PXI總線技術(shù)的工程應(yīng)用分析.doc

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PXI總線技術(shù)的工程應(yīng)用分析 摘要：本文系統(tǒng)地介紹了PXI總線及其在工程中應(yīng)用的分析。為滿足軍隊導(dǎo)彈測試自動化、模塊化、通用化的要求，基于PXI總線，應(yīng)用模塊化測試儀器及虛擬儀器技術(shù)組建導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)。通過查閱相應(yīng)文獻(xiàn)資料，對導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)的技術(shù)組成和總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，介紹了軟硬件設(shè)計方法，及其通訊格式。 關(guān)鍵詞：PXI總線 導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng) 虛擬儀器 1 PXI總線技術(shù) 1.1 概述 PXI（PCI eXtensions for Instrument）是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展。它將Compact PCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而產(chǎn)生了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)[1]。制定PXI規(guī)范的目的是將通用PC的性能價格比優(yōu)勢應(yīng)用到模塊化儀器領(lǐng)域，形成一種高性價比的虛擬儀器測試平臺[2]。 1.2 規(guī)范體系結(jié)構(gòu) PXI總線規(guī)范涵蓋了三大方面的內(nèi)容：機械規(guī)范、電氣規(guī)范和軟件規(guī)范，如圖1-1所示。 PXI規(guī)范在CPCI機械規(guī)范中增加了環(huán)境測試和主動冷卻要求，以保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的集成性。PXI將Microsoft Windows NT和Microsoft Windows 95定義為其標(biāo)準(zhǔn)軟件框架，并要求所有儀器模塊都必須帶有按VISA規(guī)范編寫的WIN32設(shè)備驅(qū)動程序，使PXI成為一種系統(tǒng)級規(guī)范，保證系統(tǒng)易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低最終用戶的開發(fā)費用[3]。 圖1-1 PXI規(guī)范的體系結(jié)構(gòu) 1.2.1 機械規(guī)范 PXI系統(tǒng)的硬件由機箱（含電源）、背板和插入式模板組成。模板有兩種尺寸：3U（100mm160mm）和6U（233.35mm160mm）。3U模板上有兩個110對接點的IEC標(biāo)準(zhǔn)連接器J1和J2。J1上主要有32位PCI信號線，J2上有64位PCI信號線。此外，它們還包含有Compact PCI和PXI定義的各種信號線。6U模板上除了J1和J2外，還增加了J3、J4、J5連接器，留待將來PXI進(jìn)一步擴充用。 在PXI機箱內(nèi)至少有一個系統(tǒng)控制器模板插槽和一個外圍模板插槽，插槽間距為20.32mm，一個PXI總線段最多可連接7個外圍模板，若系統(tǒng)需要更多的外圍模板，則可通過PCI-PCI橋增加總線段[3]。 1.2.2 電氣規(guī)范 PXI總線的電氣性能如圖1-2所示。PXI通過增加專門的系統(tǒng)參考時鐘、觸發(fā)總線和模塊間的局部總線等，以滿足儀器高精度定時、同步與數(shù)據(jù)通信要求。PXI不僅在保持PCI總線所有優(yōu)點的前提下增加了這些儀器特性，而且可以比臺式PC多提供3個模塊插槽，使單個PXI機箱的儀器模塊插槽總數(shù)達(dá)到7個。 圖1-2 PXI總線的電氣性能 2 一種基于PXI總線的通用測試分析系統(tǒng) 2.1 通用測試分析系統(tǒng)原理 如圖2-1所示，是一個通用測試分析系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)由傳感器、PXI機箱、PC工作站組成。PC工作站與PXI機箱之間用MXI3或IEEE1394總線連接。傳感器獲得的微弱信號經(jīng)信號調(diào)理模板送入PXI機箱內(nèi)[3]。 圖2-1 通用測試分析系統(tǒng)原理框圖 測試系統(tǒng)的軟件采用了虛擬儀器軟件開發(fā)語言LabVIEW和LabWindows/CVI。軟件主要完成PXI總線儀器模塊的驅(qū)動、軟面板、資源管理、數(shù)字信號和模擬信號波形的編輯、響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理、顯示和通信等。LabVIEW和LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發(fā)平臺具有編程簡單、儀器驅(qū)動庫豐富、易于擴展等特點。同時，還結(jié)合通用的軟件開發(fā)工具Visual C++或Visual Basic進(jìn)行數(shù)字模塊時序生成和編譯程序的開發(fā)，以便給用戶較為直觀、方便的時序生成工具，簡化測試系統(tǒng)操作的復(fù)雜性[2]。 2.2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示?？煞譃槿糠郑簯?yīng)用軟件開發(fā)平臺及系統(tǒng)控制器（ADE）、自動測試設(shè)備（ATE）、被測信號調(diào)理部分（SCXI）。作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺，采用PC個人計算機，為測試軟件提供開發(fā)和運行環(huán)境，操作系統(tǒng)選用Windows。PC機通過MXI連接到PXI機箱上，作為PXI總線模塊的控制器，控制全系統(tǒng)的工作。 圖2-2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 ATE部分主要完成測試過程中被測信號的輸入和測量。在硬件上由PXI機箱、數(shù)字信號模塊、模擬信號模塊、各種測試儀表模塊和程控臺式儀器模塊組成，經(jīng)過MXI總線或IEEE1394總線擴展，還可以與GPIB儀器、其他PXI系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)相連。一臺PXI1000B機箱有3個控制擴展槽，分別可以擴展GPIB系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)。另外，機箱還有7個PXI儀器模塊擴展槽，可以安裝不同的PXI儀器模塊和Compact PCI儀器模塊用以完成不同的測試工作，機箱后面板的DB9接口還可以和RS-232進(jìn)行通信。硬件系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，提供測試所需要的各種硬件設(shè)備。本系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，兼容目前的PXI總線儀器和臺式儀器，并可隨時擴展GPIB系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)和VXI系統(tǒng)，但隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，測試成本和控制難度也相應(yīng)增加。本系統(tǒng)采用多機箱擴展總線MXI3來連接多個PXI機箱，最多可以連接254個底板，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Mbit/s，銅纜最大長度可達(dá)10m，光纜則可達(dá)200m。也可以采用IEEE1394總線，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)400Mbit/s，最大距離可達(dá)72m。本系統(tǒng)還具有GPIB接口，一方面是為了兼容已有的投資，另一方面，由于PXI總線問世時間不長，產(chǎn)品種類沒有臺式儀器豐富，一些大功率、特高頻的PXI總線儀器較少，因此還需要具有GPIB接口的臺式儀表[1][3]。 該系統(tǒng)的特點是： （1）開放性。兼容目前的PXI總線儀器和臺式儀器； （2）擴展性。可以隨意擴展PXI總線儀器和臺式儀器，組建用戶所需的測試系統(tǒng)，系統(tǒng)容量大； （3）儀器選擇范圍大?？梢允荘XI總線儀器或臺式儀器，針對不同的測試對象，用戶都能選擇到合適的儀器來組建所需的測試系統(tǒng)； （4）通用性。針對不同的信號，可以選擇不同的模塊，完成不同的測試任務(wù)。 2.3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個部分：硬件管理/設(shè)置、硬件驅(qū)動器、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)分析處理等，系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。 圖2-3 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖 硬件驅(qū)動器部分是采用LabWindows/CVI編程完成。若用戶購買的是NI產(chǎn)品，廠家會提供給用戶更加專業(yè)的硬件驅(qū)動程序。 資源管理器在系統(tǒng)初始化時必須運行。在LabVIEW5.1以上版本中，具有Measurement&Automation Explorer軟件，它其實就是一個資源管理器軟件。通過它可以查找或識別系統(tǒng)中所有的PXI模塊、VXI模塊和GPIB儀器等，實現(xiàn)對PXI模塊的交互控制，確定PXI模塊的類型，自動分配動態(tài)模塊的邏輯地址，分配地址空間和中斷信號等。 外部時鐘/觸發(fā)主要是針對測試要求很高的信號使用的，如對定時、觸發(fā)和同步要求很高的動態(tài)信號測試，可以通過外部時鐘/觸發(fā)來滿足測試的要求。 數(shù)據(jù)分析處理是將采集到的數(shù)據(jù)和測量結(jié)果由PXI模塊或臺式儀表傳送到主控計算機上，根據(jù)測試要求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?？衫肔abVIEW和LabWindows/CVI強大的數(shù)據(jù)表達(dá)能力，將測試數(shù)據(jù)用簡潔明了的方式顯示出來，并可將數(shù)據(jù)結(jié)果保存起來[1]。 3 實際應(yīng)用——基于PXI總線的導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng) 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)是導(dǎo)彈成功發(fā)射，并最終準(zhǔn)確命中目標(biāo)的核心部分，它的正常工作決定了導(dǎo)彈的整體性能。因此對控制系統(tǒng)的測試的精度和可靠性將關(guān)系到導(dǎo)彈的整體性能。 多種高新技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代導(dǎo)彈中，使得導(dǎo)彈內(nèi)部設(shè)備日益復(fù)雜，待測信號種類繁多，測試量增大，而且導(dǎo)彈測試時間緊迫、環(huán)境復(fù)雜多變等諸多因素對導(dǎo)彈測試系統(tǒng)提出了更高要求，不僅要求導(dǎo)彈測試自動化、快速化，而且要求測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊堅固，抗干擾能力強，具備在復(fù)雜環(huán)境下工作的能力[4]。 基于PXI總線技術(shù)設(shè)計的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)測試與模擬操作系統(tǒng)，利用虛擬儀器技術(shù)，測試系統(tǒng)可以通過修改軟件的方法，方便地改變其功能與規(guī)模，而且還可借助于先進(jìn)的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組建一套網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的共享。 3.1 導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 自動測試系統(tǒng)由適配箱、主控箱、外設(shè)（顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、打印機、電視盒等）及連接電纜組成，總體結(jié)構(gòu)及各部分關(guān)系如圖3-1所示。其中，主控箱用來完成裝備測試時的模擬信號輸出、脈沖方波信號發(fā)生、標(biāo)準(zhǔn)信號的A/D采集、標(biāo)準(zhǔn)信號的濾波限幅、多路信號的萬用表測量、信號線路的通斷控制、適配箱電源控制以及信號的處理、存儲、波形顯示、數(shù)據(jù)庫管理、測試數(shù)據(jù)表格打印、故障定位、相應(yīng)的幫助等工作。適配箱用來對來自武器裝備的各種測試信號進(jìn)行調(diào)理與整形，產(chǎn)生裝備測試時所需要的各種激勵條件，控制武器裝備的饋電，控制直流電源與接插指示燈的點亮，完成武器裝備與接插電纜的識別等。適配箱是測試時武器裝備與主控箱之間的紐帶，所有測試信號都是經(jīng)過適配箱送往主控箱內(nèi)處理，而主控箱內(nèi)的激勵與控制信號也是通過適配箱與武器裝備連接的。不同的武器裝備檢測時，復(fù)用連接電纜接向適配箱上相應(yīng)的連接插座。 圖3-1 導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) PXI是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴展，是一種開放性模塊化儀器總線規(guī)范，其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。本測試系統(tǒng)中，PXI控制器模塊作為整個測試系統(tǒng)的主控計算機，運行測試軟件，控制測試過程，并與其他外設(shè)相連接；通用SPDT繼電器開關(guān)模塊用來控制較大電流、電大電壓信號的通斷，配合裝備的測試操作；多路復(fù)用DPDT繼電器開關(guān)模塊和數(shù)字萬用表（DMM）模塊聯(lián)合使用，完成多路阻值信號、直流電壓值、交流有效值和頻率值信號的測量；多功能數(shù)據(jù)采集模塊用來輸出兩路模擬信號作為裝備激勵，完成多路模擬信號與裝本測試工作相配合。在測試系統(tǒng)的適配箱內(nèi)設(shè)計了相應(yīng)的導(dǎo)彈裝備適配電路，不同導(dǎo)彈裝備分時共用主控箱內(nèi)PXI總線模塊與外設(shè)資源[5]。 3.2 導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 3.2.1 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 測試系統(tǒng)采用虛擬儀器的設(shè)計思想設(shè)計各型號導(dǎo)彈裝備的測試軟件。在虛擬測試系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個測試系統(tǒng)的關(guān)鍵。顯示器取代了傳統(tǒng)檢測設(shè)備的面板，使用者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減系統(tǒng)的功能與規(guī)模。 基于虛擬儀器技術(shù)的導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，主要包括： （1） I/O接口驅(qū)動，直接驅(qū)動調(diào)理、采集、激勵等硬件部分，通過PXI標(biāo)準(zhǔn)總線將系統(tǒng)各部分連接起來，形成一個協(xié)調(diào)一致的完善測試系統(tǒng)； （2） 儀器驅(qū)動軟件，由PXI模塊廠家提供的或者用戶自己編制的儀器驅(qū)動庫，完成PXI模塊在Windows操作系統(tǒng)的驅(qū)動和連接； （3） 虛擬儀器，用戶在顯示器上設(shè)計的虛擬儀器面板，用于滿足各種應(yīng)用測試的需要； （4） 測試管理，用戶開發(fā)的應(yīng)用測試程序，包括信號采集、分析、處理、波形顯示、數(shù)據(jù)通信與存儲、數(shù)據(jù)庫管理、測試報告生成、管理與打印等[5]。 圖3-2 虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 3.2.2 測試軟件的功能與結(jié)構(gòu) 測試系統(tǒng)軟件具有以下功能： （1） 系統(tǒng)自檢功能。系統(tǒng)加電開機后，可通過選擇該功能對系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確定各模塊是否正常工作； （2） 導(dǎo)彈測試功能。完成導(dǎo)彈上各部件單元測試和綜合測試，是測試系統(tǒng)的主要功能； （3） 地面發(fā)射裝置測試功能。對發(fā)射裝置進(jìn)行測試； （4） 文件處理功能。對數(shù)據(jù)文件和測試圖形文件進(jìn)行保存、回放和打印等； （5） 資源管理功能。用于調(diào)試和管理各儀器模塊； （6） 幫助功能。提供測試系統(tǒng)功能和操作使用說明，用于操作人員學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。 如圖3-3所示，該測試軟件克服了傳統(tǒng)測試軟件的許多缺點，設(shè)計中采用了自動測試系統(tǒng)通用軟件框架，確保了測試系統(tǒng)軟件的通用性、擴充性、互換性、獨立性和可維護(hù)性。主調(diào)程序完成數(shù)據(jù)庫操作、相應(yīng)儀器驅(qū)動程序的調(diào)用、系統(tǒng)功能操作及各種測試界面調(diào)度。所有的測試參數(shù)、程控指令、測試結(jié)果和結(jié)果處理都填寫在測試數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，主程序依次讀取數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)記錄，分析不同字段，執(zhí)行相應(yīng)操作，完成測試任務(wù)。測試程序通過ODBC（Open Data Base Connective）技術(shù)實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接。當(dāng)測試流程中的任一環(huán)節(jié)需要進(jìn)行擴充或更改時，只需添加或修改數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)內(nèi)容[6]。 圖3-3 導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 3.2.3 導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)的通訊格式 系統(tǒng)采用串行通訊。AFT07A/B控制箱與測角儀均采用8098單片機作控制系統(tǒng)核心器件，其約定工作頻率f=12MHz，它們之間的串行通訊波特率協(xié)議為93.75kHz，方式2傳送。模擬測角偏差時，為保證協(xié)議匹配，在適配箱內(nèi)單獨采用8098來產(chǎn)生俯仰及方位角度串碼，以解決串行通訊速率匹配的問題。 導(dǎo)彈各路點火信號及多路程序信號的測試，都需要精確定時，輸入輸出保持實時同步關(guān)系。為此，利用NI公司的RTSI（Real Time System Integration）總線技術(shù)，在硬件上實時時鐘觸發(fā)，滿足精確定時、實時測試的要求。NI數(shù)據(jù)采集模塊中嵌入了RTSI總線，將RTSI總線信號路由到其他觸發(fā)信號線上作為觸發(fā)時鐘，實現(xiàn)一路信號驅(qū)動多個設(shè)備，達(dá)到同步的目的，完成多路信號同時輸出、同時采集，實現(xiàn)同步操作和精確時間測量[5]。 4 總結(jié) PXI與VXI總線相比，PXI不但繼承了VXI的可靠性、穩(wěn)定性和測量精度高等優(yōu)點，而且在數(shù)據(jù)寬度、數(shù)據(jù)速率與CPCI的兼容性和價格上都占有較大優(yōu)勢，具有速度更快、結(jié)構(gòu)堅固緊湊、系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的特點。由于PXI有著極高的性價比，國內(nèi)外儀器生產(chǎn)廠商都在大力推廣PXI產(chǎn)品，我國軍方已將PXI與VXI同列為武器裝備的兩大測控平臺。PXI模塊產(chǎn)品被廣泛用于數(shù)據(jù)采集工業(yè)自動化、軍事測試、航空航天、核工業(yè)、科學(xué)實驗等領(lǐng)域[1]。 基于PXI總線技術(shù)的導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)可滿足裝備一級檢測和二級檢測的技術(shù)要求，能適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境。該系統(tǒng)體積小，易于攜帶和運輸；價格相對低廉；數(shù)據(jù)傳輸速度快；易于重組和功能擴展，通用性能較好；測試軟件運行效率高。系統(tǒng)充分利用并展示了PXI總線平臺及虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈測試系統(tǒng)自動化、模塊化和快速化的目標(biāo)。PXI總線必將作為主流測試平臺廣泛應(yīng)用于未來武器裝備的測試，對軍隊武器裝備現(xiàn)代化建設(shè)有重大意義[5][6]。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 孔德仁，何云峰，狄長安. 儀表總線技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.8. 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