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动态信号测试

 动态信号测试的需求与发展

  目前,测试领域已进入现代动态测试时代。现代动态测试技术就是利用现代传感器、微电子、计算机、信号分析与处理、现代通信等技术研究大动态范围信号的采集、变换、传输和实时处理技术。它不再是简单的比较测试,而是包括信号采集、信号变换与传输、信号的处理与分析、信号的记录与显示的综合技术。它给传统的测量学科带来了一系列的观念、方法和技术等方面的变革。与传统的测试技术相比,具有如下特点:
  (1)传统的测试任务仅以测量系统的输出量来估计被测量,从信息论的观点来讲,仅是对信息的复现。但动态测试系统测试的是随时间变换的宽动态范围的信号,研究的重点是测试系统的动态响应特性;
  (2)传统的测试重点是研究测量数值的误差,是输出与输入在数值上的对于关系;而动态测试是研究输出信号与输入信号的对应关系,如传递函数、预测与滤波等,要求输出信号波形不失真地复现输入信号波形;
  (3)现代动态测试技术要解决测试系统工作中遇到的具体技术问题,如信息的获取、信号的变换、信号的分析与处理、信号的记录与显示等环节以及它们之间的耦合关系;
  (4)现代动态测试系统是一个多环节的复杂系统,系统的动态特性是关键。
  在我国,由于国内测试硬件技术的发展限制,动态测试技术的发展较慢。10年前,从国外引进的动态测试系统十分昂贵;近10年来,研华公司逐步成长起来,大力发展PC-Based的动态测试硬件平台,逐步打破了这一局面,如其研制的关键任务测试平台:基于CompactPCI技术的MIC3000,打破了我国电信、航天、电力测试系统从国外引进的尴尬局面,开始自主研发相应的测控系统。用于大动态信号测试的DAQ卡,如:MIC-3714MIC-3712等,在采集动态信号时,采集卡的信噪比(SNR)68dB、阈值(THD、最低能感应的信号)-75dB,已广泛应用于我国航天、航空、电力和电信的动态测控系统中。

 数据采集的主要技术指标

  动态信号测试系统测试的往往是一些快速瞬态变化的参量,必须进行高速采集。评价一个数据采集的主要技术指标有:系统通过速率、精确度、分辨力、线性误差、共模抑制比、通道串扰抑制比以及系统短期稳定度等。此外,还有一些重要指标:系统控制方式、系统总数据量、系统可靠性、系统功耗以及系统自动增益调节方式等。对于动态信号采集系统而言,在诸多技术指标中,最为重要的是系统的分辨力、精确度与通过速率。其中,系统通过速率是高速数据采集系统区别于一般采集系统的最为关键的一项技术指标。
  (1)系统分辨力:是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量,通常用最低有效位值(LSB)、系统满度信号的百分数(%FSR)或系统可分辨的实际电压数值等来表示,有时也习惯用满度信号可以分辨的级数来表示。对于动态信号采集,如选用MIC-3714采集卡,其ADC的位数为12b(bit),采集系统的分辨力见下表所示。
  (2)系统精确度:系统精确度是指系统工作于额定通过速率下,每个离散采样样本的转换精确度,是系统实际输出值与理论输出值之差,它是系统各种误差的总和,通常表示位满度值的百分数,模数转换器的精确度是一个系统精确度的极限值。对于一个12b分辨力的系统,采用12bADC时,数据采集系统中的MUX以及SHA的精确度均应明显优于选用的器件的精确度时,系统的精确度才能得到保证。
  (3)系统通过速率:系统通过速率通常又称为系统速度、传输速率、采集速率以及数据吞吐率等,是指系统每个通道每秒钟可稳定采集、处理的样本数。对于一个包括模拟量输入、模拟量输出的采集系统,通过速率则指系统每个通道可采集、处理与输出的样本数。时间域上,与通过速率相对应的技术指标是通过周期,它是通过速率的倒数。通过周期又常称为系统响应时间,或系统采集周期,它表征了系统从样本输入到输出所需的时间,即系统每采集一个有效数据所占用的时间。对于大动态信号采集系统而言,系统通过速率是最重要的技术指标。
  (4)系统动态范围:对于数据采集系统,动态范围是指系统可数字化的最大信号与可分辨的最小信号的比值,通常以对数值表示,即系统动态范围=20lg(ADC·a级级)。系统的分辨力每增加1bADC转换分级数便增加一倍,分级误差也因而降低一倍,系统的动态范围相应扩展6dB

 高速数据采集与存储技术  

  在动态测试系统中,最为关键的是信号的高速采集、高速转换和传输、高速记录(存储)。为便于叙述与分析,以研华的MIC-3714为例加以说明。

1. 高速信号采集技术

  a. ADC的定时与控制
  在动态信号采集系统中,定时与控制电路是紧密联系在一起的,定时电路包括定时与计数两个方面,定时电路主要为高速ADC、高速缓存提供时钟信号,计数包括采样计数、缓存计数(地址指针)以及触发后的缓存计数,连同控制电路及时控制采集过程。采样频率需要根据系统设计的要求,同时根据所使用传感器的中心响应频率而定,此外,还要考虑采集卡所用PCI总线的带宽以及IDE硬盘数据存储的速率要求等。例如虽然MIC-3714每个通道可以达到30MS/s,但由于PCI的带宽以及IDE硬盘数据存储速率的限制,MIC-3714的采集数率不可能达到满额。
  b. 高速缓存技术
  针对任务指标和实现难点,采用PCI总线控制器、板载FIFO和双路并行复用技术,可满足数据采集的高速指标要求。为了在满足采集速率要求的前提下,减轻数据存储对记录设备速度方面的要求,采用FIFO存储器对数据进行缓冲,在一定程度上降低对存储设备速度方面的要求。FIFO存储器具有两个特点:一是数据进出有序;二是输入/输出端口独立。灵活地使用FIFO可以构成不同容量、不同宽度、不同工作性质的缓存系统,而且不需要复杂的逻辑控制电路和地址发生器,因此,利用FIFO作为数据缓存器提高系统的可靠性。
  c. 智能触发技术
  由于MIC-3714设定的采样频率较高,为防止数据丢失、提高计算机的数据采集效率和加速数据的传输效率,所有采集数据均采用DMA方式传输到内存,再由内存到用户数据池。为保证ADC的精确采样率,ADC触发源选用内部Clock Pacer,并采用Analogy Threshold Trigger的技术触发ADC,主要原因是动态信号集中在较高的高频分量,且幅值极小,极易受到外界背景噪声的干扰,尤其是一些高斯背景噪声,采用Analogy Threshold Trigger技术可以在数据采集的过程中就可以将一些不必要的背景噪声进行过滤处理,使采集得到的信号得以净化,提高了采集信号的可用度,有效降低信号的维数。

2. 海量高速数据块传输与存储策略

  在MIC-3714采集卡中,4个相互独立的采集通道,虽然数据相互独立,但在控制信号方面有主次之分,其中通道1为主,通道24的控制单元受到通道1控制单元的控制,以达到多路电路的协调工作。4个通道分别由A/D锁存器、控制单元和缓存器FIFO组成。每路将接收到的外界动态信号变换为电信号,经过各自的A/D 变换后,并由各自的锁存器锁存,在逻辑控制单元的控制下,缓存到各自的FIFO内。而共同的数据通道由PCI总线控制器、PCI总线、主机内存和硬盘组成,负责将四路采集到的数据进行合并,然后在控制信号的控制下,经PCI总线控制器和PCI总线传输至内存,再由主机对数据进行存储到磁盘,实现多路数据的实时采集与实时存储。
  所谓多路并行复用,是由于每路数据采集电路采用了两个FIFO作为数据缓存器,在控制逻辑单元的控制下,交替地对两个FIFO进行读写数据操作,即若FIFO(A)处于数据写状态时,FIFO(B)则处于数据读状态,PCI控制器将缓存在FIFO(B)中的数据传输至计算机内存后,发出事件响应信号,主机的事件响应处理程序将内存中的数据进行记录,实现数据的存储,同时FIFO(B)状态转换为数据写状态,在数据存储过程结束后,FIFO(A)进入数据读状态,其中的数据经过与FIFO(B)中的数据相同的路径进行存储。就这样FIFO(A)FIFO (B)在控制逻辑单元的控制下,周而复始地进行读写状态转换,实现数据的采集与存储同步进行。而其他几路的数据采集与存储过程与此相同,为了提高采集速度,将多路的输出合并后进入计算机内存同时进行记录存储,由于多路的数据采集与缓存是由硬件电路自动进行的,而主机只负责数据的存储工作,因而数据采集和存储可以同时进行,实现了多路的并行复用,解决了高速采集与实时存储之间的矛盾。工作原理见图1所示。
  在数据采集与存储系统中,数据的实时采集由硬件电路在控制单元的控制下自动进行,这就为数据存储提供了有利条件,使主机在对PCI总线控制器进行必要的初始化后,只进行数据存储工作,提高了数据实时采集与实时存储的速度。在数据存储软件的实现中,采用DMA工作方式。具体工作过程为:当系统启动后,首先对采集卡进行检测,如采集卡存在则申请系统资源,如内存容量、中断和DMA资源等,初始化PCI控制器为总线的主设备,并设置相关参数(如定义中断号、复位FIFO标志、FIFO管理方式、DMA传输源地址和目的地址以及传输字节数、总线主设备使能等)。在程序中,以事件消息传递方式进行工作,即当DMAPCI总线控制器FIFO中的数据传输至主机内存中,当传输达到预定量时,PCI总线控制器向主机发送事件消息信号,主机中的事件处理程序将内存中的数据存储到磁盘中(可以是IDE、也可以是SCSI II接口),实现数据的实时存储功能,程序流程图如图2所示。

 结束语

  动态信号测试技术的进步与科学技术的发展是相辅相成的,这种相辅相成的关系推动了测试技术的发展。现在,先进的现代动态测试技术在科学技术发展中所起的作用越来越大,其重要性越来越明显,它已在各个学科领域,尤其是工业自动化、农业自动化、军事工程、航天技术、资源探测、海洋开发、安全环保、医疗诊断、环境监测等领域广泛应用,成为学科发展不可缺少的支柱,逐步解决测试领域动态参数越来越多、动态参数变化速度越来越快、动态测试精确度要求越来越高、动态测试越来越难等问题。

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