動(dòng)態(tài)信號(hào)測試

一 動(dòng)態(tài)信號(hào)測試的需求與發(fā)展

　　目前，測試領(lǐng)域已進(jìn)入現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測試時(shí)代?，F(xiàn)代動(dòng)態(tài)測試技術(shù)就是利用現(xiàn)代傳感器、微電子、計(jì)算機(jī)、信號(hào)分析與處理、現(xiàn)代通信等技術(shù)研究大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的采集、變換、傳輸和實(shí)時(shí)處理技術(shù)。它不再是簡單的比較測試，而是包括信號(hào)采集、信號(hào)變換與傳輸、信號(hào)的處理與分析、信號(hào)的記錄與顯示的綜合技術(shù)。它給傳統(tǒng)的測量學(xué)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(diǎn)：
　　(1)傳統(tǒng)的測試任務(wù)僅以測量系統(tǒng)的輸出量來估計(jì)被測量，從信息論的觀點(diǎn)來講，僅是對信息的復(fù)現(xiàn)。但動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)測試的是隨時(shí)間變換的寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，研究的重點(diǎn)是測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；
　　(2)傳統(tǒng)的測試重點(diǎn)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(dòng)態(tài)測試是研究輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的對應(yīng)關(guān)系，如傳遞函數(shù)、預(yù)測與濾波等，要求輸出信號(hào)波形不失真地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形；
　　(3)現(xiàn)代動(dòng)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(hào)的變換、信號(hào)的分析與處理、信號(hào)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(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)是一個(gè)多環(huán)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展較慢。10年前，從國外引進(jìn)的動(dòng)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(dòng)態(tài)測試硬件平臺(tái)，逐步打破了這一局面，如其研制的關(guān)鍵任務(wù)測試平臺(tái)：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(jìn)的尷尬局面，開始自主研發(fā)相應(yīng)的測控系統(tǒng)。用于大動(dòng)態(tài)信號(hào)測試的DAQ卡，如：MIC-3714、MIC-3712等，在采集動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，采集卡的信噪比(SNR)為68dB、閾值(THD、最低能感應(yīng)的信號(hào))為-75dB，已廣泛應(yīng)用于我國航天、航空、電力和電信的動(dòng)態(tài)測控系統(tǒng)中。

二 數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)

　　動(dòng)態(tài)信號(hào)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(jìn)行高速采集。評價(jià)一個(gè)數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)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?dāng)_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(biāo)：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(dòng)增益調(diào)節(jié)方式等。對于動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)而言，在諸多技術(shù)指標(biāo)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。
　　(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(hào)最小變化量，通常用最低有效位值(LSB)、系統(tǒng)滿度信號(hào)的百分?jǐn)?shù)(%FSR)或系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值等來表示，有時(shí)也習(xí)慣用滿度信號(hào)可以分辨的級(jí)數(shù)來表示。對于動(dòng)態(tài)信號(hào)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(gè)離散采樣樣本的轉(zhuǎn)換精確度，是系統(tǒng)實(shí)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?jǐn)?shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精確度是一個(gè)系統(tǒng)精確度的極限值。對于一個(gè)12b分辨力的系統(tǒng)，采用12b的ADC時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的MUX以及SHA的精確度均應(yīng)明顯優(yōu)于選用的器件的精確度時(shí)，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(gè)通道每秒鐘可穩(wěn)定采集、處理的樣本數(shù)。對于一個(gè)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(gè)通道可采集、處理與輸出的樣本數(shù)。時(shí)間域上，與通過速率相對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)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(yīng)時(shí)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(shí)間，即系統(tǒng)每采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。對于大動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)而言，系統(tǒng)通過速率是最重要的技術(shù)指標(biāo)。
　　(4)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍：對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)范圍是指系統(tǒng)可數(shù)字化的最大信號(hào)與可分辨的最小信號(hào)的比值，通常以對數(shù)值表示，即系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍＝20lg(ADC·a級(jí)級(jí))。系統(tǒng)的分辨力每增加1b，ADC轉(zhuǎn)換分級(jí)數(shù)便增加一倍，分級(jí)誤差也因而降低一倍，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍相應(yīng)擴(kuò)展6dB。

三 高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)  

　　在動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的是信號(hào)的高速采集、高速轉(zhuǎn)換和傳輸、高速記錄(存儲(chǔ))。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(hào)采集技術(shù)

　　a. ADC的定時(shí)與控制
　　在動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)中，定時(shí)與控制電路是緊密聯(lián)系在一起的，定時(shí)電路包括定時(shí)與計(jì)數(shù)兩個(gè)方面，定時(shí)電路主要為高速ADC、高速緩存提供時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)包括采樣計(jì)數(shù)、緩存計(jì)數(shù)(地址指針)以及觸發(fā)后的緩存計(jì)數(shù)，連同控制電路及時(shí)控制采集過程。采樣頻率需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)根據(jù)所使用傳感器的中心響應(yīng)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(chǔ)的速率要求等。例如雖然MIC-3714每個(gè)通道可以達(dá)到30MS/s，但由于PCI的帶寬以及IDE硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率的限制，MIC-3714的采集數(shù)率不可能達(dá)到滿額。
　　b. 高速緩存技術(shù)
　　針對任務(wù)指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，采用PCI總線控制器、板載FIFO和雙路并行復(fù)用技術(shù)，可滿足數(shù)據(jù)采集的高速指標(biāo)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(chǔ)對記錄設(shè)備速度方面的要求，采用FIFO存儲(chǔ)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，在一定程度上降低對存儲(chǔ)設(shè)備速度方面的要求。FIFO存儲(chǔ)器具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)進(jìn)出有序；二是輸入/輸出端口獨(dú)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(fù)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(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)信號(hào)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(jìn)行過濾處理，使采集得到的信號(hào)得以“凈化”，提高了采集信號(hào)的可用度，有效降低信號(hào)的維數(shù)。

2. 海量高速數(shù)據(jù)塊傳輸與存儲(chǔ)策略

　　在MIC-3714采集卡中，4個(gè)相互獨(dú)立的采集通道，雖然數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，但在控制信號(hào)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(dá)到多路電路的協(xié)調(diào)工作。4個(gè)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(dòng)態(tài)信號(hào)變換為電信號(hào)，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(jī)內(nèi)存和硬盤組成，負(fù)責(zé)將四路采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后在控制信號(hào)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(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)到磁盤，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。
　　所謂“多路并行復(fù)用”，是由于每路數(shù)據(jù)采集電路采用了兩個(gè)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(gè)FIFO進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作，即若FIFO(A)處于數(shù)據(jù)寫狀態(tài)時(shí)，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(jì)算機(jī)內(nèi)存后，發(fā)出事件響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)的事件響應(yīng)處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)FIFO(B)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)寫狀態(tài)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程結(jié)束后，FIFO(A)進(jìn)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(jìn)行存儲(chǔ)。就這樣FIFO(A)和FIFO (B)在控制邏輯單元的控制下，周而復(fù)始地進(jìn)行讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)同步進(jìn)行。而其他幾路的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)過程與此相同，為了提高采集速度，將多路的輸出合并后進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存同時(shí)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，由于多路的數(shù)據(jù)采集與緩存是由硬件電路自動(dòng)進(jìn)行的，而主機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作，因而數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)可以同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了多路的并行復(fù)用，解決了高速采集與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)之間的矛盾。工作原理見圖1所示。
　　在數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集由硬件電路在控制單元的控制下自動(dòng)進(jìn)行，這就為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了有利條件，使主機(jī)在對PCI總線控制器進(jìn)行必要的初始化后，只進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，提高了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的速度。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件的實(shí)現(xiàn)中，采用DMA工作方式。具體工作過程為：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對采集卡進(jìn)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(hào)、復(fù)位FIFO標(biāo)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(jìn)行工作，即當(dāng)DMA將PCI總線控制器FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)內(nèi)存中，當(dāng)傳輸達(dá)到預(yù)定量時(shí)，PCI總線控制器向主機(jī)發(fā)送事件消息信號(hào)，主機(jī)中的事件處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤中(可以是IDE、也可以是SCSI II接口)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能，程序流程圖如圖2所示。

四 結(jié)束語

　　動(dòng)態(tài)信號(hào)測試技術(shù)的進(jìn)步與科學(xué)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(dòng)了測試技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在，先進(jìn)的現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測試技術(shù)在科學(xué)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(gè)學(xué)科領(lǐng)域，尤其是工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)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(yīng)用，成為學(xué)科發(fā)展不可缺少的支柱，逐步解決測試領(lǐng)域動(dòng)態(tài)參數(shù)越來越多、動(dòng)態(tài)參數(shù)變化速度越來越快、動(dòng)態(tài)測試精確度要求越來越高、動(dòng)態(tài)測試越來越難等問題。