用相同的硬件資源得到采樣的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的儀表功能來(lái)調(diào)用不同的處理軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到測(cè)量結(jié)果；對(duì)激勵(lì)源類儀表來(lái)說(shuō)，其輸出通道以及激勵(lì)器件也是共享的，不同的激勵(lì)源儀表通過(guò)調(diào)用不同的處理軟件產(chǎn)生激勵(lì)數(shù)據(jù)，激勵(lì)數(shù)據(jù)傳送到激勵(lì)器件并經(jīng)輸出通道，最終輸出相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)。這樣的設(shè)計(jì)能最大程度地減小冗余，從而有效地減小每個(gè)通道占用的空間。

1.4 多通道儀器同步控制設(shè)計(jì)

本文通道儀表中任意波形發(fā)生器和數(shù)字化儀是模擬電路板故障診斷和模擬信號(hào)測(cè)試必備的儀表，對(duì)AXIe總線模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊來(lái)說(shuō)，它們?cè)谕ǖ纼x表中的地位非常重要，其關(guān)鍵之處是如何在32個(gè)通道中同時(shí)實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器或數(shù)字化儀的功能，以及如何對(duì)RAM中波形數(shù)據(jù)讀寫的固定速度與通道輸入輸出波形可變速度之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，本文提出一種多通道儀器同步控制技術(shù)來(lái)解決此問題。

由于目前的技術(shù)水平以及工藝水平的限制，作為數(shù)據(jù)傳輸控制的大規(guī)模FPGA的引腳數(shù)量不可能滿足32個(gè)通道的要求，即讓每個(gè)通道D/A的數(shù)據(jù)線以及存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的RAM的數(shù)據(jù)線都與FPGA連接，并且彼此間獨(dú)立，且能并行的同步工作，這樣一來(lái)，要使32個(gè)通道的任意波形發(fā)生器或數(shù)字化儀能同時(shí)工作，則必須設(shè)立中央控制單元來(lái)控制32個(gè)通道的數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目利用地址選擇、分時(shí)處理、FIFO緩沖的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于引入分時(shí)處理，則中央控制單元的工作時(shí)鐘要至少為通道任意波或數(shù)字化儀最高采樣率的32倍，通道的最高采樣率為2MSa/s，則中央控制單元的時(shí)鐘至少要為64MHz。因此，該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)波形的RAM時(shí)序邏輯控制與通道儀表時(shí)序邏輯控制之間的協(xié)調(diào)一致。本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)采用單片1Gbit高速大容量DDR SDRAM，共四片；DDR SDRAM讀寫主控時(shí)鐘設(shè)計(jì)為100MHz，并在中央控制FPGA中實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器和數(shù)字化儀所需的全部控制信號(hào)；波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DDR SDRAM中，由中央控制FPGA協(xié)調(diào)控制DDR SDRAM輸入輸出數(shù)據(jù)，并利用FIFO緩沖方法來(lái)實(shí)現(xiàn)RAM中波形數(shù)據(jù)讀寫的固定速度與通道輸入輸出波形可變速度之間的協(xié)調(diào)控制；最后由通道控制FPGA依據(jù)中央控制FPGA發(fā)出的控制信號(hào)控制通道D/A和A/D，最終實(shí)現(xiàn)32通道任意波形發(fā)生器和數(shù)字化儀的同步控制技術(shù)。任意波形發(fā)生器多通道同步控制仿真波形時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 多通道儀器同步控制仿真波形時(shí)序圖

如圖4所示，DDR SDRAM中的任意波數(shù)據(jù)是在rdclk的時(shí)鐘控制下被通道讀出的，即每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘上升沿讀出一個(gè)數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)中32個(gè)通道采用4片通道FPGA進(jìn)行控制，每片通道FPGA控制8個(gè)通道，因此需要對(duì)4片通道FPGA產(chǎn)生4個(gè)片選控制信號(hào)，即圖中所示fpga1arbcs、fpga2arbcs、fpga3arbcs、fpga4arbcs；通道FPGA中針對(duì)每一個(gè)片選信號(hào)還要產(chǎn)生對(duì)應(yīng)8個(gè)通道的片選控制信號(hào)，有了這些片選信號(hào)就可以控制每個(gè)通道分時(shí)讀取DDR SDRAM中正確位置的任意波數(shù)據(jù)。

2 多通道AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的軟件設(shè)計(jì)

AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的軟件主要由軟面板和驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊內(nèi)部沒有CPU，模塊必須通過(guò)軟面板和驅(qū)動(dòng)程序的控制才能工作。驅(qū)動(dòng)程序符合IVI規(guī)范，并且為主流的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境（ADE）提供編程接口。用戶通過(guò)軟面板的單一界面就可以完成對(duì)6種模擬儀表的設(shè)置和控制，軟面板提供圖形化的用戶界面，方便用戶進(jìn)行儀表的控制。

AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊驅(qū)動(dòng)程序由多個(gè)控制具體儀器的軟件模塊組成，這些軟件模塊通過(guò)與驅(qū)動(dòng)程序之外的其他軟件協(xié)同工作來(lái)完成測(cè)試任務(wù)，這既包含驅(qū)動(dòng)程序與儀器之間的通信接口，又包含與面向儀器使用者的應(yīng)用程序軟面板的接口。

AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的軟面板提供圖形化的用戶界面，方便用戶進(jìn)行儀表的控制，比如設(shè)計(jì)過(guò)程中，為數(shù)字化儀提供類似數(shù)字示波器的用戶界面。通過(guò)軟面板，用戶可以方便地操作AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊的各個(gè)儀表，輸出預(yù)期的信號(hào)或者顯示測(cè)量結(jié)果。另外，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，用戶可以快速地開發(fā)模擬測(cè)試程序。在設(shè)計(jì)中該模塊能為每一種模擬儀表都提供一個(gè)滿足VPP規(guī)范的驅(qū)動(dòng)程序，方便用戶進(jìn)行模擬電路板或數(shù)?；旌想娐钒骞收显\斷自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的集成。軟面板的主界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 軟面板主界面示意圖

主界面運(yùn)行后，通過(guò)點(diǎn)擊測(cè)量?jī)x表欄中的儀表按鈕來(lái)調(diào)用各儀表的控制面板。對(duì)每一種類型儀表，所有對(duì)該儀表的設(shè)置和顯示都可以在該儀表的控制面板中完成。

結(jié)論：多通道AXIe模擬信號(hào)并行測(cè)試模塊采用了通用、開放、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，在硬件系統(tǒng)方面遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際規(guī)范，模塊具有體積小、移動(dòng)性好的特點(diǎn)，是標(biāo)準(zhǔn)的AXIe模塊。在軟件系統(tǒng)方面提供了符合IVI規(guī)范的驅(qū)動(dòng)程序，以插件形式不斷增強(qiáng)功能以及具有完善的二次開發(fā)接口等諸多優(yōu)秀特性。本文的研究成果主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于模擬電路測(cè)試儀表多通道、多功能、高集成度、并行測(cè)試等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。