張友森

摘 要：本文對(duì)基于PXI總線的測(cè)試進(jìn)行研究，在硬件方面采用PXI總線設(shè)計(jì)電路板卡，考慮最大需求作為電路設(shè)計(jì)要求，從而保證了系統(tǒng)的通用性。以通信板卡功能進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹，對(duì)發(fā)送和接收功能設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，描述PXI板卡設(shè)計(jì)的思路和方法。軟件方面依照硬件板卡和功能劃分，實(shí)現(xiàn)了模塊化、可配置的程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)操作界面的智能應(yīng)用。通過可靠性設(shè)計(jì)得研究和應(yīng)用，達(dá)到提高測(cè)試設(shè)備應(yīng)用的效果，使本文的研究成果可以順利地推廣應(yīng)用到其他類似測(cè)試系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：PXI/CPCI總線；通用性；可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.134

1 概述

在測(cè)控領(lǐng)域中目前通常采PXI總線接口的工控機(jī)，PXI是一種基于PCI標(biāo)準(zhǔn)的高性能工業(yè)總線，這種結(jié)構(gòu)的工控機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線工控機(jī)相比，改善了散熱條件，提高了抗振動(dòng)沖擊性能、符合電磁兼容要求。在工控機(jī)中加裝PXI總線接口測(cè)控板卡完成通信、采集和控制任務(wù)，借助Windows操作系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用軟件支持以及強(qiáng)大的用戶圖形界面，使測(cè)控系統(tǒng)具有便于開發(fā)、易于使用、能夠使用多種調(diào)試工具的特點(diǎn)。本文研究的測(cè)試系統(tǒng)，是通過PXI測(cè)控板卡及實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)來建立被測(cè)對(duì)象的測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)。

2 測(cè)試系統(tǒng)組成

所謂的測(cè)試系統(tǒng)，首先必須要獲得被測(cè)量的信息，并且根據(jù)被測(cè)量信息的物理特性，將其轉(zhuǎn)換成容易處理和傳輸?shù)碾娦盘?hào)，然后將電信號(hào)所表示的信息進(jìn)行變換或放大，再用指示儀或記錄儀將信息顯示或記錄下來，并對(duì)信息進(jìn)行處理，以獲得反映實(shí)際被測(cè)量數(shù)值大小的測(cè)試結(jié)果。本文研究的信息處理單元測(cè)試臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CTS詳細(xì)的總體構(gòu)建結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 板卡硬件電路設(shè)計(jì)

各種PXI測(cè)試板卡的設(shè)計(jì)都采用智能化的設(shè)計(jì)思想，板卡自身具有數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理功能，可以實(shí)時(shí)與上位機(jī)的測(cè)控軟件進(jìn)行通訊，完成各種控制指令。本文以功能測(cè)試板塊為例簡(jiǎn)單介紹。

通信板卡的功能：實(shí)時(shí)接收連續(xù)的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)要求在接收過程中改變接收的起始和終止地址，并把接收到的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到上位機(jī)，在接收過程中也可以選擇讀取單個(gè)地址的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)要求實(shí)現(xiàn)發(fā)送上位機(jī)設(shè)定的數(shù)據(jù)，并可以改變發(fā)送的起始和終止地址，定時(shí)發(fā)送連續(xù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要是依靠在FPGA內(nèi)部構(gòu)造接收模塊、兩個(gè)緩存數(shù)據(jù)的RAM、仲裁機(jī)和中斷發(fā)送模塊。通信卡的工作原理如圖2所示。

接收模塊根據(jù)上位機(jī)啟動(dòng)命令，啟動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的接收，并把數(shù)據(jù)緩存到RAMA中，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)等于接收地址寄存器中的地址時(shí)，觸發(fā)仲裁機(jī)，仲裁機(jī)對(duì)當(dāng)前的兩個(gè)RAM的工作狀態(tài)進(jìn)行切換，即RAMB開始緩存接收模塊輸出的數(shù)據(jù)，RAMA切換至待讀狀態(tài)。同時(shí)仲裁機(jī)觸發(fā)中斷發(fā)送模塊，向上位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，上位機(jī)接收到中斷后，用DMA 讀方式來讀取RAMA中的數(shù)據(jù)，也可以采用單次讀的方式讀取單個(gè)地址。這樣反復(fù)操作，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)采集。上位機(jī)可隨時(shí)發(fā)送接收結(jié)束命令來中止接收。由于每一組數(shù)據(jù)的最短間隔時(shí)間為5ms，這樣就要求上位機(jī)能夠在5ms內(nèi)完成響應(yīng)中斷、讀RAM的操作。如果不能在5ms內(nèi)完成，就會(huì)造成丟數(shù)。

發(fā)送模塊根據(jù)上位機(jī)通過DMA寫的方式將要寫的數(shù)據(jù)發(fā)送至發(fā)送數(shù)據(jù)緩存空間RAMC，再用單次寫的方式將發(fā)送起始終止地址寫入地址寄存器，再啟動(dòng)發(fā)送命令，由發(fā)送模塊發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。還可以根據(jù)需要，由上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定，定時(shí)發(fā)送多組數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)，除了用于檢測(cè)被測(cè)系統(tǒng)外，還可用于自檢。

運(yùn)用ModelSim對(duì)遙測(cè)通信卡的接收功能進(jìn)行仿真，設(shè)定的接收中止地址rece_over_add為0x06（二進(jìn)制為110），在仿真激勵(lì)文件中施加激勵(lì)為地址從0x00到0x07的數(shù)據(jù)。當(dāng)遙測(cè)接收模塊接收到地址為0x06的數(shù)字遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，下一個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)不會(huì)被接收，在接收地址0x06的數(shù)據(jù)完成時(shí)觸發(fā)中斷，使仲裁信號(hào)flag取反，來切換兩個(gè)接收RAM的工作模式。

2.2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試臺(tái)測(cè)試軟件主要由兩大部分組成：① 主控測(cè)試軟件，運(yùn)行于PXI測(cè)試計(jì)算機(jī)，② 下位機(jī)軟件，運(yùn)行被測(cè)件內(nèi)，配合PXI測(cè)試計(jì)算機(jī)軟件完成各種測(cè)試流程。兩部分軟件相輔相成，互相配合，從而實(shí)現(xiàn)各種預(yù)期的測(cè)試算法、測(cè)試流程和測(cè)試功能。

主控測(cè)試軟件由于運(yùn)行于PXI測(cè)試計(jì)算機(jī)，因此采用WindowsXP操作系統(tǒng)，其主要由四個(gè)模塊組成：人機(jī)界面、輔助功能、綜合測(cè)試軟件和結(jié)果處理輸出模塊。各個(gè)模塊又由若干子模塊構(gòu)成，其具體的組織結(jié)構(gòu)如圖3。

3 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下， 規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它是對(duì)系統(tǒng)可靠程度的定性評(píng)價(jià)。可靠性定義有三個(gè)要素， 即規(guī)定的條件、規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的功能。系統(tǒng)的可靠性事實(shí)上是貫穿了三個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、制造環(huán)節(jié)和使用環(huán)節(jié)。任何環(huán)節(jié)上的失誤都可以使系統(tǒng)的可靠性降低甚至被破壞。

3.1 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)可靠性

原理的優(yōu)劣是系統(tǒng)可靠性的靈魂。設(shè)計(jì)原理的不合理， 可以使整個(gè)系統(tǒng)生來殘疾， 也可以使系統(tǒng)在某種條件下失控，而這種故障是在制造與使用過程中所不能修復(fù)的。

（1）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件模塊化，硬件電路集成化；（2）降低元器件的使用應(yīng)力，對(duì)重要部位可使用備份傳感器、備份CPU、備份軟件模塊和備份輸出等技術(shù)；（3）提供明確的用戶界面和維護(hù)界面，界面越友好， 系統(tǒng)被篡改和被破壞的機(jī)會(huì)就越少。

3.2 制造環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)可靠性

測(cè)控系統(tǒng)由各子系統(tǒng)構(gòu)成， 各子系統(tǒng)又由眾多的元器件構(gòu)成。因此系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于組成系統(tǒng)的元器件的可靠性。

（1）改進(jìn)連接器的可靠性。連接器質(zhì)量的好壞關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，為在兩個(gè)連接插腳之間保持良好的高導(dǎo)電通路， 應(yīng)該在其表面鍍上導(dǎo)電性好、抗腐蝕和防銹污的材料。（2）制造者的質(zhì)量意識(shí)。

3.3 使用環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)可靠性

無論是設(shè)計(jì)者、制造者還是使用者， 都應(yīng)當(dāng)明確系統(tǒng)的使用條件和功能。設(shè)計(jì)者有義務(wù)滿足使用者所提供的條件，使用者也必須遵循設(shè)計(jì)者所賦予系統(tǒng)的條件。在使用環(huán)節(jié)上提高系統(tǒng)可靠性有以下兒個(gè)途徑：

（1）對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要便于監(jiān)視、控制和維護(hù)；（2）對(duì)操作人員進(jìn)行足夠的培訓(xùn)，按正確的規(guī)程操作，不能擅自進(jìn)入維護(hù)界面；（3）正確的運(yùn)輸和貯藏，按技術(shù)要求定期維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的工程背景是某型導(dǎo)彈的測(cè)試系統(tǒng)研制，基于PXI總線搭建了測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)，研制的測(cè)試系統(tǒng)滿足了用戶要求的各種性能指標(biāo)，并在實(shí)際使用中達(dá)到了良好的效果，本課題的研究對(duì)于提高我國(guó)導(dǎo)彈的研制和生產(chǎn)質(zhì)量、增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防實(shí)力有著十分重要的意義。

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