基于USB、PCM編碼和以太網(wǎng)三層通訊的虛擬儀器平臺

摘要：介紹了一種基于USB、PCM編碼和以太網(wǎng)三層通訊的虛擬儀器——DDS TM儀器平臺。分析了三層通訊的各自特點和相互關(guān)系，重點介紹了DDS TM儀器的組成，然后從虛擬儀器的角度簡要介紹系統(tǒng)軟件，最后給出實例。

關(guān)鍵詞：USB PCM編碼 以太網(wǎng) DDS儀器 虛擬儀器

在現(xiàn)代航空航天、高速列車等大型工程試驗中，往往要求對多科目、多位置的數(shù)百路高低速動態(tài)信號進行連接長時間同步采集、記錄、實時處理，并且要求測試數(shù)據(jù)網(wǎng)上綜合。早期的獨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)代大型工程測試需要，綜合在遙控測中成熟的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)注的熱點話題，其技術(shù)發(fā)展非常迅速。它通過用傳統(tǒng)儀器的部分功能甚至全部功能的軟件化，在通用的計算機平臺上，靈活地實現(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)置于計算機機箱中使用，也可以單獨構(gòu)成儀器，置于計算機外工作，通過USB電纜傳輸信號至主機。特別是USB 支持即插即用(PnP)，系統(tǒng)能夠自動地對USB設備進行配置。由此，建立在USB基礎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，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。直升機測試的實例將展現(xiàn)該系統(tǒng)的應用。

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。除了作為標準外設接口應用之外，它也正在成為多種新型應用的通用連接標準，包括數(shù)據(jù)采集、測試測量等。由于USB1.1支持12 Mbps(高速)和1.5Mbps(低速)兩種速度，因此能滿足大部分工業(yè)實時測試的要求。而且，由于USB自身的特點，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)具有可擴展性。通過使用Hub擴展，可駁接多達127個外投。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)的安裝在臺式機機箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板卡相比，

USB接口不僅可以方便地應用于臺式計算機，而且更廣泛地應用于便攜式計算機，有利于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)小型化、便攜化，而且再也不會受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷等資源的限制。

另外，安裝在機箱內(nèi)的板卡往往會受到機箱內(nèi)數(shù)據(jù)噪聲環(huán)境的干擾。與之相反，DDS TM儀器是一個獨立的模擬電路環(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，DDS儀器采用USB通信協(xié)議與數(shù)據(jù)采集計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在桌面的匯總。隨著USB2.0的推出，USB的速率將達到480Mbps。我們相們，DDS儀器的應用前景鈄更為令人矚目。

1.2 PCM編碼的通信

USB是優(yōu)秀的桌面接口技術(shù)，當它與PCM編碼通信相結(jié)合，優(yōu)勢互補，就能產(chǎn)生一種簡單、高速、抗干擾力強并適用于無線、同軸、光纖等多種介質(zhì)的遠距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其基本思想是在現(xiàn)場測試點，將傳感器采集的模擬量數(shù)字化后進行 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機進行分析。而主機向設備發(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編碼的形成再向遠端傳輸。

1.3 以太網(wǎng)通信層

一個大型測試項目通常由多個測試科目組成，每個科目又有多臺DDS儀器。在進行實時數(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義器采用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儀器的典型應用。在DDS儀器中，最左邊的USB接口A/D單元(ADKM01_USB)上帶有USBHUB(集線器)，

通過DDS儀器內(nèi)的HUB擴展為每個調(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、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。

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，信號發(fā)送端的可編程器件實現(xiàn)多路信號重新組合、PCM編碼、并/串轉(zhuǎn)換，經(jīng)驅(qū)動后進行遠距離傳輸。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。

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總線傳送給計算機。

使用ISP芯片不僅減小了設備的體積，減少了電路的外部連續(xù)，而且減少了外部干擾的機會，提高了電路的可靠性。

3 DDS TM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，采用虛擬儀器的實現(xiàn)方法，面向最終用戶。DDS儀器軟件分三大部分，由設備驅(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、簡潔的方法實現(xiàn)了DDS儀器即插即用的配置管理，其虛擬儀器界面的設計沿用磁帶機、示波器、數(shù)字表、應變儀等傳統(tǒng)儀器的操作習慣，并提供了信號實時頻譜分析及顯示，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)，儀器設定狀態(tài)數(shù)據(jù)管理，信號實時網(wǎng)絡傳輸?shù)葟姶蠊δ堋?/p>

DataScop信號分析軟件通過TCP/IP協(xié)議，從DDS儀器軟件獲取實時或回放數(shù)據(jù)，可完成數(shù)據(jù)標定，測試零線確定，提供常用時域分析、頻域分析、統(tǒng)計分析、信號曲線、圖表輸出。根據(jù)用戶要求，還可內(nèi)建如：機車車輛動力學分析模塊，飛機強度分析模塊等實時處理模塊。信號分析可自動連續(xù)處理。

4 應用實例與結(jié)論

直升機飛行測量系統(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)?strong>USB總線，然后送入現(xiàn)場監(jiān)控計算機實時顯示、分析、處理。通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享，實現(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。