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(tái)。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(jiǎn)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(duì)多科目、多位置的數(shù)百路高低速動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間同步采集、記錄、實(shí)時(shí)處理，并且要求測(cè)試數(shù)據(jù)網(wǎng)上綜合。早期的獨(dú)立測(cè)試儀器已逐漸不能滿足日益膨脹的需求，世界各國(guó)都在尋求高效、方便的綜合測(cè)試平臺(tái)。DDS儀器(數(shù)字式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀器)正是為了滿足現(xiàn)代大型工程測(cè)試的需要，綜合在遙控遙測(cè)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(cè)控儀器平臺(tái)。

　　虛擬儀器是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)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(duì)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(tái)上，靈活地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的測(cè)量和控制能力。USB連接方式簡(jiǎn)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(hào)至主機(jī)。特別是USB支持即插即用(PnP)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)地對(duì)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(tái)便有了競(jìng)爭(zhēng)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(shí)，軟件也結(jié)合了現(xiàn)有多種較成熟儀器平臺(tái)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(cè)試平臺(tái)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(tái)。直升機(jī)測(cè)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(lái)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(cè)試測(cè)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(shí)測(cè)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(shì)。

　　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(gè)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(cè)試單元，組成現(xiàn)場(chǎng)所需的測(cè)試儀器。

　　與傳統(tǒng)的安裝在臺(tái)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(tái)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(huì)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(huì)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(gè)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(duì)于測(cè)量上千千瓦交流電機(jī)振動(dòng)的微伏級(jí)輸入信號(hào)，也能得到干凈、精密的信號(hào)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(shì)互補(bǔ)，就能產(chǎn)生一種簡(jiǎn)單、高速、抗干擾力強(qiáng)并適用于無(wú)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(chǎng)測(cè)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(gè)雙向的PCM編碼與USB的轉(zhuǎn)換接口，利用這個(gè)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(gè)大型測(cè)試項(xiàng)目通常由多個(gè)測(cè)試科目組成，每個(gè)科目又有多臺(tái)DDS儀器。在進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將可能有多個(gè)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(hào)數(shù)據(jù)流。以太網(wǎng)正是為測(cè)試信號(hào)的數(shù)據(jù)綜合提供了最方便的方法。

2 數(shù)字式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)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(dòng)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(chǎng)需要，可隨時(shí)將模塊插入DDS儀器機(jī)箱內(nèi)組合成所要求的測(cè)控系統(tǒng)。圖2是一個(gè)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(gè)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(hào)輸入，3路脈沖信號(hào)輸入。模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理單元放大處理后送到A/D轉(zhuǎn)換單元，且每個(gè)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(hào)的串并轉(zhuǎn)換、譯碼和分路輸出等功能。與之相應(yīng)，信號(hào)發(fā)送端的可編程器件實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)重新組合、PCM編碼、并/串轉(zhuǎn)換，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。無(wú)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(hào)，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(shí)鐘、幀同步信號(hào)和串行NRZ碼流，將串行信號(hào)分路，輸出寬度為16位的并行信號(hào)。數(shù)據(jù)重排模塊接收來(lái)自三個(gè)分路模塊的并行信號(hào)，將它們按一定的規(guī)律送入緩存并發(fā)出中斷申請(qǐng)。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(huì)，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(dòng)程序，儀器操作、信號(hào)記錄軟件和DataScop信號(hào)分析軟件組成。

　　DDS儀器操作、信號(hào)記錄軟件采用最直觀、簡(jiǎn)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(hào)實(shí)時(shí)頻譜分析及顯示，信號(hào)多重檢索，電視攝像同步，調(diào)理單元自動(dòng)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(hào)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葟?qiáng)大功能。

　　DataScop信號(hào)分析軟件通過TCP/IP協(xié)議，從DDS儀器軟件獲取實(shí)時(shí)或回放數(shù)據(jù)，可完成數(shù)據(jù)標(biāo)定，測(cè)試零線確定，提供常用時(shí)域分析、頻域分析、統(tǒng)計(jì)分析、信號(hào)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(dòng)力學(xué)分析模塊，飛機(jī)強(qiáng)度分析模塊等實(shí)時(shí)處理模塊。信號(hào)分析可自動(dòng)連續(xù)處理。

4 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論

　　直升機(jī)飛行測(cè)量系統(tǒng)是根據(jù)用戶需求研制的動(dòng)態(tài)信號(hào)綜合測(cè)試系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，來(lái)自尾槳、主槳、機(jī)艙的共約100多路信號(hào)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(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(cè)試的需要，極大地提高了測(cè)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(cè)商標(biāo)