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動態(tài)信號測試

一 動態(tài)信號測試的需求與發(fā)展

　　目前，測試領(lǐng)域已進入現(xiàn)代動態(tài)測試時代。現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)就是利用現(xiàn)代傳感器、微電子、計算機、信號分析與處理、現(xiàn)代通信等技術(shù)研究大動態(tài)范圍信號的采集、變換、傳輸和實時處理技術(shù)。它不再是簡單的比較測試，而是包括信號采集、信號變換與傳輸、信號的處理與分析、信號的記錄與顯示的綜合技術(shù)。它給傳統(tǒng)的測量學科帶來了一系列的觀念、方法和技術(shù)等方面的變革。與傳統(tǒng)的測試技術(shù)相比，具有如下特點：
　　(1)傳統(tǒng)的測試任務僅以測量系統(tǒng)的輸出量來估計被測量，從信息論的觀點來講，僅是對信息的復現(xiàn)。但動態(tài)測試系統(tǒng)測試的是隨時間變換的寬動態(tài)范圍的信號，研究的重點是測試系統(tǒng)的動態(tài)響應特性；
　　(2)傳統(tǒng)的測試重點是研究測量數(shù)值的誤差，是輸出與輸入在數(shù)值上的對于關(guān)系；而動態(tài)測試是研究輸出信號與輸入信號的對應關(guān)系，如傳遞函數(shù)、預測與濾波等，要求輸出信號波形不失真地復現(xiàn)輸入信號波形；
　　(3)現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)要解決測試系統(tǒng)工作中遇到的具體技術(shù)問題，如信息的獲取、信號的變換、信號的分析與處理、信號的記錄與顯示等環(huán)節(jié)以及它們之間的耦合關(guān)系；
　　(4)現(xiàn)代動態(tài)測試系統(tǒng)是一個多環(huán)節(jié)的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性是關(guān)鍵。
　　在我國，由于國內(nèi)測試硬件技術(shù)的發(fā)展限制，動態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展較慢。10年前，從國外引進的動態(tài)測試系統(tǒng)十分昂貴；近10年來，研華公司逐步成長起來，大力發(fā)展PC-Based的動態(tài)測試硬件平臺，逐步打破了這一局面，如其研制的關(guān)鍵任務測試平臺：基于CompactPCI技術(shù)的MIC3000，打破了我國電信、航天、電力測試系統(tǒng)從國外引進的尷尬局面，開始自主研發(fā)相應的測控系統(tǒng)。用于大動態(tài)信號測試的DAQ卡，如：MIC-3714、MIC-3712等，在采集動態(tài)信號時，采集卡的信噪比(SNR)為68dB、閾值(THD、最低能感應的信號)為-75dB，已廣泛應用于我國航天、航空、電力和電信的動態(tài)測控系統(tǒng)中。

二 數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標

　　動態(tài)信號測試系統(tǒng)測試的往往是一些快速瞬態(tài)變化的參量，必須進行高速采集。評價一個數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標有：系統(tǒng)通過速率、精確度、分辨力、線性誤差、共模抑制比、通道串擾抑制比以及系統(tǒng)短期穩(wěn)定度等。此外，還有一些重要指標：系統(tǒng)控制方式、系統(tǒng)總數(shù)據(jù)量、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)自動增益調(diào)節(jié)方式等。對于動態(tài)信號采集系統(tǒng)而言，在諸多技術(shù)指標中，最為重要的是系統(tǒng)的分辨力、精確度與通過速率。其中，系統(tǒng)通過速率是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于一般采集系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的一項技術(shù)指標。
　　(1)系統(tǒng)分辨力：是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量，通常用最低有效位值(LSB)、系統(tǒng)滿度信號的百分數(shù)(%FSR)或系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值等來表示，有時也習慣用滿度信號可以分辨的級數(shù)來表示。對于動態(tài)信號采集，如選用MIC-3714采集卡，其ADC的位數(shù)為12b(bit)，采集系統(tǒng)的分辨力見下表所示。
　　(2)系統(tǒng)精確度：系統(tǒng)精確度是指系統(tǒng)工作于額定通過速率下，每個離散采樣樣本的轉(zhuǎn)換精確度，是系統(tǒng)實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，通常表示位滿度值的百分數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精確度是一個系統(tǒng)精確度的極限值。對于一個12b分辨力的系統(tǒng)，采用12b的ADC時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的MUX以及SHA的精確度均應明顯優(yōu)于選用的器件的精確度時，系統(tǒng)的精確度才能得到保證。
　　(3)系統(tǒng)通過速率：系統(tǒng)通過速率通常又稱為系統(tǒng)速度、傳輸速率、采集速率以及數(shù)據(jù)吞吐率等，是指系統(tǒng)每個通道每秒鐘可穩(wěn)定采集、處理的樣本數(shù)。對于一個包括模擬量輸入、模擬量輸出的采集系統(tǒng)，通過速率則指系統(tǒng)每個通道可采集、處理與輸出的樣本數(shù)。時間域上，與通過速率相對應的技術(shù)指標是通過周期，它是通過速率的倒數(shù)。通過周期又常稱為系統(tǒng)響應時間，或系統(tǒng)采集周期，它表征了系統(tǒng)從樣本輸入到輸出所需的時間，即系統(tǒng)每采集一個有效數(shù)據(jù)所占用的時間。對于大動態(tài)信號采集系統(tǒng)而言，系統(tǒng)通過速率是最重要的技術(shù)指標。
　　(4)系統(tǒng)動態(tài)范圍：對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動態(tài)范圍是指系統(tǒng)可數(shù)字化的最大信號與可分辨的最小信號的比值，通常以對數(shù)值表示，即系統(tǒng)動態(tài)范圍＝20lg(ADC·a級級)。系統(tǒng)的分辨力每增加1b，ADC轉(zhuǎn)換分級數(shù)便增加一倍，分級誤差也因而降低一倍，系統(tǒng)的動態(tài)范圍相應擴展6dB。

三 高速數(shù)據(jù)采集與存儲技術(shù)  

　　在動態(tài)測試系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的是信號的高速采集、高速轉(zhuǎn)換和傳輸、高速記錄(存儲)。為便于敘述與分析，以研華的MIC-3714為例加以說明。

1. 高速信號采集技術(shù)

　　a. ADC的定時與控制
　　在動態(tài)信號采集系統(tǒng)中，定時與控制電路是緊密聯(lián)系在一起的，定時電路包括定時與計數(shù)兩個方面，定時電路主要為高速ADC、高速緩存提供時鐘信號，計數(shù)包括采樣計數(shù)、緩存計數(shù)(地址指針)以及觸發(fā)后的緩存計數(shù)，連同控制電路及時控制采集過程。采樣頻率需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，同時根據(jù)所使用傳感器的中心響應頻率而定，此外，還要考慮采集卡所用PCI總線的帶寬以及IDE硬盤數(shù)據(jù)存儲的速率要求等。例如雖然MIC-3714每個通道可以達到30MS/s，但由于PCI的帶寬以及IDE硬盤數(shù)據(jù)存儲速率的限制，MIC-3714的采集數(shù)率不可能達到滿額。
　　b. 高速緩存技術(shù)
　　針對任務指標和實現(xiàn)難點，采用PCI總線控制器、板載FIFO和雙路并行復用技術(shù)，可滿足數(shù)據(jù)采集的高速指標要求。為了在滿足采集速率要求的前提下，減輕數(shù)據(jù)存儲對記錄設(shè)備速度方面的要求，采用FIFO存儲器對數(shù)據(jù)進行緩沖，在一定程度上降低對存儲設(shè)備速度方面的要求。FIFO存儲器具有兩個特點：一是數(shù)據(jù)進出有序；二是輸入/輸出端口獨立。靈活地使用FIFO可以構(gòu)成不同容量、不同寬度、不同工作性質(zhì)的緩存系統(tǒng)，而且不需要復雜的邏輯控制電路和地址發(fā)生器，因此，利用FIFO作為數(shù)據(jù)緩存器提高系統(tǒng)的可靠性。
　　c. 智能觸發(fā)技術(shù)
　　由于MIC-3714設(shè)定的采樣頻率較高，為防止數(shù)據(jù)丟失、提高計算機的數(shù)據(jù)采集效率和加速數(shù)據(jù)的傳輸效率，所有采集數(shù)據(jù)均采用DMA方式傳輸?shù)絻?nèi)存，再由內(nèi)存到用戶數(shù)據(jù)池。為保證ADC的精確采樣率，ADC觸發(fā)源選用內(nèi)部Clock Pacer，并采用Analogy Threshold Trigger的技術(shù)觸發(fā)ADC，主要原因是動態(tài)信號集中在較高的高頻分量，且幅值極小，極易受到外界背景噪聲的干擾，尤其是一些高斯背景噪聲，采用Analogy Threshold Trigger技術(shù)可以在數(shù)據(jù)采集的過程中就可以將一些不必要的背景噪聲進行過濾處理，使采集得到的信號得以“凈化”，提高了采集信號的可用度，有效降低信號的維數(shù)。

2. 海量高速數(shù)據(jù)塊傳輸與存儲策略

　　在MIC-3714采集卡中，4個相互獨立的采集通道，雖然數(shù)據(jù)相互獨立，但在控制信號方面有主次之分，其中通道1為主，通道2～4的控制單元受到通道1控制單元的控制，以達到多路電路的協(xié)調(diào)工作。4個通道分別由A/D鎖存器、控制單元和緩存器FIFO組成。每路將接收到的外界動態(tài)信號變換為電信號，經(jīng)過各自的A/D 變換后，并由各自的鎖存器鎖存，在邏輯控制單元的控制下，緩存到各自的FIFO內(nèi)。而共同的數(shù)據(jù)通道由PCI總線控制器、PCI總線、主機內(nèi)存和硬盤組成，負責將四路采集到的數(shù)據(jù)進行合并，然后在控制信號的控制下，經(jīng)PCI總線控制器和PCI總線傳輸至內(nèi)存，再由主機對數(shù)據(jù)進行存儲到磁盤，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實時采集與實時存儲。
　　所謂“多路并行復用”，是由于每路數(shù)據(jù)采集電路采用了兩個FIFO作為數(shù)據(jù)緩存器，在控制邏輯單元的控制下，交替地對兩個FIFO進行讀寫數(shù)據(jù)操作，即若FIFO(A)處于數(shù)據(jù)寫狀態(tài)時，FIFO(B)則處于數(shù)據(jù)讀狀態(tài)，PCI控制器將緩存在FIFO(B)中的數(shù)據(jù)傳輸至計算機內(nèi)存后，發(fā)出事件響應信號，主機的事件響應處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)進行記錄，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，同時FIFO(B)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)寫狀態(tài)，在數(shù)據(jù)存儲過程結(jié)束后，FIFO(A)進入數(shù)據(jù)讀狀態(tài)，其中的數(shù)據(jù)經(jīng)過與FIFO(B)中的數(shù)據(jù)相同的路徑進行存儲。就這樣FIFO(A)和FIFO (B)在控制邏輯單元的控制下，周而復始地進行讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲同步進行。而其他幾路的數(shù)據(jù)采集與存儲過程與此相同，為了提高采集速度，將多路的輸出合并后進入計算機內(nèi)存同時進行記錄存儲，由于多路的數(shù)據(jù)采集與緩存是由硬件電路自動進行的，而主機只負責數(shù)據(jù)的存儲工作，因而數(shù)據(jù)采集和存儲可以同時進行，實現(xiàn)了多路的并行復用，解決了高速采集與實時存儲之間的矛盾。工作原理見圖1所示。
　　在數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的實時采集由硬件電路在控制單元的控制下自動進行，這就為數(shù)據(jù)存儲提供了有利條件，使主機在對PCI總線控制器進行必要的初始化后，只進行數(shù)據(jù)存儲工作，提高了數(shù)據(jù)實時采集與實時存儲的速度。在數(shù)據(jù)存儲軟件的實現(xiàn)中，采用DMA工作方式。具體工作過程為：當系統(tǒng)啟動后，首先對采集卡進行檢測，如采集卡存在則申請系統(tǒng)資源，如內(nèi)存容量、中斷和DMA資源等，初始化PCI控制器為總線的主設(shè)備，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)(如定義中斷號、復位FIFO標志、FIFO管理方式、DMA傳輸源地址和目的地址以及傳輸字節(jié)數(shù)、總線主設(shè)備使能等)。在程序中，以事件消息傳遞方式進行工作，即當DMA將PCI總線控制器FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸至主機內(nèi)存中，當傳輸達到預定量時，PCI總線控制器向主機發(fā)送事件消息信號，主機中的事件處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲到磁盤中(可以是IDE、也可以是SCSI II接口)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲功能，程序流程圖如圖2所示。

四 結(jié)束語

　　動態(tài)信號測試技術(shù)的進步與科學技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的，這種相輔相成的關(guān)系推動了測試技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在，先進的現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)在科學技術(shù)發(fā)展中所起的作用越來越大，其重要性越來越明顯，它已在各個學科領(lǐng)域，尤其是工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)自動化、軍事工程、航天技術(shù)、資源探測、海洋開發(fā)、安全環(huán)保、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應用，成為學科發(fā)展不可缺少的支柱，逐步解決測試領(lǐng)域動態(tài)參數(shù)越來越多、動態(tài)參數(shù)變化速度越來越快、動態(tài)測試精確度要求越來越高、動態(tài)測試越來越難等問題。