石 瑞

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安 710068)

工業(yè)水平的高低是衡量一個國家綜合國力的重要指標(biāo)，工業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化程度更是直接體現(xiàn)該水平的一個重要因素［1］。采集設(shè)備的多點實時并行狀態(tài)采集和采集設(shè)備單點狀態(tài)的采集精度的提高，對現(xiàn)有設(shè)備進行有效的狀態(tài)分析控制和新設(shè)備研發(fā)都有積極的促進作用。

數(shù)字邏輯分析設(shè)備一般都是將采集到的模擬量(如電壓、質(zhì)量、狀態(tài)量等)轉(zhuǎn)化成電信號，通過某種模數(shù)轉(zhuǎn)換進而得到數(shù)字信號，再將數(shù)字信號交給處理器進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后通過人機界面將結(jié)果輸出給使用者［2］。然而，通過分析現(xiàn)有的數(shù)字邏輯分析設(shè)備的技術(shù)特點，發(fā)現(xiàn)有一些不足或需要改進的地方。比如，有的邏輯分析設(shè)備提供商根據(jù)自身利益需求，針對各自市場劃分提供相應(yīng)的專門設(shè)備，無形中不但增加了使用者的生產(chǎn)成本，而且降低了設(shè)備的通用性;多數(shù)數(shù)字邏輯分析設(shè)備價格昂貴，形成過高的使用價格門檻;設(shè)備采集信號功能單一，設(shè)備功能靈活性有限。綜合以上論述，本文在現(xiàn)有數(shù)字邏輯分析設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種高精度數(shù)字邏輯分析設(shè)備的設(shè)計方法，該方法的重點有兩個方面:一方面通過高精度時隙控制模塊的時隙控制，實現(xiàn)多個低精度的狀態(tài)采集模塊組合完成單路高精度的狀態(tài)采集并輸出(理論上，在一個1GHz精度的時隙控制模塊控制下，將10路1MHz采集精度的狀態(tài)輸入分別控制在特定的時隙中，進而獲得1路10MHz的狀態(tài)采集精度);另一方面是通過設(shè)置不同的輸入比較門限，降低采集結(jié)果的失真度。由于邏輯分析儀的市場價格隨著采集時間精度的提高而快速增長，所以該方法既可以降低高精度狀態(tài)設(shè)備的設(shè)計制造成本，又可以提高普通狀態(tài)設(shè)備的采集精度，獲得更高的實際效益［3］。

1 邏輯分析設(shè)備原理概述

邏輯分析儀是利用時鐘從測試設(shè)備上采集并顯示數(shù)字信號的儀器，主要用于時序判定。邏輯分析儀不同于示波器可以顯示模擬信號，它針對每一路信號輸入僅設(shè)置一個唯一的門限值，用于與被測信號進行強度大小比較，故輸出的是高于門限信號強度和低于門限信號強度的數(shù)字波形。采集效果如圖1所示。

圖1 單門限狀態(tài)采集效果

2 高精度狀態(tài)采集實現(xiàn)方案

根據(jù)上述邏輯分析設(shè)備工作原理，邏輯分析設(shè)備可以獲得復(fù)雜的模擬輸入信號與門限信號的強度比較關(guān)系，進而得到可以交給計算機處理的具有時間序列的數(shù)字信號，這種信號處理方法針對多路狀態(tài)量并行(如多路電信號的通斷檢測)采集和處理比較方便，如果希望通過該狀態(tài)采集的輸出結(jié)果還原初始模擬信號，就需要考慮輸出信號失真度過高的問題。根據(jù)狀態(tài)采集的技術(shù)原理和特點，下文將詳細(xì)介紹本文所研究設(shè)備的設(shè)計方案，核心技術(shù)是本文中提到的組合多路多門限狀態(tài)采集，一方面提高輸入采樣信號的時序精度，另一方面降低輸出信號的誤差。

2．1 多路組合狀態(tài)采集方案

多路組合狀態(tài)采集的具體技術(shù)方案，是在高精度時隙控制模塊的時隙控制下，形成一個時隙序列，并控制每個單路狀態(tài)采集模塊工作在確定的時隙內(nèi)。這種控制方式下，如果單位時間按照時隙控制模塊分為N個時隙，則單位時間的組合狀態(tài)采集的時間精度就相當(dāng)于單路狀態(tài)采集時間精度的N倍，如圖2(a)中時間軸所示。然后，再按照實際需要對每個狀態(tài)采集模塊門限信號的大小進行設(shè)置，如圖2(a)門限軸所示，形成輸入信號比較強度線性增長的門限序列，并對每個門限信號按照大小進行二進制標(biāo)記。當(dāng)被測模擬信號按照同樣的時隙劃分依次輸入到各個狀態(tài)采集模塊時，在每一個時隙里，只要判斷輸入信號處于哪兩個相鄰門限信號之間，把較小的門限信號的二進制標(biāo)記作為輸出信號。在設(shè)備的輸出端按時隙順序關(guān)系將每路輸出結(jié)果進行組合，即可得到一個近似的按時隙的數(shù)字信號輸出，如圖2(b)所示。

2．2 組合狀態(tài)采集核心模塊構(gòu)成

圖2 多門限狀態(tài)采集效果

在具體硬件設(shè)計中，上述多路狀態(tài)采集采用的是模塊化設(shè)計方案，整個核心功能部分由信號輸入模塊、時隙控制模塊、多路狀態(tài)采集模塊和輸出模塊構(gòu)成。為了便于用戶使用，在核心功能部分之外再加入上位機模塊，為用戶提供時隙精度控制、多個狀態(tài)采集門限信號控制和狀態(tài)采集結(jié)果輸出的人機界面接口，功能模塊的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能模塊整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由上述設(shè)計方案和模塊構(gòu)成可知，該設(shè)計方案中硬件模塊的功能劃分清楚，可以滿足通過提高時隙控制模塊的時間精度進而提高組合采集精度并實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)采集時間精度的需要，還可以在狀態(tài)輸出端得到一定近似程度的數(shù)字輸出結(jié)果，便于后期的狀態(tài)采集結(jié)果處理。

3 狀態(tài)采集精度影響因素分析

基于邏輯狀態(tài)采集的誤差，在其構(gòu)成的各個主要模塊中都不可避免地存在，其狀態(tài)采集結(jié)果的精度同樣受到很多因素的影響，具體如下。

3．1 硬件電路因素

a．本文所研究的設(shè)備設(shè)計方案多處用到了微處理器、微控制器以及門限信號大小的設(shè)置，所以設(shè)備電源輸入的波動將引起整個狀態(tài)采集結(jié)果的波動，使得采集結(jié)果與真實結(jié)果之間產(chǎn)生差異。

b．該設(shè)備采用了多路并行狀態(tài)采集方案，各個采集卡之間的共地干擾也將是一個影響采集結(jié)果準(zhǔn)確性的因素。

3．2 軟件設(shè)計因素

組合多點狀態(tài)采集實現(xiàn)單路輸出，這種方案的數(shù)學(xué)模型就是一種通過分段投影擬合目標(biāo)曲線的方法。該方法在本文所研究的設(shè)備中是通過直接比較輸入信號和門限信號強度大小，并將輸入信號曲線直接投影到距離最近的門限強度信號軸上，這是一種近似曲線擬合，在算法上存在固有的誤差。

4 仿真實驗

基于上述多路組合狀態(tài)采集實現(xiàn)單路高精度采集的設(shè)計方案，本文利用Labview軟件進行虛擬儀器的程序開發(fā)，進而完成相關(guān)仿真實驗［4－5］。

實驗中，使用Labview編程，分別實現(xiàn)一個最大值為1的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形模塊(代表模擬待測輸入信號)、一個2級和一個5級大小遞增的比較門限多路狀態(tài)采集模塊(代表多路組合狀態(tài)采集)，并且將上述狀態(tài)采集門限強度平均分布在0～1之間(代表時隙控制)，分兩次進行仿真實驗，得到比較結(jié)果輸出和數(shù)字輸出(代表單路狀態(tài)采集的波形輸出和數(shù)字輸出)，2級門限狀態(tài)采集結(jié)果見表1，5級門限狀態(tài)采集結(jié)果見表2。

表1 2級狀態(tài)采集結(jié)果

表2 5級狀態(tài)采集結(jié)果

對比表1和表2可以看出:兩次實驗都獲得了近似的數(shù)字輸出，相對輸出結(jié)果曲線圖，可以得出5級門限序列組合狀態(tài)采集得到的輸出結(jié)果精度更高，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果也更符合目標(biāo)信號強度曲線，證明文中所提的邏輯分析設(shè)備的設(shè)計方案是可行的。表2得出的輸出結(jié)果與真實值之間的誤差很明顯，這是因為采集點數(shù)量有限，并且采集點分布平均，在這樣的條件下擬合一個未知信號的強度曲線是會產(chǎn)生較大誤差的。因此，可以通過增加采集點的方法，提高時隙控制模塊的控制精度來提高狀態(tài)采集的精度［6］。

5 結(jié)束語

本文提出了一種高精度邏輯分析設(shè)備的設(shè)計方案，并通過仿真實驗證明了該方案的有效性和可行性，同時在實驗分析過程中提出進一步提高采集精度的方法。該方案在工業(yè)生產(chǎn)和過程控制中有一定實際意義，對于升級現(xiàn)有邏輯分析儀的采集能力有一定參考價值。

［1］ 周振安．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實踐［M］．北京:地震出版社，2005．

［2］ 張震．多功能數(shù)據(jù)采集儀的研制［D］．杭州:杭州電子科技大學(xué)，2009．

［3］ 魏麗娜．多通道高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計［J］．自動化儀表，2002，23(2):37 －42．

［4］ 侯國屏，葉齊鑫．Labview7．1編程與虛擬儀器設(shè)計［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

［5］ 鄭福仁．Labview虛擬儀器程序設(shè)計［M］．北京:人民郵電出版社，2010．

［6］ 管力軍．多通道高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計［J］．自動化儀表，2002，23(2):33 －36．