摘要： 針對(duì)開放式通用ATS信號(hào)調(diào)理平臺(tái)進(jìn)行研究，提出了基于USB總線技術(shù)的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用Cypress公司推出的EZ-USB單片機(jī)中的AN2131QC芯片作為接口控制芯片，EZ-USB的軟配置特性可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的通用化，針對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象編制不同的固件程序，當(dāng)被測(cè)對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，可以通過加載不同的固件來滿足測(cè)試要求。針對(duì)復(fù)雜的信息控制與數(shù)據(jù)交換，采用了ALTERA公司推出的EPM7128SLC84芯片作為核心控制部分。系統(tǒng)具有可靠性高，可測(cè)試性好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：信號(hào)調(diào)理；EZUSB；CPLD
1、引言
USB（通用串行總線）是由Intel，Compaq，Digital，IBM，Microsoft，NEC，Northern Telecom等七家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的新一代總線接口標(biāo)準(zhǔn)。
作為一種PC機(jī)與外設(shè)之間的高速通訊接口，USB具有許多突出優(yōu)點(diǎn)：連接靈活，可熱插拔；最多可連接127個(gè)不同的外設(shè)；同時(shí)，具有傳輸速度高的優(yōu)點(diǎn)，USB1.1協(xié)議支持12Mb/s，USB2.0協(xié)議支持480Mb/s。另外，可以自動(dòng)配置，無需定位及運(yùn)行安裝程序，更無需在使用外設(shè)時(shí)重啟系統(tǒng)。USB總線可為外設(shè)提供電源，最高可達(dá)500ｍＡ，并具有低功耗、低成本、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
Cypress公司推出的帶有智能USB控制內(nèi)核的51系列單片機(jī)EZ-USB，在單一芯片上集成了USB和改進(jìn)的8051兩個(gè)內(nèi)核。具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，易于系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)。另外，EZ-USB的軟配置特性，即：外設(shè)的固件可以在設(shè)備枚舉時(shí)，從主機(jī)上下載到EZ-USB的RAM中進(jìn)行執(zhí)行。這個(gè)特性為開發(fā)者提供了方便，開發(fā)過程中，當(dāng)固件需要修改時(shí)，可以在PC機(jī)上修改然后下載到EZ-USB。本系統(tǒng)就是利用的EZ-USB軟配置特性，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的硬件可重用性，從而使系統(tǒng)達(dá)到通用化水平。
2、信號(hào)調(diào)理平臺(tái)概述
在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，很少把來自被測(cè)對(duì)象的待測(cè)信號(hào)直接接入測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生的噪聲干擾（包括傳感器、電纜串音及Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換等）都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量從而導(dǎo)致測(cè)試失敗，同時(shí)信號(hào)范圍必須控制在測(cè)試資源的量程之內(nèi)，以保護(hù)測(cè)試資源提高測(cè)試精度。總之，待測(cè)信號(hào)必須首先進(jìn)行調(diào)理才能進(jìn)行測(cè)量[1]。
信號(hào)調(diào)理平臺(tái)設(shè)計(jì)是構(gòu)建基于VXI/PXI總線技術(shù)ATS的重要環(huán)節(jié)，也是其硬件實(shí)現(xiàn)的首要任務(wù)。信號(hào)調(diào)理平臺(tái)是連接測(cè)試資源與被測(cè)對(duì)象的紐帶，其作用主要包括兩個(gè)方面：一是對(duì)來自被測(cè)對(duì)象的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接、隔離、分配以及必要的預(yù)處理，提供給測(cè)試資源一個(gè)干凈、穩(wěn)定、安全的待測(cè)信號(hào)；二是將電源信號(hào)、測(cè)試激勵(lì)信號(hào)分配給被測(cè)對(duì)象，可以按照測(cè)試需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連接與切換，并且保持與測(cè)試資源最大程度的兼容性。信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3、信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)
由圖1可以知道，通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)主要包括開關(guān)矩陣網(wǎng)絡(luò)和適配器兩個(gè)部分。在實(shí)現(xiàn)過程中，采用了從頂向下的設(shè)計(jì)思路，通過分析可知這兩個(gè)部分分別包括接口部分、控制實(shí)現(xiàn)部分和電源。接口部分都是由UZUSB作為核心芯片來實(shí)現(xiàn)，完成分系統(tǒng)與中心控制計(jì)算機(jī)之間的信息交互；控制部分是由CPLD作為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜控制與數(shù)據(jù)處理功能。電源就是為系統(tǒng)供電，系統(tǒng)所需電壓主要有+5V、±15V、+3.3V。
3.1接口部分實(shí)現(xiàn)
接口部分的結(jié)構(gòu)是一樣的，主要框圖如圖2所示。
圖2.接口框圖
EEPROM（該系統(tǒng)選擇24LC01B）主要存放設(shè)備的PID、VID數(shù)據(jù)，為了完成上電后設(shè)備的枚舉。
看門狗電路由MAX708實(shí)現(xiàn)，主要監(jiān)視單片機(jī)的電壓，一旦電壓發(fā)生異常，通過產(chǎn)生高電平使單片機(jī)復(fù)位。3.3V基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路由MAX882完成，用于電路中3.3V供電。
采用單片機(jī)的PA、PB輸入輸出口作為單片機(jī)與CPLD之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌�，由于PA、PB口自身帶有數(shù)據(jù)緩存器，所以器件之間可以直接連接。PC2作為外部中斷0的輸入端口使用，PC6、PC7作為寫信號(hào)、讀信號(hào)的控制輸出口使用。電路圖如圖3所示。
3.2控制部分
根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)功能，控制部分的結(jié)構(gòu)是不同的，作為開關(guān)矩陣模塊，其主要任務(wù)是完成對(duì)信號(hào)的分配；而信號(hào)調(diào)理模塊主要完成對(duì)信號(hào)的預(yù)處理。
3.2.1開關(guān)矩陣網(wǎng)絡(luò)
開關(guān)矩陣網(wǎng)絡(luò)組合是一個(gè)總線型繼電器網(wǎng)絡(luò)矩陣，其連接能力強(qiáng)大，可以利用測(cè)試軟件通過控
制模型實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣網(wǎng)絡(luò)的控制，達(dá)到測(cè)試資源的分配與重構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖4所示[2]。
圖4.開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
公共總線的數(shù)目n是由系統(tǒng)同時(shí)需要測(cè)量信號(hào)的路數(shù)決定，在一般的測(cè)試系統(tǒng)中，8路公共總線已經(jīng)足夠使用。連接到適配器的電纜數(shù)j是由被測(cè)對(duì)象測(cè)試過程中所需測(cè)量的最大路數(shù)決定。測(cè)試資源的路數(shù)k是由測(cè)試系統(tǒng)中資源的數(shù)目決定。通過對(duì)電纜線進(jìn)行定義，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)可以按照需要進(jìn)行擴(kuò)展。
本設(shè)計(jì)中，主要通過74LS273對(duì)IO進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)于連接測(cè)試資源端的寄存器和連接適配器端的寄存器分別進(jìn)行控制，即：兩者的控制通道是獨(dú)立的，從而提高系統(tǒng)可靠性。
3.2.2適配器
圖5.適配器電路結(jié)構(gòu)
適配器是完成信號(hào)變換、信號(hào)隔離和預(yù)處理功能的關(guān)鍵部分。主要包括控制單元和信號(hào)調(diào)理部分。
控制單元按照測(cè)試需要通過CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)適配器組合的控制，包括加電控制和測(cè)試控制。
信號(hào)調(diào)理單元總體上分為三個(gè)通道：數(shù)字信號(hào)調(diào)理通道、模擬信號(hào)調(diào)理通道和DA轉(zhuǎn)換通道。適配器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
（1）信號(hào)分配模塊
其完成兩個(gè)功能，一是對(duì)被測(cè)模擬、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分類，使其進(jìn)入對(duì)應(yīng)通道進(jìn)行預(yù)處理；二是對(duì)測(cè)試所需激勵(lì)信號(hào)按照需要進(jìn)行分配，加載到被測(cè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的輸入端。
該模塊主要由繼電器組合完成，其實(shí)現(xiàn)思想與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)基本相同，但比開關(guān)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單。
（2）模擬信號(hào)處理通道
模擬信號(hào)所占比重較大，所以對(duì)模擬信號(hào)的調(diào)理直接影響到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)功能的發(fā)揮。模擬信號(hào)處理的過程主要包括：隔離放大電路、模擬濾波電路、自動(dòng)增益控制電路、AD轉(zhuǎn)換電路。
①隔離放大電路[6]
測(cè)試集系統(tǒng)中不合適的接地是造成測(cè)量問題和儀器損壞的最普遍原因，對(duì)信號(hào)進(jìn)行電氣隔離可以防止這些問題的發(fā)生。隔離破壞了接地環(huán)路，避免了高的共模電壓，并且保護(hù)了價(jià)格不菲的測(cè)試儀器資源。
本系統(tǒng)采用了AD202作為隔離放大電路的核心。AD202是一種通用的、雙端口的變壓器耦合隔離放大器。作為一種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的隔離放大器，它能夠提供一整套隔離功能，包括信號(hào)隔離和電源隔離，而封裝卻十分緊湊。由于AD202是基于芯片內(nèi)部的變壓器耦合方式進(jìn)行隔離的，所以，它不需要提供外部的DC/DC變換器，大大降低了設(shè)計(jì)成本。
②模擬濾波電路
根據(jù)設(shè)計(jì)需要，針對(duì)不同的波段信號(hào)設(shè)計(jì)不同截止頻率的濾波器。本系統(tǒng)采用了一個(gè)六階巴特沃斯低通濾波器，如下圖6所示。
圖6.六階巴特沃斯低通濾波器
其截止頻率等于一、二、三級(jí)的自然角頻率。
③自動(dòng)增益控制電路[7]
對(duì)模擬信號(hào)濾波后，按照AD轉(zhuǎn)換的電平需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或衰減處理，因此在設(shè)計(jì)過程中，我們參考了文獻(xiàn)[7]的設(shè)計(jì)方法，采用了可以程控的自動(dòng)增益控制子模塊，由數(shù)字電位器和高頻精密放大器構(gòu)成。如圖7所示。
圖7.自動(dòng)增益控制電路
增益為：
G= — 
④AD轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)采用10位串行I/O的AD轉(zhuǎn)換芯片LTC1091作為AD轉(zhuǎn)換電路的核心芯片，其低電壓供電、低功耗、快速轉(zhuǎn)換等特性為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供方便。如圖8所示。
（3）數(shù)字信號(hào)處理通道
數(shù)字信號(hào)處理通道實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不再過多說明。
（4）DA轉(zhuǎn)換通道
DA轉(zhuǎn)換通道主要任務(wù)是完成對(duì)來自信號(hào)發(fā)生器單元的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，加載到被測(cè)設(shè)備上，用以測(cè)試。
DA轉(zhuǎn)換通道實(shí)際上與模擬信號(hào)處理通道是一個(gè)相反的工作過程。主要分為DA轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、自動(dòng)增益控制電路和輸出電路。
DA轉(zhuǎn)換芯片選擇高度DA轉(zhuǎn)換芯片AD9762。它具有125MSPS速率、12位分辨率、良好的抗干擾性能。本系統(tǒng)采用DC差動(dòng)耦合輸出。
濾波電路與自動(dòng)增益控制電路與模擬信號(hào)處理通道基本一樣。
輸出電路采用MAX4001為核心芯片，輸出阻抗采用數(shù)字電位器可控，由CPLD控制可以更好的滿足阻抗匹配要求。
適配器設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)信號(hào)調(diào)理功能進(jìn)行提取分類，將相似功能的適配器進(jìn)行合并，創(chuàng)建通用適配器，在通用適配器基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)信號(hào)處理和特殊功能的專有適配器設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)集成過程中，可以通過通用適配器與專有適配器的組合完成信號(hào)調(diào)理功能，從而提高系統(tǒng)硬件的可重用性。
4、結(jié)束語
基于USB總線技術(shù)的ATS通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)，集成了USB設(shè)備的諸多優(yōu)點(diǎn)，充分利用EZ-USB軟配置特性和CPLD器件設(shè)計(jì)電路的靈活方便性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的重用性，最終達(dá)到通用性設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)可靠性高，可測(cè)試性好，并易于擴(kuò)展。
目前系統(tǒng)硬件基本實(shí)現(xiàn)，軟件部分正在進(jìn)行調(diào)試。
