总线测试（精选9篇）
总线测试 篇1
前言
数字总线技术作为数据共享的主要手段之一, 在现代飞机机载设备中被广泛采用。针对使用条件的不同, 机载设备的传输总线主要有RS232总线、RS422总线、RS485总线、ARINC429总线和1553B总线, 以及未来面对的1394总线、FC光纤通道总线等。通常情况下, 这些类型总线应该严格按照总线协议的标准进行设计以保证机载设备之间的数据的交联与共享。但是由于机载环境的特殊要求, 在某些情况下, 这些数据传输总线在设计时可能采用一些非标准的设计思路。例如在传输速率上采用的是非标准数值的波特率等。如何采集这些非标准的总线数据是测试系统面临的主要问题。
一、非标准的RS485总线
RS485总线采用的是半双工的平衡传输模式, 传输速率一般为1.2K、2.4K、4.8K、9.6K、19.2K、38.4K位/秒等。逻辑1以两线间的电压差为+ (2~6) V表示, 逻辑0以两线间的电压差为- (2~6) V表示, 接口信号电平相对RS232接口电平降低了, 不易损坏接口电路的芯片。RS-485总线接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合, 抗共模干能力增强, 即抗噪声干扰性好。最大传输距离标准值为1200米, 实际上可达3000米。另外RS232接口在总线上只允许连接1个收发器, 即只具有单站能力。而RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器, 即具有多站能力, 这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
基于以上优点, 某型机载设备采用的就是RS485串行总线接口, 其数据是按照数据块发送的, 其中每个数据块由4个数据字组成, 包括1个命令字, 2个数据字和1个故障字。每隔50ms发送一个数据块, 数据块中的数据字的发送间隔大约是4ms。数据字格式如下表1所示。
每个数据字都是11位, 包括1位起始位、8位数据位、1位校验位和1位停止位。校验位采用偶校验, 在传输速率上其波特率为3.125K位/秒, 与常用的标准波特率有异, 是非标准的接口速率。
目前标准的测试系统中的串行数据采集模块可以接收8个通道的串行数据, 信号类型 (RS-232或RS-422、RS-485) 、波特率、每个字的位数以及奇偶校验可以隧道编程。但是每个通道波特率的定义为0.3K、0.6K、1.2K、2.4K、4.8K、9.6K、19.2K、38.4K位/秒, 无法满足机载设备的RS485总线接口波特率为3.125K位/秒的测试需求。因此, 需要设计一个RS485接口波特率调节装置, 将机载设备输出非标准波特率为3.125K位/秒的RS485信号转换成标准波特率的RS485信号。
二、总体方案设计
在嵌入式测控系统中, 集成化混合信号系统级芯片 (S O C) 的8位单片机占有重要的一席。它在一个芯片内集成了构成一个数据采集或控制系统所需的几乎所有的模拟和数字外设, 为设计小体积、高可靠性和高性能的系统提供了方便。
在8位单片机中, C8051F系列单片机对于以往的80C51单片机来讲, 废除了机器周期的概念, 指令以时钟周期为运行单位, 单指令运行速度为原来的1 2倍;采用数字交叉开关以硬件方式实现I/O端口的灵活配置;通过可编程的时钟振荡器提供若干种时钟设定, 当程序运行时, 可实现内外时钟的动态切换;提供上电复位、软件复位、掉电复位和比较器复位等多种复位方式。
综合以上因素, 以及根据此次测试工作的需求, 在方案设计中主处理器采用Cygnal公司的C8051F020系列的单片机。
2.1系统的硬件总体方案
C8051F020单片机内部集成了两个硬件实现的通用异步收发器U A R T 0和U A R T 1, 这样就可以将它们分别和两个485接口芯片连接实现以不同位速率接收 (3.125K位/秒) 和发送 (4.8K位/秒) 485信号, 并且它是高速单片机, 执行指令的速度快 (25MIPS) , 可以满足系统实时性的要求。系统的原理框图如图所示。
C8051F020单片机的通用异步收发器U A R T 0和U A R T 1是增强型U A R T, 它除了具有标准串行口的功能外, 还具有帧错误检测和抵制识别硬件的功能。UART可以工作在一种同步方式和3种异步工作方式。
通过设置串口控制寄存器中的配置位选择。在所有方式下, 接收数据被放入一个保持寄存器, 这就允许系统在未读取前一个数据字节的前提下, 开始接受第二个输入数据字节。
根据前面描述的关于某型机载设备输出的R S 4 8 5信号的数据格式, 可知在U R A T应该采用工作方式3, 即数据字共使用11位:一个起始位、8位数据位、一个可编程的第九位和一个停止位。波特率由对应的定时器确定, 通过将T C L K 1或RCLK1设置为逻辑1来选择定时器为波特率时钟源。计算公式如式 (1) 。
通过以上的设定, 就可以将U R A T 0设置成以3.1 2 5 K位/秒接收数据, 将URAT1设置成4.8K位/秒发送数据了。
2.2系统的软件总体方案
根据功能设计的要求, 程序设计的流程图如图2所示。
转换程序的流程中, 首先通过“定义特殊功能寄存器”将一些8位特殊功能寄存器合并为1 6位的特殊功能寄存器, 便于以后的程序使用。初始化进程主要包括系统时钟的初始化、U A R T串口的初始化和数字交叉开关的设置等。根据实现目的将UART按照要求初始化为不同的波特率以发送和接收数据。如果接收标志位R I为1, 表明已经接收到有效数据, 则将此数据保存并将标志位RI清0以便接收下一个数据。如果发送标志位T I为1, 表明系统已经准备好可以发送数据, 则将标志位TI清0并将接收到的数据以标准的波特率发送出去, 如此循环进行, 以实现将非标准波特率的RS485数据转换为标准波特率的RS485数据, 以便用K A M 5 0 0测试系统进行采集和处理。
三、系统软硬件设计
根据图1系统总体框图所示, 系统主要分为电源模块、单片机模块、R S 4 8 5接口模块和隔离四个部分。这四部分中电源和RS485接口是主要部分。
3.1电源模块
由于飞机上使用的是统一的28V直流电源, 而系统的各个模块所需的供电电压为3.3V, 因此电源模块的主要功能就是将飞机上的28V直流电源转换成3.3V直流电源, 并且考虑到输入输出的压差比较大, 而飞机上能源有限, 要尽量减小各设备的能耗, 因此要求此电源模块的转换效率不能太低。此外还应该考虑到在电源正负极接反的情况下会对损坏电路, 因此设计的电源模块还应该具有正负极防接反功能。
根据以上需求, 设计的系统电源模块电路图如图3所示。
3.2 RS485接口模块
RS485接口模块的数据发送部分如图4所示。
电路中的隔离芯片是基于A D公司iCoupler技术的双通道数字隔离芯片。它采用的是磁电式隔离技术, 与传统的光耦隔离器相比, 由于没有采用光电耦合器件, 因而避免了传统光电隔离技术所带来的传输速率不确定, 传输函数非线性, 以及温度和使用寿命所带来的影响。因而它体积更小, 工作更稳定, 传输速率更高 (最高可以达到25Mbps) 。还有就是由于没有光耦器件, 在相同的传输速率下, 其功耗是传统隔离器件的十分之一到六分之一。
RS485驱动芯片本身集成了有效的保护措施。但为了更加可靠地保护RS485系统, 确保系统安全, 需要额外增加一些保护电路。图4中, 钳位于6.8V的TVS管D7、D8和D9都是用来保护RS485系统的, 避免系统在受到外界干扰 (雷击、浪涌) 产生的高压损坏R S 4 8 5收发器。另外, 电路中的L 3、L 4、C 1 3和C 1 4可以用于提高电路的E M I性能。
3.3系统软件设计
根据图2所示的系统程序流程图可知, 系统的软件部分主要包括系统初始化, 数据接收和发送函数以及看门狗定时器设置3个部分。其中系统初始化主要包括系统时钟初始化、端口初始化和UART初始化3个部分。本系统选用频率为22.1184MHz的外部晶振作为系统的时钟源。端口初始化时, 通过配置相应的交叉开关控制寄存器, 将U A R T 0和U A R T 1分配给相应的端口, 其它未使用的端口一律设置成推挽方式, 以提高系统的抗干扰能力。
根据某型机载设备输出的数据格式以及实际的使用需求, 选择U A R T工作在方式3下, 每个数据字节共使用1 1位:一个起始位、8个数据位、一个可编程的第9位和一个停止位。在发送时, 第9位数据由TB8中的值决定, 它可以被赋值为P S W中的奇偶校验位P。在接收时, 第9位数据位进入RB8, 停止位被忽略。当执行一条向SBUF寄存器写入一个字节的命令时, 开始发送数据。在发送结束时 (停止位开始) , 发送中断标志T I置位。在接收允许位R E N被设置位逻辑1时, 开始接收数据。
程序中的数据发送函数如下。
四、实验结果及时间延迟性分析
时间延迟对分析参数时间相关性十分重要。因此作为数据转换接口设备, 在数据转换过程中产生的时间延迟大小是衡量设备是否满足要求的重要指标。为了便于进行转换前后数据延迟大小的分析, 设输入数据为3.125K位/秒, 经过RS485总线变换器将位速率转换后以4.8K位/秒发送出去。
为了验证前面的设计, 在系统制造完成后, 进行了实验。图5为将输入和输出系统的R S 4 8 5信号波形进行的对比图。图中B通道为输入系统的波特率为3.125K位/s非标准波特率的RS485信号波形, A通道为经过系统转换的波特率为4.8K位/s标准波特率的RS485信号波形。
由图5可以看出输出信号相对于输入信号有延迟, 从输入信号接收完毕到输出信号开始发送, 中间大约有4 m s的延时, 因此此系统不会因为延时过长而产生丢失数据的现象。实验结果表明此次设计的系统能够满足对于非标准波特率R S 4 8 5信号采集的要求。
五、结论
本次总线接口设备的设计利用了高性能单片机C 8 0 5 1 F 0 2 0的片内硬件资源, 外围器件相对较少, 传输数据延迟小, 抗干扰能力强, 并且通过实验室验证该接口达到了预期的作用。未来测试对象目前有许多的不确定的因素, 非标准的总线数据可能是面临的一个主要的因素。因此, 可以进一步利用目前成熟的单片机或更先进的FPGA嵌入式技术, 将接口驱动芯片作适当调整即可成为解决此类问题的有力手段。
总线测试 篇2
CAN总线在发动机测试系统中的应用
现场的`总线控制系统(FCS)将是新世纪自动控制系统发展的主流,是继DCS后新一代的控制系统.现场总线是综合自动化发展的需要,同时智能仪器仪表则为现场总线的出现奠定了基础.
作 者：任贺英 作者单位：大庆东华油气开发股份有限公司,黑龙江,大庆,163713刊 名：中国新技术新产品英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS年，卷(期)：“”(4)分类号：U4关键词：现场总线 测试系统
总线测试 篇3
关键词:FPGA;PCI;遥测系统
中图分类号:TD455.1文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0004-03
遥测技术是指对被测对象的某些参数进行远距离测量,并传送到接受点的一种测量技术。遥测系统在大型核心飞行试验中是不可缺少的重要组成部分,遥测系统用于获取飞行试验中被测系统的工作状态参数和环境数据,为确定被测系统的性能或进行故障分析提供依据。数字量变换器作为遥测系统被测系统的核心,它的主要功能是控制接收被测系统各种飞行参数。数字量变换器的可靠性是影响遥测结果的核心环节,其精度关系到被测系统研制和实验过程中的实验数据可信度,其性能关系到实验的成败。如何准确、客观、高效地评价数字量遥测变换器的性能,是数字量变换器生产中的重要环节。
课题所研制的数字量变换器测试台用于数字量变换器的单机测试,可以广泛应用于被测系统研制、生产过程中数字量变换器的测试与控制。本测试装置属于自动测试系统(ATS)的范畴,它的使用,将改变数字量遥测变换器传统的手工测试方法,使其生产、应用中的测试实现自动化,必将提高数字量遥测变换器的生产水平和质量,增进遥测系统的联试水平,降低生产和试验成本。
1 系统的整体硬件电路设计
数字量测试台实现的模拟测试信号包括激光惯组脉冲、勤务信号、计算机字。数字量变换器测试台要实现课题任务中的所有功能,必须产生各个功能模块的控制信号,这个系统具有复杂的时序,设计中选用FPGA作为逻辑控制器就得到了很好的效果,同时FPGA的可编程逻辑特性能够简化硬件电路设计,提高系统的可靠性与稳定性。
FPGA具有小批量,低投入,高性能,高密度,开发周期短等诸多优点,使国内更多的工程师们乐于采用。由于不需要任何投片费用,也不需要建立任何生产线,因此,采用FPGA所需的投资远远低于ASIC的投资。据估计,引进一套先进的FPGA自顶向下设计工具所需费用还不到ASIC所需的1/10,而大力推广先进的FPGA设计方法,既可以降低诸多产业投资成本,也可培养自顶向下的设计人才,从而为将来国内ASIC产业的快速、健康发展打下坚实的基础[1][2]。硬件结构见图1。
1.1 核心控制部分
FPGA采用XILINX公司的XC2S200E,XC2S200E是低电压(3.3 V和1.8 V)供电,含有5 292个逻辑单元,高达150 000个门电路,它内部有丰富的门阵列资源,56 kbits的RAM缓冲器,通过在FPGA中编写硬件逻辑,来实现数字量指令的发送和信号。除此之外,数字量变换器测试台系统中,FPGA的另一功能是实现PCI总线和本地总线的通信功能。
1.2 数字量测试台的的通信方式
上位机与硬件电路的通信采用PCI总线的通信方式。PCI的含义为周边设备互连(Peripheral Computer Interconnect),是一种高带宽、即插即用(PnP)的总线协议,它被用来满足当今高性能PC机和工作站以及它们的高带宽应用。PCI数字卡中接口芯片选用的是PLX公司的PCI9054这一款芯片。该芯片是32位、33 MHz的通用PCI总线控制器专用芯片。它符合PCI总线规范2.2版,突发传输速率达到132 MB/S。PCI9054内部有6个可编程的FIFO,以实现零等待突发传输及局部总线和总线之间的异步操作。
本课题选用PCI9054的工作方式为C模式,数据传输模式为PCI Target(PCI从模式)。
2 FPGA内部系统各功能模块的实现
2.1 激光惯组脉冲信号
激光惯组脉冲信号输出为16路,分为单数路和偶数路,单数路和偶数路分别采用两个不同的信号源;脉冲信号的频率可以选定10 K~256 K,至少20分档,包括256 K这个频率;脉冲信号的个数可以按组发出,每组的个数可以预定,并不小于224。图2为激光惯组脉冲模拟源实现原理图。
片选译码模块:FPGA和PCI9054连接的数据总线宽度为16位,高8位数据作为各模块的片选译码信号,低8位数据作为模块中实现功能的有效数据。
频率大小模块:这个模块是实现惯组脉冲的频率范围选择,利用晶振源clk(2.048M)分频得到,定义惯组脉冲输出的频率大小为f(10 K≤f≤256 K),分频数为N,则8≤N=2.048 M/f≤204.8,上位机发送一个8位的二进制数(低8位数据),记为分频数,在写信号的边沿触发下写入模块寄存器中,换算成十进制数的范围为0～255,由上面换算可知可以实现10 K～256 K的任意分频,也就满足任务中10 K～256 K的20分档。但是,当分频数是小数时会存在微小误差,因此20分档频率尽可能取分频数是整数的脉冲通道模块:这个模块实现了惯组脉冲通道位的选择,低8位数据的每位控制一个通道,输出端与门相连,为‘1’时通道打开,为‘0’时通道关闭。
脉冲计数模块:这个模块主要实现对频率大小模块中输出的的脉冲频率进行计数。要求每路脉冲的个数不小于224,在设计中基数用32位,所以最多可以实现232个脉冲数。32位数据由低8位数据端分开4次输入脉冲计数模块中的32位寄存器,低位在前,高位在后,片选3-6为32位寄存器每8位的片选信号。
2.2 计算机字信号
输出3种模式的计算机字:一种是固定数码,即发送17个字节,为01、23、45、67、89、AB、CD、EF、0F、10、21、32、43、54、65、76、87;第二种是采用数字量变换器测试台输出的计算机字信号的第一路(特征码)可按规律变化,即136位计算机字当中最高的8位变化是在00H-FFH范围每帧加1;第三种是数字量变换器测试台按照00、33、55、FF的规律每10帧输出一种字形的计算机字,循环发出。图3为计算机字模块实现原理图。
时钟复制模块完成了遥测请求信号和移位脉冲的逻辑复制工作,使每个遥测请求信号和移位脉冲信号输入到一个8位移位寄存器;计算机字控制模块主要实现3种计算机字模式的切换,计算机字模式选择控制位为‘1’时代表计算机字模式切换使能,具体模式由数据端Din输入的低两位决定,Din(1∶0)=01时,为计算机字模式1;Din(1∶0)=11时,为计算机字模式2,Din(1∶0)=10时,为计算机字模式3,在遥测请求信号的边沿触发下,写入计算机模式;片选位为‘1’时,代表固定数据下载使能,依次写入136位数据。
2.3 勤务信号
勤务信号分为帧同步信号、路同步信号、码同步信号,上电后自动循环发出,用于数字量变换器数据的采集和传输,并且路同步信号作为计算机字移位脉冲信号。帧同步信号脉宽12.207 us,频率为40 Hz。路同步信号频率为20.48 KHz,占空比为50%。码同步信号频率为163.84 KHz,占空比为50%。帧、路、码同步信号在FPGA内具体实现方法见图4。
首先利用40M(0.025 us)的晶振244分频后得到周期为6.10 us的方波信号(fclk)(与码同步的有效时钟周期6.1035 us相比,在误差范围内)。设定count为13位的计数器,系统上电或复位后,计数器清零。Fclk作为count的自加计数时钟,当count自加到1000000000010(十进制数为4098)时清零,经历的时间t为25 ms(6.10us*4098),实现了一帧的时间。当count的低两位小于等于10时,帧同步信号(frame)置‘1’,否则置‘0’,则帧同步信号的脉宽为6.10us*2=12.20 us;当count的第4、3位为10时,使fclk赋值给码同步信号(code),其他情况为‘0’,码同步信号一个周期的计算公式为6.10 us*32=195.2;路同步信号(Rode)由计数器的第二位赋值得到,所以一个周期为6.10 us*8=48.8 us,实现了帧、路、码同步信号的输出。
3 结束语
本文根据测试系统要求,结合系统设计原则,将系统设计细化为各子功能模块,简化了系统设计,反应了层次化的设计思想,体现了模块化的设计原则,很好的完成了数字量变换器测试台的各功能模块,下面是对各功能模块的VHDL仿真结果。
Implementation of Multi-channel Data Acquisition System
Based on FPGA and UART Interface
Ma Xudong,Wang Wenjie
Abstract: To meet the need of rapid、distant、serial transmission and real-time storage for the received data, develop a multi-channel data acquisition system based on FPGA and UART Interface. Using FPGA we realize data acquisition module、selecting the channel of Analog Signal and parallel-to-serial converter withDigital Signal, and so on; And using RS-422 Interface realize long distance and serial transmission for Digital Signal.The function simulation results and actual measurement prove the correctness of the design.
CAN总线测试自动化研究 篇4
CAN是Controller Area Network的缩写 (以下称为CAN) , 是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中, 出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求, 各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同, 由多条总线构成的情况很多, 线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN, 进行大量数据的高速通信”的需要, 1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后, CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化, 在欧洲已是汽车网络的标准协议。
CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议, 它是一种多主总线, 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能, 可完成对通信数据的成帧处理, 包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码, 而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制, 数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成, 因此可以定义2或2个以上不同的数据块, 这种按数据块编码的方式, 还可使不同的节点同时接收到相同的数据, 这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节, 可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时, 8个字节不会占用总线时间过长, 从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能, 保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计, 特别适合工业过程监控设备的互连, 因此, 越来越受到工业界的重视, 并已公认为最有前途的现场总线之一。
1、CAN总线测试
1.1 CAN总线测试介绍
CAN总线信号实质上就是电平信号, 电平信号的好坏决定着CAN总线信号的稳定性和抗干扰能力。因此针对CAN总线的物理层即电平信号特性进行测试;需要测试电平信号的显隐性电平的电压、电平信号上升下降的斜率、电平信号的位时间等进行测试。作为CAN总线信号的发送和接收者电控单元也需要对其进行物理层的测试验证。因为电控单元的一些内部特性决定他发出的信号的电平特性和抗干扰能力;所以要测试电控单元的终端电阻、电控单元的耐高低压测试、CAN总线故障测试和抗发动机启动电压波动测试。
电控单元的功能实现, 需要CAN总线数据的交互;因此需要对CAN总线信号传输的通信层和数据链路层进行测试。在通信层和数据链路层测试中, 主要关注信号的采样点测试、报文长度、报文周期、总线负载率和非预期帧接收的测试。这些测试可以保证电控单元数据发送和接收准确性。
1.2 CAN总线物理层测试
CAN总线物理层测试项如表1所示。
CANoe:用来模拟除DUT外其它节点发送和接收报文;记录监测总线报文;对DUT进行ACK应答。
CAN示波器:具有CAN/LIN译码功能;CAN_H/CAN_L单通道输入或者CAN_H/CAN_L采用差分探头差分输入;KL15/IGN接入单通道输入。
注:本文所提到示波器推荐采用CANscope, 也可采用外置示波器。
Powersupply:程控电源, 通过PC可控模拟不同供电电压。
根据CAN总线物理层测试项的需求, 测试连接图如图1:
R1R2:选配型终端电阻120Ω。对于终端型DUT, 需选配R1或R2;对于非终端型DUT, 需同时配置R1与R2。
测试评判标准如表2所示:
1.3 CAN数据链路层和通信层测试
CAN数据链路层和通信层项如表3所示:
根据CAN总线物理层测试项的需求, 测试连接图如图2:
CANoe:用来模拟除DUT外其它节点发送和接收报文;记录监测总线报文;对DUT进行ACK应答。
CAN Stress (DR) :模拟总线物理干扰。
CAN示波器:具有CAN/LIN译码功能;CAN_H/CAN_L单通道输入或者CAN_H/CAN_L采用差分探头差分输入;KL15/IGN接入单通道输入。
Powersupply:程控电源, 通过PC可控模拟不同供电电压。
R1R2:选配型终端电阻120Ω。对于终端型DUT, 需选配R1或R2;对于非终端型DUT, 需同时配置R1与R2。
测试评判标准如表4所示:
2、CAN总线测试自动化实现
2.1 CAN总线测试硬件组成
CAN总线测试自动化的实现, 需要搭建自动化测试机柜;机柜设计包括机柜的结构布置设计和内部走线设计, 具体设计需求如下:
机柜具有空气开关, 紧急制动开关等安全操控按钮;
分层安装电源控制模块、显示器、程控电源、高精度网络示波器、CANstress DR、CAN-LIN外围电路模拟模块、抽屉、程控万用表、工控机;
电源管理模块
用于控制测试系统的整体供电, 可以控制电源的通断, 同时具备短路保护和紧急制动功能。PDU电源模块有防止突然断电或短路等而损坏设备的自我保护能力;有独立开关实现启动和关闭。
电源管理模块输入为220V标准电压, 内部集成了12V电压转换模块, 直接给CAN-LIN外围电路模拟模块供电, 另再分出一路电源, 给程控电源供电。
网络测试系统内部电源走线设计的示意图如如下:
程控电源
程控电源可以通过GPIB接口与测试主机相连, 由软件程序直接控制其输出, 给被测节点供电和给测试台架系统提供电源输入, 参数如下:
输出电压:0~80V;
输出电流:0~100A;
尺寸为标准19寸/1U上架形式, 无需设计面板和插箱;
电源输出电压可通过功能测试系统自动进行控制, 也可手动实现电压调节;
具备USB程控接口;
型号:Agilent6700B (基础模块) +N6752A (电压模块)
该型号程控电源的优势为多模块电源, 最多支持4模块输出, 且恒流源与电压源之间可以任意切换, 以实现11898-2中的测试项。程控电源示意如下图所示:
电源控制原理示意图如下图所示:
高精网络示波器
主要实现对CAN信号输出特性的精确捕捉、测量及分析, 控制主机可通过示波器程控接口支持CAN网络的物理层测试。功能要求:
差分探头, 具有常规示波器的功能;
频带宽度:100MHZ;
采样率:4GSa/S;
具备CAN/LIN信号采集分析能力;
可同时测量两路不同速率的CAN信号;
测量时自动获取波特率;
具备4个测量通道;
具备USB程控接口;
型号:Agilent MSO-X 3014A。
CANstress DR
CANstress DR主要实现对CAN网络的物理属性和逻辑电位进行干扰, 将其直接串连到CAN网络中, 通过CANoe编程实现各种触发条件与干扰逻辑控制, 包括:
线间短路, 线/电源 (地) 短路, 断路;
位错误的模拟;
通过破坏CAN报文特定的位域, 对节点有目的施加干扰;
VN1600产品系列是Vector公司最新CAN/LIN总线测试产品。其中本项目中使用的VN1640带有4路CAN/LIN接口, 且CAN/LIN接口可随意配置。CANoe软件具有以下实用测试功能:
支持dbc/ldf等文件格式的网络数据文件;
支持节点的仿真;
支持CAN、LIN各类数据格式 (如:.asc) 的回放功能, 在Configuration Setting界面中修改Animation Factor可以改变回放速度;
回放数据最大可达10G;
当存储数据量大于2G时, CANoe会将此log文件另存;
支持回放快、慢的自由设置功能;
测试用例运行过程中, 测试可暂停;在取消暂停功能后, 测试能继续运行;
接口面板
测试台架线束与功能测试系统机柜的接口端子, 覆盖各被测ECU的I/O、总线以及电源引脚, 不同ECU的线束通过不同的接口连接, 方便灵活测试。
工控机
工控机用于运行软件环境, 开发和管理整个测试项目。工控机相关参数如下:
4U高度, 能够安装于标准19寸机柜;
可锁前门, 防止未经许可的访问;
双核2.8G/内存2G/硬盘500G;
具备至少8个USB2.0接口, 1个COM接口以及TCP/IP接口、5个PIC接口;
针对以上技术要求, 选用研华 (Advantech) 4U上架式机箱, 如下图10所示:
走线设计
机柜内部走线指机柜各层之间信号交联。
对于机柜内部走线采用端子排和连接器配合导轨及线槽实现暗藏式走线, 其示意图如下:
自动测试板卡
测试插箱的内部为5块控制板卡及1块预留的16通道I/O板卡组成 (均为Hirain根据11898协议要求研发, 并已在其他项目中验证应用) , 各个板卡的功能是采用NI-6509来实现的。控制板卡提供如下功能:
控制:控制板整体控制整个机柜的电源及控制信号, 通过对继电器矩阵的控制实现对3路CAN通道, 2路LIN通道, 实现CANH (LIN) 、CANL、GND、Power Supply、Wake Up Line等的控制;
故障注入:可实现CAN_H/CAN_L对Vbat/GND的短路, CAN_H对CAN_L断路, CAN_H/CAN_L断路等网络故障注入功能;
预留IO输入输出控制端口:共12路可灵活配置的IO端口, 例如:可灵活配置3.3V、5V、12V、24 V输出;
数字万用表
数字万用表用于测试过程中测试电压、电阻及电流等值。万用表相关参数如下:
7.5位分辨率可进行高灵敏度的DCV和电阻测量:100p V和100 n
内置低噪声双通道扫描仪;
采用SPRT探头进行温度测量, 精度高达0.003℃;
数字万用表示意图如下所示:
2.2 CAN总线测试执行
根据硬件构成搭建的测试机柜如下图15所示:
根据CAN总线测试需求, 程控电源、CANoe、示波器、数字万用表、CAN外围板卡和CANStress有效的集成在测试机柜中。示波器用来测试监控电控单元电平信号的显隐性电压, 电平信号跳变的上升下降斜率和信号位时间。程控电源用来控制电控单元的供电, 可以实现高低压通信的测试, 并且配合CAN外围板卡, 实现CAN总线故障测试。数字万用表用来测试电控单元的终端电阻。CANStress是总线干扰仪, 实现对CAN总线的干扰busoff测试, 并测试CAN总线的采样点。CANoe是CAN总线的监测、仿真、测试工具;对总线报文时间周期、报文长度等测试;仿真总线报文对电控单元测试非预期帧和预期帧的反馈。
程控电源、示波器、数字万用表、CAN外围板卡和CANStress可以开放外围调用程序;CANoe具有调用其他端口和设备的功能, 在CANoe自带的编程软件CAPL中将这些设备的调用库函数进行声明;就可以进行调用。用CAPL编写测试评判标准, 然后采集这些设备测试数据, 进行测试验证。
将程控电源、示波器、数字万用表等设备的调用函数生成为CANoe识别的.cin文件, 在测试主程序当中对设备库函数进行声明。函数声明如图16:
先将采集标志位清零, 然后接收程控电源、示波器、数字万用表等设备的测试数据。上升斜率数据采集如图17:
将测试数据与评判标准进行对比, 如果符合就输出通过, 并上传通过数据;如果失败就输出错误, 上传错误数据;在测试报告中打印这些结果和测试数据;最后将测试数据和测试条件等标志位清空。上升斜率测试数据评判如图18:
3、CAN总线测试自动化结果
3.1 物理层测试结果
将CANoe CAPL软件上传的测试结果和测试数据添加到测试报告中, 形成物理层测试报告。其中的一部分测试数据如表五, 其中显性电压测试截图如图19:
3.2 数据链路层和通信层测试结果
数据链路层和通信层测试项主要通过CANoe测试完成的, CANoe直接把采集到得数据记录下来, 并填写到测试报告中。其中的一部分测试报告如表6。
4、结论
本论文通过对CAN总线的介绍, 引入对CAN总线测试方法和测试标准的介绍。结合测试方法和用到的测试工具;本文详细阐述了一种通过CANoe测试工具, 对其他CAN总线测试工具的调用和管理, 达到测试数据的采集和评判;实现CAN总线物理层、数据链路层和通信层自动化测试的方法。
本文介绍的这种CAN总线自动化测试方法, 实现了总线测试的平台化;大大节省了总线测试时间, 缩短了总线开发周期;有效的推进了整车项目进度。
参考文献
[1]王立萍.CAN网络在汽车控制方法的应用[J].工业仪表与自动化装置, 2009 (5) :77—79.
[2]梁锐.NI软硬件平台在汽车ECU开发和测试中的应用[J].世界电子元器件, 2007 (12) :61—63.
[3]ISO 11898-1, Road vehicles-Controller area network (CAN) -Part1:Data link layer and physical signaling.
[4]ISO 11898-2, Road vehicles-Controller area network (CAN) -Part2:High-speed medium access unit.
总线测试 篇5
MIL-STD-1553B标准是美国军方专门为航空设备制定的,用于设备间传输数据的协议。1553B数据总线是符合美军标MIL-STD-1553B标准规定传输协议数据传输总线的总称。1553B数据总线具有设备之间连接简单灵活,双向输出,实时传输,噪声容限高和通信高可靠等特点,自20世纪90年代以来,国际上广泛应用在当代的运输机、民用客机以及军用飞机上,在航天系统也得到了广泛应用[1]。1553B数据总线用电缆是符合美军标MIL-STD-1553B数据总线的性能要求,可在恶劣的环境中提供高可靠性传输,特别适用于航空、电子等领域苛刻环境下的信号传输。1553B数据总线用电缆的使用频率在1MHz左右,具有电气性能可靠、耐高低温、耐老化、抗辐照、抗腐蚀、阻燃、外径小、重量轻和卓越的机械韧性等特点。通信电缆从结构上一般可分为同轴电缆、屏蔽双绞电缆和复合电缆等[2]。1553B数据总线用电缆属于屏蔽双绞对称电缆,其通常采用XETFE(交联乙烯—四氧乙烯)绝缘及护套,缆芯由两根对称的绝缘线芯绞合而成,外面编织一层屏蔽层,最后挤出护套予以保护,结构如图1所示。
无论是对称电缆还是同轴电缆,特性阻抗都是重要传输参数之一。当电缆的特性阻抗与线路负载阻抗不匹配时,负载无法完全吸收电缆传输的全部能量,这部分能量会返回线路,形成反射波而引起能量损耗的增加。同时,反射波还将引起信号的失真,并加剧回路间的干扰。仅当终端的负载阻抗与线路的特性阻抗完全相等时,反射波为零,能量全部被负载吸收,这样的线路称为匹配线路。通信电缆的设计理论都是基于均匀匹配线路,因此准确检测一根成品电缆的特性阻抗非常重要。当电缆无限长,特性阻抗是电磁波沿着无反射情况下的均匀回路传输时所遇到的阻抗,是电缆电导率、电容以及阻值组合后的综合特性[3]。线路终端阻值匹配时,特性阻抗是线路内任一点的电压U和电流I的比值,其计算公式为:
图2示出了1553B数据总线用电缆的阻抗—频率特性曲线,可见,电缆阻抗受频率的影响较大,随着频率上升,阻抗下降。
2 阻抗测试方法
虽然目前针对1553B数据总线用电缆阻抗的测试方法有多种(主要是适用于对称电缆的特性阻抗测试方法),包括单端开、短路阻抗测试法,电容和电感测试法,传输速率测试法,终端匹配测试法等,但每种测试方法都没有从根本上给出十分严格的适用范围或定义,且都存在不同的测试误差。下面将对不同阻抗测试方法的基本原理和适用范围进行介绍和对比,以期找到适用于1553B数据总线用电缆阻抗的测试方法。
2.1 单端开、短路阻抗测试法
单端开、短路阻抗测试法简称开、短路法,带平衡变量器的单端开、短路阻抗测试法是特性阻抗的基准测试法,其测试原理是特性阻抗是开路和短路测量值乘积的集合平均值:
式中Zc为复数特性阻抗,假定线对是均匀的或与结构无关;Zoc为开路时的复数阻抗;Zsc为短路时的复数阻抗。
单端开、短路阻抗测试法是通过网络分析仪(连同S参数单元)或其他阻抗仪表取得测试数据。网络分析仪S参数单元从入射信号中分离出反射信号,其关键元件为反射桥。平衡变量器应具有适当的频率单位和阻抗(从50Ω到100Ω,对应于50Ω设备和100Ω线对),且与被测线对有相同的平衡度,以利于平衡状态下对称线对的测量。三种终端状态(开路、短路和标称阻抗负载)分别用于不同的开路、短路或终端测量[4]。采用单端开、短路阻抗法测试时,平衡变量器在不接电缆线对进行开路、短路和终端三步校准后,网络分析仪可直接测量出电缆线对的复反射系数(即S参数),并按照下式计算出被测复数阻抗(开路、短路):
式中Zmeas为被测复数阻抗(开路、短路),ZR为在校准时所用的基准阻抗(电阻),S11为被测复数反射系数。将测量得到的开路及短路状态下得复数阻抗通过式(2)计算得出最终检测结果。
在单端开、短路阻抗测试法中试样准备时,为使端部效应最小,试样线对的护套剥除长度≤40mm,屏蔽剥除长度≤25 mm,芯线绝缘剥除长度≤8mm,线对松开扭绞长度≤13mm,试样长度应在100m以上。此外,只有当试样端两个方向测试结果均通过时,才认为试样检验合格。
单端开、短路阻抗测试法是对称通信电缆特性阻抗基准测试方法(详见标准YD/T 1019—2001附录B和YD/T 838.1附录A),其它方法设备原理校准时均以此方法为基准,其充分考虑到特性阻抗是一种矢量,通过校准电阻及测试复反射系数,直接计算得到开路或短路下的复数阻抗。单端开、短路阻抗测试法直接测量复反射系数,可以直接反映出电缆内部阻抗均匀情况及线路匹配情况,当对称电缆存在影响阻抗的结构缺陷时,测量得到的复反射系数有明显突变,同时该方法没有简化高频下较小的实数部分,使检测结果无论在高频或低频情况下都同样准确,更适合1553B数据总线这类使用频率不是很高(1 MHz)的对称电缆。
2.2 电容和电感测试法
电容和电感测试法的测试原理是在高频(频率大于30kHz)时,ωL远大于R,ωC远大于G,因此特性阻抗的计算公式(1)可简化为:
由于测试频率越高,上式的计算结果越接近真实值,而相对其他常用对称电缆超过100 MHz的使用频率,1553B数据总线用电缆的使用频率仅为1 MHz,因此使用基于简化公式的电容和电感测试法测试1553B数据总线用电缆阻抗时准确度不高,不推荐选用。
2.3 传输速率测试法
传输速率测试法也称为相移法或谐振法,按照GB/T 17737.1—2000《射频电缆第1部分:总规范———总则、定义、要求和实验方法》中规定的,先采用电容表或电容电桥来测出试样总电容C,再利用网络分析仪测得电缆谐振频率差Δf,最后计算出特性阻抗[5]。采用的电容表或电容电桥应符合GB/T17737.1—2000中11.3条的规定。测量电气长度的试验电路应符合GB/T 17737.1—2000中11.10条的规定。样品长度应符合GJB 973A—2004《柔软和半硬射频电缆通用规范》中的4.7.8条的规定[6]。通常采用传输速率法测试时,先测量电缆在200 MHz频率下相位变化360°所对应得的频率变化Δf′,反推电缆在1 MHz频率下的相位变化量Δf,再计算电缆在1 MHz频率下的电气传输速度v,通过测量电缆的总电容C,计算电缆在1 MHz下特性阻抗Z0,Z0=333 563/(vC),以及平均特性阻抗Z∞,Z∞=1 000/(ΔfC)。
通常情况下对称通信线路在频率大于30kHz时,电磁波传输速度大约为2×108m/s,由公式v=fλ可计算出,在电缆中传输的1 MHz频率电磁波的波长大约为200m左右,而一般阻抗测试时的试样电缆长度仅为100m。相位变化量即相移常数,表示电磁波传输单位长度上的相移,而交流信号每经过一个波长λ,其相移为2π,当试样电缆长度小于波长λ时,试样电缆上无完整波长的电磁波,矢量网络分析仪无法准确分辨完整波长λ,造成时延差测试结果不停跳动且变化很大,无法得到准确结果。因此,传输速率法测试频率必须在200MHz及以上(此时波长λ远小于试样长度,得到结果较为准确)。采用传输速率法测量使用频率在1 MHz的1553B数据总线用电缆阻抗时,电缆相位变化量或电气传输速度不能由试验直接测量得出,只能人为推算,这可能出现偏差,同时被测电缆因自身结构也会导致在1~200MHz频段的相位变化量或电气传输速度不成线性关系,从而造成测量误差较大。因此,不建议作为1553B数据总线用电缆阻抗的测试方法。
2.4 终端匹配测试法
终端匹配测试法也称为平衡变量器(BALUN)的单端阻抗匹配阻抗法,该测试方法基本与单端开、短路阻抗测试法相同,主要采用基于频域扫描法的前向S11(或后向S22)反射测试,仅在测试时在电缆末端连接一个精密匹配负载,使其可直接测得阻抗值,但这也引入了可能因电缆末端失配而导致的阻抗波动。因此,与单端开、短路阻抗测试法相比,该方法测试结果的波动较大,权威性较差,不推荐选用此方法测试1553B数据总线用电缆的阻抗。
3 阻抗测试实例
根据上述对多种1553B数据总线用电缆阻抗的测试方法(单端开、短路阻抗测试法,电容和电感测试法,传输速率测试法,终端匹配测试法)基本原理和适用范围介绍和对比,我们认为单端开、短路阻抗测试法较为适合1553B数据总线用电缆阻抗的测试。为了进一步了解该测试方法的合理性,我们采用单端开、短路阻抗测试法和较常用的传输速率测试法进行了1553B数据总线用电缆的阻抗对比测试。
分别采用单端开、短路阻抗测试法和传输速率测试法对同一根1553B数据总线用试样电缆进行DC~3.4 MHz的多频点阻抗测试,测试设备为网络分析仪,测试结果如图3a)所示,可见:a.在DC~3.4 MHz频段内单端开、短路阻抗测试法测得的电缆阻抗曲线波动较小,波动区间在74~79Ω之间,且随频率的增加,特性阻抗有逐渐减小的趋势。这是由于频率越低,电缆导体直流电阻R和旁路电导G的值越大,且在某些频率下特性阻抗表现为容性(电容为主),某些频率下表现为感性(电感为主),而形成较小的波动;随着频率的增加,R、G值对整个特性阻抗产生的影响越来越小,电缆电感L逐渐降低(但降低幅度很小),电缆电容C不随频率变化,使得电缆整体特性阻抗随频率升高略有下降并在某一值上下波动,因此单端开、短路阻抗测试法测得的电缆阻抗曲线非常符合特性阻抗理论值分布趋势。b.在整个测试频率下,传输速率测试法测得的电缆阻抗曲线波动较大,波动区间在84~72Ω,且曲线突变点较多,总体呈现随频率增加而下降的趋势。
造成图3a)中传输速率测试法阻抗曲线波动较大、突变点较多的原因有可能是电缆内部阻抗不均匀或测试结果不准确。为了确认是否是电缆本身质量问题,我们分别采用单端开、短路阻抗测试法和传输速率测试法再次对上述同一根1553B数据总线用试样电缆进行DC~300 MHz的多频点阻抗测试,测试结果如图3b)所示,可见,除去前端低频时特性阻抗测试结果,随着频率升高两种测试方法的阻抗测试结果差异越来越小,尤其在频率高于200 MHz时阻抗测试结果基本相同。这表明电缆本身不存在阻抗不均匀的问题,而是传输速率法在低频下检测结果不准确。传输速率法在低频(小于100 MHz)下的测试结果由于相位变化量或电气传输速度计算不准,检测结果不如开、短路法准确。在测试200MHz及以上频率时,两种方法的检测结果同样准确。因此,与传输速率测试法相比,单端开、短路阻抗测试法在低频下得到的结果与特性阻抗的理论值非常接近,较为准确,更适合1553B数据总线用电缆这类使用频率不是很高(1MHz)的对称电缆阻抗测试。
4 结论
本文通过对不同阻抗测试方法基本原理的分析,以及对不同阻抗测试方法测试结果的对比,认为对于对称结构且使用频率相对较低(1 MHz左右)的1553B数据总线电缆,单端开、短路测试方法尤为适用,测试过程较为简单,能够精确测量其特性阻抗,相对其他测试方法权威性更强。除此之外,由于单端开、短路法可直接测量复反射系数,因此其还能准确反映电缆结构缺陷,特别在电缆存在绝缘介质缺陷或导体断路、虚接时,复反射系数在缺陷处将会发生突变,使检测结果发生较大变化。
摘要：对于1553B数据总线用电缆,特性阻抗是重要技术指标之一。在规定的测试频率下,采用不同的特性阻抗测试方法,测试结果存在着一定的差异性。为满足单机设计要求,需要精准掌握1553B数据总线用电缆真实阻抗值,但目前国内尚无相关标准明确规定1553B数据总线电缆适用的特性阻抗测试方法。通过对不同测试方法 原理的剖析、测试结果的数据对比分析,确定了单端开、短路阻抗测试方法能够应用于1553B数据总线用电缆特性阻抗参数的准确测试。
总线测试 篇6
目前, 高速通信系统对传输线缆的物理特性的要求越来越高, 各种性能指标都会影响高速通信系统的传输质量和距离, 而损耗过大已成为高速系统传输距离的重要瓶颈。为提高信号的传输距离, 减少信号在传输线缆中的损耗, 必须通过实验研究, 分析影响损耗的主要因素, 从而降低线缆的插入损耗, 实现远距离的高速通信。本文对1394总线专用线缆插入损耗进行测试和分析, 总结出了影响损耗的关键因素, 并提出相应措施减少线缆的插入损耗。
1 IEEE-1394b协议线缆规范分析
IEEE 1394最初是由Apple (苹果) 公司提出的, 当时的目的是简化计算机的连线, 并为实时数字数据传输提供一个高速接口。最初Apple公司为其命名为FireWire (火线) 。1995年, IEEE (国际电气和电子工程师协会) 以FireWire技术为基础定义了IEEE1394-1995规范。 2002年, 对IEEE1394-1995规范进行了不断的完善, 确定IEEE-1394b, 其目标是用于传输多媒体数据, 其带宽、传输速度、距离等都有了大幅度提高。
1394b协议定义了电缆损耗和接收灵敏度等指标, 这些规范没有明确规定电缆长度, 在最坏的情况下, 传输信号随着线缆的长度增加而变弱, 最终导致线缆的损耗和延迟等指标不满足要求;在军事和航空航天器应用领域, 采用变压器来增加传输信号的强度, 但变压器具有内在的损失, 从而减少相应的最大传输距离;所以线缆最长距离规定为4.5m。
因此, 新一代航空电子系统对线缆的性能要求越来越高, 为了实现高速传输系统的高可靠性和高实时性, 1394b协议规定线缆必须具有四芯导线结构并且包括两组差分对传输线 (位于直角轴) , 线缆中两组差分对具有绝缘屏蔽层, 而且协议还明确要求线缆的指标如表1所示。
2 线缆插入损耗测试和分析
2.1 线缆插入损耗概念
插入损耗是指在传输系统的某处由于元器件的插入而发生的负载功率的损耗, 表示该元件或器件插入前的负载上所接收的功率和插入后同一负载上所接收的功率比。计算公式如下:
IL=-10log (Po/Pi) (1)
(1) 式中:Pi为输入到输入端口的功率, 单位为mw;Po为从输入端口接收到的功率, 单位为mw。
插入损耗主要包括信号的衰减和阻抗不连续;衰减是由于信号振幅随链路长度的增加而减少导致的, 线缆越长, 信号的频率越高, 则信号的衰减越大;阻抗不连续是由于线缆和连接器的安装工艺造成的, 工艺越差, 阻值就不匹配, 进而导致损耗增加;一般插入损耗与链路的长度、材质的好坏、温度以及阻抗是否连续相关, 这些因素都会使插入损耗增加。因此, 为减小高速传输系统的插入损耗, 必须对影响它的因素进行分析和研究, 提高系统的传输距离和可靠性。
2.2 线缆测试准备
线缆测试用于测试作为机载通信介质的线缆指标是否符合机载通信环境的基本要求。机载通信线缆采用四芯同轴电缆, 集成两对差分线, 提供1394信号传输的基本收发通路。
线缆测试采用具备非平衡差分变压器的网络分析仪 (满足250MHz) 。将线缆的一端剥开大约1/4 inch, 并裸露出金属 (图1) , 同时导线另外一侧保证线缆中各个信号线或信号线和屏蔽层之间无连接, 且所测试的线缆长度不得小于10ft (3.048m) 。
2.3 线缆测试方法
(1) 表2给出了被测线缆的长度要求。插入损耗测试是一项彻底的测试, 因此被测线缆的每一端都将连接到测试设备上。采用这种方式进行的大量线缆测试可以使得在线缆选择指导方面上的一些设想得到验证。
(2) 校准网络分析仪的频率范围, 使其包含250MHz。
(3) 将下面的差分对连接到网路分析仪:①蓝-橙-屏蔽;②红-绿-屏蔽;③被测线缆与网络分析仪接好后, 就可以测量在250MHz条件下插入损耗的分贝 (dB) 数。四芯导线结构中的两组差分对 (蓝/橙和红/绿) 必须进行独立测量;④分别测试在不同温度下, 两种不同型号线缆的插入损耗。
协议规定的失败标准:
对于使用有源变压器的系统, 在250MHz条件下, 只要每一个线缆测试长度下有一个测量值大于6.0dB, 那么测试失败。
对于使用无源变压器的系统, 在250MHz条件下, 只要每一个线缆测试长度下有一个测量值大于2.0dB, 那么测试失败。
2.4 测试结果分析
根据1394协议要求, 严格按照协议规定的测试流程进行测试, 记录结果如下:
根据测试结果, 得出结论:由于不同型号的线缆, 材质不同, 制作工艺等因素的影响, 线缆插入损耗不同;同一种型号的线缆, 随着长度的增加, 线缆的损耗也随之增加;由测试结果可以得出, 该线缆符合协议的要求, 18m的24#线缆的插入损耗是5.5657dB (小于6dB) ;23m的22#线缆的插入损耗是5.4533dB (小于6dB) 。
根据测试结果, 对比表3和表 4得出结论:由于测试温度的变化, 同种型号和同样长度线缆的插入损耗会变大;因此, 当工作温度升高时, 传输线缆的插入损耗变大, 信号经过线缆的有效传输距离变小。
3 结语
本文通过对IEEE-1394b协议及相关协议的理解和分析, 对1394总线专用线缆的插入损耗进行测试, 并对测试结果进行分析和判定:该线缆符合协议要求, 常温下, 规定长度以内线缆的插入损耗不大于6dB;并且随着线缆长度的增加, 插入损耗也在增加。因此, 对于不同材质的线缆, 插入损耗是不同的, 随之不同线缆可以传输的距离也是不同的;不同的用户可根据传输系统的要求, 选择符合要求的线缆, 满足传输系统的要求。
参考文献
[1]SAE-AS5643:IEEE-1394binterface requirements for military andaerospace vehicle applications[S].SAE Aerospace, REV.A, 2006.
[2]1394b:IEEE standard for a high performance serial bus-amendment2[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2002.
[3]AS5706:test plan/procedure for AS5643/1S400copper media in-terface characteristics over extended distances[S].2007.
总线测试 篇7
随着高速传输技术的发展, 新一代传输系统对总线的传输特性要求越来越高, IEEE-1394作为一种高性能串行总线标准, 非常适用于对总线传输、实时性、可靠性要求较高的高速通信系统。作为传输信息的载体, IEEE-1394总线传输介质包括屏蔽双绞线 (STP) 线缆、非屏蔽双绞线线缆、光纤等, 光纤作为1394总线的传输介质国内外正处于研制阶段, 还没有形成产品。本文针对屏蔽双绞线 (STP) 的应用指标需求, 分析了屏蔽双绞线的传输性能, 给出了线缆传输信号质量的测试方法并对给定型号的线缆进行信号质量测试, 最后根据测试结果提出了提高传输信号质量的具体措施。
1 IEEE-1394总线介绍
IEEE-1394总线 (以下简称总线) 是一种便于实时数字数据传输的一种高速串行总线, 由于其具有带宽高、速度快和管理灵活等优点, 已经成为工业控制领域的首要候选总线技术之一[1]。IEEE-1394总线亦称作FireWire (火线) , 于1995年由IEEE协会认定为IEEE 1394-1995技术规范, 全称为IEEE 1394高性能串行总线标准后来这个标准又分别于2000年和2002年被修订为IEEE Std 1394a-2000和IEEE Std 1394b-2002行总线数据传输的速度和距离提升到了更高的级别。
2 IEEE-1394总线传输信号质量参数及测试指标
测试传输信号质量是对信号参数的进行分析。测试的主要参数有:波特率、共模电压、差分电压、抖动和差分偏斜。在传输信号的过程中, 由于受温度、湿度、振动等恶劣环境的影响, 所以基于IEEE-1394总线协议和SAEAS5706指标, 明确提出了1394线缆的应用指标需求。高可靠性的军工电子产品的温度承受范围的要求为-55℃~125℃。表1是传输信号质量测试的主要参数指标。
2.1 测试设备
传输信号质量测试需要以下设备:1394信号质量分析仪, 主要用于测试传输信号的波特率、差分幅值、共模电压等, 符合1394b相关协议, 支持S400、S800模式, 可结合适当示波器、测试夹具, 进行传输信号质量的测试;数字采样示波器用于波形采集, 最小具有5GHz带宽, 支持20 GHz到50 GHz的直流示波器模式;台式计算机, 用于操作QP-SQT软件, 统计和保存测试结果。
2.2 测试原理
数字采样示波器通过线缆向信号质量测试仪发送触发信号, 信号质量测试仪受到触发后就向测试点板发送命令信号, 从而激励被测模块的物理层发送/接收信号[2]。数字示波器通过探针采集测试点板的传输信息, 再经过计算机处理测试信息。
测试过程中参考总线协议中的指标, 分析影响1394总线线缆传输信号质量的关键参数。为了更有针对性的测试, 设备参数也需要适当的设置, 示波器的带宽至少应该是要测信号最高开关频率的3倍或者是最快上升时间倒数的35%, 两者中选较大的。测试设备的连接如图1所示, 收发信号经过测试点板传递, 测试点板方便了信号的采集和数据的统计, 所以在这样的测试平台下, 计算机可以实时快捷地处理信息。
常温下, 可选择不同长度的线缆进行测试。同时测试点板可以用于近端测试和远端测试, 如图2所示, 选择TP1为近端测试, 选择TP2为远端测试。发送端信号质量测试选取近端测试, 接收端信号质量测试选取远端测试。
测试流程:示波器参数功能配置, 如选择单端测试或差分测试;信号质量测试仪的配置, 包括近端测试或远端测试, 速率, 端口等设定;近端测试或远端测试的设备连接;开始测试, 结合计算机处理测试数据, 整理测试报告。
2.3 测试结果及分析
在传输信号质量测试的过程中依据1394协议规范进行测试, 在接收端测试时, 分别选取10m、20m、30m的线缆, 测试结果如表2、表3所示。
根据上述结果可以看出:
(1) 在传输线缆长度小于4.5m时, 发送信号质量的近端测试与远端测试的结果基本一致, 如表3所示, 从而说明发送信号的质量几乎不受测试点板的影响, 保证信号的完整地发送, 完整地经过测试点板。
(2) 在不同长度线缆的测试中, 接收端信号质量的测试主要采用远端测试, 这样更能说明线缆长度对传输信号质量的影响。由表4可见, 在一定范围内线缆越长传输信号质量越差。
参考文献
[1]李鹏著.高速系统设计[M].李玉山等, 译.北京:电子工业出版社, 2009
总线测试 篇8
随着电子技术和计算机技术的突飞猛进, 测试系统出现了以总线技术为基础的自动化测试系统[1]。目前, PXI、EISA、PC104等总线被广泛应用在自动化测试系统中[2], PC104因为其体积小、成本低、兼容性好等优点, 被广泛地应用于商业、工业、航空以及军事等众多领域[3]。
目前, 我国的武器系统正处在快速发展的新阶段, 而保障其发挥优越性能的地测设备发展却相对滞后。某型武器综合测试系统自动化程度还不是很高, 且采用PC机进行测试, 整个测试系统体积庞大, 严重影响了部队的应急作战能力。因此, 本文针对测试需求, 构建了基于PC104总线的嵌入式系统结构, 并利用Microsoft Windows XP系统平台, 在Visual Studio 2010开发环境和.NET框架下, 设计了自动化测试系统, 该系统能够多种信号并发采集, 且满足实时性和精度的要求。
1 系统硬件总体设计
测试系统以基于PC104规范的工业控制计算机为核心[4], 选择符合系统精度要求的兼容采集卡并设计信号调理电路, 构成自动化测试平台。该测试系统硬件结构框图如图1所示。
PC104工控机采用AMD高性能、高集成、低功耗嵌入式专用CPU, 主频可达800 MHz, 在主板上固化有256 MB DDR2内存, 有双向并口、4个串口、2个USB口、IDE硬盘驱动器及PS/2键盘、鼠标接口。它采用工业级器件, 运用防静电及抗干扰电路, 保证了系统的稳定性和可靠性。
A/D转化模块采用西安亿浩电子科技有限公司生产的EAD1612, 其具有较高的共模抑制比和输入阻抗, 完全兼容PC104总线的微主控制器。A/D单端通道为16路, 差分通道为8路, 输入信号量程有 (±5 V, ±10 V, 0~20 V) 三档, 转换分辨率为12位。由于采集卡共模抑制比很大, 所以本系统选用了差分8路通道, 很好地减小了误差。
触摸屏有2条线与主板相连接, 一条与显示接口连接;另一条通过USB接口与触摸屏控制器相连进行触摸控制。触摸屏控制器采用支持4, 8线式的触控屏幕的USB接口的Pen Mount5126触摸屏控制板, 它的驱动程序支持全部的Microsoft操作系统平台, 具有非常好的兼容性和高度稳定性。
I/O模块采用EIO48, EIO48是基于PC104系统的3通道定时计数器48位DIO模块, 带3个中断源。在本系统中它主要应用于数字量输入/输出。
打印机选用HP1008型激光打印机, 其数据接口与PC104的USB口连接进行数据通信。
2 信号调理电路设计
综合测试系统主要完成对数据的采集, 一般由传感器、信号调理电路、A/D转化电路等几部分构成[5]。其中, 传感器的作用是将被测量转换成电信号, 然而, 其所产生的电信号通常不能直接输入微机, 必须经过调理才能被数据采集设备可靠的采集。因此, 信号调理电路是数据采集系统非常重要的组成部分, 其电路一般包括信号幅值变换、隔离、模拟滤波等。
2.1 电压信号调理电路设计
(1) 输入电路设计
为了避免信号调理电路的引入对测量结果产生较大影响, 往往需要调理电路中输入阻抗足够大。
(2) 幅值变换电路设计
EAD1612采集卡分辨率为12位, 其采集精度可达到m W级, 在信号的软件采集模块中将采集范围设置为-10~10 V。系统中的电压幅值在28 V左右, 需要经过调理电路的降压处理才可直接被采集卡采集。
(3) 滤波器的设计
一般情况下, 经传感器转换的电信号, 会受到传感器以及电路本身的影响, 而含有多种频率的噪声, 噪声对被测信号存在着严重的干扰, 在很大程度上影响着测试的可靠度。所以, 在设计数据采集系统时, 必须考虑到噪声对系统的影响, 在硬件上设计滤波器来除去测量信号中的噪声, 增强系统的抗干扰能力。
在实际测试中, 几乎所有的数据采集系统都会受到来自电源线的50 Hz噪声干扰。因此, 信号调理模块需要包含低通滤波器, 最大限度地剔除50 Hz噪声。本文采用二阶有源低通滤波器。电压信号调理电路原理图如图2所示。
2.2 电流信号调理电路设计
为了将模拟的电流信号转化为计算机可识别的数字信号需要先把电流信号转化为电压信号。具体到本系统, 需要将大小为400 m A左右的电流信号采集到计算机中。所以, 设计I/V转换电路如图3所示。
2.3 开关量信号抗干扰问题
在测试系统中, 需要使用继电器对一些开关进行控制, 而开关量具有数字电路中的开关性质, 因此, 将开关量信号经过光电耦合电路后被采集卡采集, 可以防止干扰信号进入系统。
3 系统软件总体设计
自动化测试软件是基于Windows XP操作系统, 在Visual Studio 2010开发环境和.NET框架下编写的面向对象的可视化应用程序, 其测试流程如图4所示。软件采用模块化设计, 综合测试主界面如图5所示。
主要功能有:
(1) 进行综合测试前, 系统自动对工控机、板卡、触摸屏等进行自检;
(2) 控制PC104工控机及板卡实时采集输出信号, 将采集值与理论基准值进行对比, 并判断各功能部件是否工作正常, 其测试数据表1所示。
(3) 实现数据的显示、存储、查询和打印功能。
3.1 多线程程序设计
自动化测试系统对实时性要求比较高, 需要在同一时间对多路电压进行监测, 而多线程技术可以满足测试的实时性。C#语言中, 对线程进行操作时, 主要用到Thread类, 该类位于System.Threading命名空间下。通过使用Thread类, 可以对线程进行创建、暂停、恢复等操作, 设计程序如下:
3.2 数据定时采集
在测试系统中, 合理数据采集的关键是是定时。在Windows窗体环境下, Timer控件可以定期引发事件, 从而实现对数据的定时采集。Timer控件概述见表2。
3.3 数据库程序设计
在测试完成后, 往往需要对测试数据和测试结果进行存储, 以便日后数据的查询。而数据库是存储和管理数据的仓库, 可以很方便地对数据进行管理, 本文中使用的是SQL Sever 2008数据库。在C#语言中, 可以通过编写SQL语句来查询、添加、更新和删除数据。
3.4 报表打印程序设计
水晶报表 (Crystal Reports) 是内置于Visual Studio开发环境中的一种报表设计工具, 它能够在.NET平台上创建复杂且专业的报表。本文中, 将水晶报表协同数据库一起工作, 可创建测试数据和测试结果报表, 而且设计好报表之后, 可以通过多种形式输出, 例如Word、Excel等。Windows应用程序中还提供了一组打印控件, 包括Page Setup Dialog、Print Dialog、Print Document、Print Preview Control和Print Previewdialog控件。在输出报表时, 可以直接使用这些控件控制打印文本的格式。
4 结语
本文介绍了一种基于PC104总线技术的综合测试系统, 采用了工控机、信号采集卡和I/O模块相结合的方式, 通过搭建硬件平台和软件平台的方式, 实现了对多路信号的实时采集、处理、存储等功能。结果表明, 该系统可靠性高、实时性好、界面简洁、操作简单。
参考文献
[1]秦红磊, 路辉, 郎荣玲.自动测试系统:硬件及软件技术[M].北京:高等教育出版社, 2007.
[2]王毅, 石志勇, 王怀光, 等.基于PC104总线的某随动系统自动测试设备设计[J].国外电子测量技术, 2011, 30 (7) :43-45.
[3]邓卫强, 卞树檀, 曾昌锦.PC/104通用外围接口电路设计[J].国外电子测量技术, 2006, 25 (4) :19-21.
[4]王昊鹏, 范惠林, 齐铎.基于PC104的电动投弹器检测系统电路设计与实现[J].电子设计工程, 2011, 19 (17) :179-182.
[5]黎琼, 温泉彻, 方大良.数据采集系统中通用信号调理电路的分析[J].湛江师范学院学报, 2006, 27 (3) :130-133.
总线测试 篇9
随着国内外工业计算机测控系统应用的迅速发展, 频率测试正被更多的应用到机械设备振动测量中, 同样, 正确而高效的振动频率测试的方法以及科学分析被测数据也越来越受到人们的重视, 现在如何能够更加实时、准确、快速地获取振动频率测试数据, 尤其是高速、高精度的机械振动频率测量对实现机械故障诊断分析具有非常重要的现实意义。
本文正是通过研究CAN-BUS总线技术应用的基础上, 通过利用多通道的数据采集结合使用FPGA技术, 并以计算机软硬件技术为基础, 综合实现机械设备的振动频率测试。
1、系统结构
1.1 工作原理
机械设备振动频率测试系统硬件主要由工业控制计算机、CAN总线接口卡、频率测量数据采集卡、频率测试软件等组成, 系统总原理框图见图1。工业控制计算机机箱内部装有CAN总线接口卡和频率测量数据采集卡。频率测量数据采集卡实现信号的输出和频率信号的采集。CAN总线接口卡实现和被测机械设备的通讯。频率测量数据采集卡实现信号的输出和信号的采集功能。
1.2 频率采集
频率测量数据采集卡硬件主要由FPGA、UART、D/A模块、信号处理电路和信号调理电路组成, 它主要实现频率测试和频率分析两个功能。频率测量数据采集原理方框图如图2所示。
2、CAN总线
2.1 概述
CAN-bus (Controller Area Network) 即控制器局域网, 是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先, CAN-bus被设计作为汽车环境中的微控制器通讯, 在车载各电子控制装置ECU之间交换信息, 形成汽车电子控制网络。比如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中, 均嵌入CAN控制装置。
CAN-bus是一种多主方式的串行通讯总线, 基本设计规范要求有高的位速率, 高抗电磁干扰性, 而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时, CAN-bus仍可提供高达5Kbps的数据传输速率。由于CAN串行通讯总线具有这些特性, 它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。
作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式, CAN-bus已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN-bus。例如, 在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域, CAN-bus都具有不可比拟的优越性。其主要特性表现为低成本的现场总线;极高的总线利用率;很远的数据传输距离 (长达10Km) ;高速的数据传输速率 (高达1Mbps) ;可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;可靠的错误处理和检错机制;发送的信息遭到破坏后, 可自动重发;节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;报文不包含源地址或目标地址, 仅用标志符来指示功能信息、优先级信息[1]。
2.2 CAN总线设计
本设计中采用凌华双通道CAN接口卡PCI7841, 其主要特征为:两个独立通道、支持CAN2.0A和CAN2.0B、有隔离保护、PCI总线、支持DOC、WIN-DOWS多个平台。
系统工作过程时CAN总线接口卡上电复位和初始化后, 等待工控机的命令和数据, 当工控机发出指令和数据时, 通知CAN总线接口卡, CAN卡将接收到得指令分两种方式处理, 一种是将指令作为数据写入DPRAM中, 并置位标志位, 与CAN节点建立联系, 然后由软件参与完成数据通信。另一种是根据指令将数据写入DPRAM中, 并置位标志位, 随后网络上的帧传送自动完成。当CAN卡完成一次通信后, 通知工控机, 可以是查询方式, 或者是中断方式。工控机取出数据存储后进行后续处理。
CAN 2.0规范包含CAN 2.0A与CAN 2.0B。CAN2.0A支持标准的11位标识符;CAN 2.0B同时支持标准的11位标识符和扩展的29位标识符。CAN 2.0规范的目的是为了在任何两个基于CAN-bus的仪器之间建立兼容性;规范定义了传输层, 并定义了CAN协议在周围各层当中所发挥的作用。一个CAN2.0A标准帧由11位ID、1位RTR、4位DLC、数据区 (最多8个字节) 组成。
CAN2.0B标准帧中CAN标准帧信息为11个字节, 包括两部分:信息和数据部分。前3个字节为信息部分。
字节1为帧信息。第7位 (FF) 表示帧格式, 在标准帧中, FF=0;第6位 (RTR) 表示帧的类型, RTR=0表示为数据帧, RTR=1表示为远程帧;DLC表示在数据帧时实际的数据长度。字节2、3为报文识别码, 11位有效。字节4~11为数据帧的实际数据, 远程帧时无效。
CAN2.0B扩展帧中CAN扩展帧信息为13个字节, 包括两部分, 信息和数据部分。前5个字节为信息部分字节1为帧信息。第7位 (FF) 表示帧格式, 在扩展帧中, FF=1;第6位 (RTR) 表示帧的类型, RTR=0表示为数据帧, RTR=1表示为远程帧;DLC表示在数据帧时实际数据长度。字节2~5为报文识别码, 其高29位有效。字节6~13为数据帧的实际数据, 远程帧时无效[1]。
3、软件设计
测试系统软件部分包括FPGA和计算机测试软件两部分。FPGA软件开发使用quartus II作为开发平台, 采用Verilog HDL语言开发。计算机测试软件选用Visual Basic开发, 它可以实现9个通道的振动频率测量显示功能。
3.1 FPGA设计
可以说, FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多, 在本程序设计中采用ALTERA公司的EPF10K10型号FPGA芯片。本文的频率测试方法是采用了等精度测频法[2], 利用FPGA实现等精度测频[3], FPGA将通过数据采集卡来完成频率测试和频率分析, FPGA软件控制部分流程图如图3所示。
用户启动计算机后, FPGA初始化, 之后等待计算机的控制信号。计算机发出“频率测试”指令后, FPGA测量频率信号, 将测量的数据传给计算机, 计算机进行处理并显示。计算机发送“频率分析”指令, 计算机定时发送指令到FPGA来改变扫频信号的频率, 扫频信号经过V-F转换后输出相应的TTL频率信号, 然后FP-GA测量输出的频率信号, 并将数据传给计算机, 计算机根据采集的数据反算出正弦波信号, 并将正弦波及其频率响应图显示出来。
3.2 测试软件
测试软件实现机械设备频率多通道自动测试。用户登录计算机启动程序后, 系统首先自检, 并进行初始化操作, 用户在自检初始化完成后, 判断电缆是否连接, 假如电缆没有连接或者连接错误则系统提示“电缆连接失败, 请重新连接测试电缆”, 如果已经连接则进入测量频率软件界面。
结束语
该机械设备振动频率测试系统软件实现了振动频率测试, 测试系统工作稳定可靠。由于采用了CAN总线设计及标准信号频率高的FPGA芯片, 所以即能满足频率测试的高精度要求又大大提高了频率测试的速度。结果表明该频率测试软件测试测试速度快且具有良好的通用性和可移植性, 对频率测量有同类要求的测试系统有较高的参考价值。
参考文献
[1]广州周立功单片机发展有限公司, CAN-bus现场总线基础方案 (通讯篇) , 2004年3月30http://www.zlgmcu.com
[2]包明, 赵明福, 郭建华.基于FPGA的高速精度频率测量的研究[J].单片机与嵌入式系统应用, 2003 (2) :134-137