面向复杂混合信号的CPCI专用测试系统及其自动校准方法

梁嘉倩，孟升卫，鲁文帅，付 平

(1.哈尔滨工业大学 自动化测试与控制研究所，黑龙江 哈尔滨 150001;2 中国电子科学研究院，北京 100041)

工程与应用

面向复杂混合信号的CPCI专用测试系统及其自动校准方法

梁嘉倩1，孟升卫1，鲁文帅2，付 平1

(1.哈尔滨工业大学 自动化测试与控制研究所，黑龙江 哈尔滨 150001;2 中国电子科学研究院，北京 100041)

面向多通道复杂混合信号的快速精确自动化测试需求，设计并实现了具有在线实时自动校准功能的CPCI总线专用组合测试系统。基于标准的CPCI总线J1/J2接口和扩展的后IO接口设计了专用信号调理模块和通用数据采集模块硬件，基于FPGA设计了测量转换时序与控制逻辑，基于LabVIEW环境开发了自动测试软件。基于Matlab研究了自适应的分段拟合校准算法，实现了系统在线实时自动校准，校准后直流、交流、频率测量精度误差分别达到1‰、2%和0.1‰。测试结果表明，基于分段三次多项式拟合的自动校准方法能够快速有效降低系统非线性导致的测量误差，整套系统满足面向密集信号的快速装备测试需求。

测试系统；CPCI；自动校准；分段拟合

0 引 言

武器装备测试是装备研发部署的重要组成环节，贯穿武器装备的整个生命周期，良好的装备测试能够有效保障武器的作战效能[1]。随着信息化战争时代的到来，以精确制导武器为代表的现代军事装备对装备测试技术提出了更高要求。例如，长期存储的导弹在发射前，需要先在地面进行全面快速的通电测试，一次上电的短时间内即要确保动力、制导、火工等各组件功能完好[2]，对即插即测的要求很高，依赖人工显然已无法满足这样的密集、实时、精确测试要求[3-4]。以计算机和总线技术为核心的自动测试系统(Automatic Test System，ATS)逐渐成为支撑装备测试的使能技术[5-6]。

自惠普公司牵头推出第一代自动测试系统以来，短短的30年时间内，自动测试系统已经历了GPIB、VME/VXI、CPCI/PXI、LXI、PXIe、AXIe时代，从测试数据带宽到集成度都显著提升[7-8]。就当前市场份额而言，CPCI/PXI系统正处于商业市场的巅峰期，军品市场的上升期[9-11]。与此同时，随着测试对象的演进升级，自动测试系统也面临着多方面的挑战。第一，是密集复杂信号的测试需求，需要测试系统对多通道、多路数、多种类的测试信号同时测量，而信号本身也不仅限于基本测试信号，可能包含复杂的时变信号[12]。第二，是多通道的数据吞吐率需求，即要求测试系统能在短时间内完成高通量的测试信号检测[13]。第三，精确实时在线测试需求，即由自动校准代替人工校准，避免在测试系统校准过程中消耗大量的人力和时间，可以说，要做到即插即测，在线自动校准技术势在必行[14]。第四，灵活快速响应测试需求，即要求系统尺寸紧凑便携，系统构成灵活可变，能够针对测试对象特点进行调整[15-16]。

本论文针对上面提出的自动测试系统在高密度、多通道、在线校准、灵活响应等四个方面面临的发展趋势和技术挑战，及某型号装备的特定测试需求，提出了基于CPCI总线的多通道组合式专用测量系统，采用专用调理模块与通用测量模块的组合的方式实现硬件灵活性和信号高密度，并在此系统上提出在线实时自动校准方法，解决快速校准和高精度测试的需求。

1 对象分析与架构设计

本系统的被测对象为32路直流模拟信号、8路交流信号(6路测压，2路测频)、1路复杂时变信号(含128种波形)，其中：32路直流信号为独立的模拟信号，不同通道的被测信号特征不同；1路时变信号为不确定幅度和频率的交/直流信号，包括直流、交流模拟信号和数字信号，其信号特征量由测试系统的调理编码指令给出。主要技术指标要求为：采样率160kSps，分辨率14位，直流模拟量测量精度为1‰，交流模拟量测量精度为2%，数字量测频精度误差小于真实值的0.1‰，系统能够实时工作和在线校准。

根据以上测试需求设计组合测试系统架构由计算机控制模块、数据采集模块、信号调理模块三类模块组成：计算机控制模块与数据采集模块为通用模块，信号调理模块为专用模块，包括直流信号调理、交流信号调理、时变信号调理。在快速响应测试应用中，只需要根据被测信号改变信号调理模块的数量和种类，与通用模块组合够成不同的专用测试系统。

考虑到测试信号速率、系统紧凑度，以及开放式模块化的自由组合需求，本系统采用CPCI作为测试总线：首先，对于32路采样率160kSps要求，总线速率为132MHz的CPCI完全可以胜任，无需考虑Express系列的高速串行总线[17]；其次，CPCI结构紧凑，小型高密度机箱和模块卡式组合适用于灵活快速响应[18]；再次，对于CPCI和PXI之间的比较，由于CPCI开放J2口和背板后IO口，使得外部信号的引入和模块之间的测试信号互连更加方便，包括外部被测信号、校准信号及内部调理信号。设计的测试系统架构如图1所示。

图1 多通道专用组合测试系统架构

本系统硬件设计的关键在于专用信号调理模块与通用数据采集模块的组合设计。为使测试系统能够面向不同特征的多通道直流、交流、时变信号，调理模块需要设计为专用模块；为节约系统体积和成本资源，数据采集模块设计为通用模块，调理后的信号复用数采模块。被测信号通过CPCI总线的后IO口引入专用调理模块，调理模块与通用数采模块通过CPCI的J2口传输调理信号，系统的零槽计算机通过CPCI的J1口访问数采模块，数采模块通过J2口控制各个调理模块的硬件配置。零槽计算机开放程度最高，通用性最强，直接采用货架产品。

2 关键技术设计

2.1 专用信号调理电路

设计的专用调理模块电路的原理图如图2(a)-2(c)所示。在图2(a)的直流调理模块中，32路被测直流信号经过32路衰减电路和隔离运放后，再经过4个8选1多路选择器复用，得到单路的被测直流电压信号，通过CPCI总线的J2接口与数据采集模块相连。在图2(b)的交流信号调理模块中，8路被测交流信号中6路为待测交流电压信号，经过衰减和放大滤波电路，然后通过均方根直流转换器得到直流信号，再经过隔离运放后通过8选1多路选择器，得到单路的被测直流电压信号，反映输入的被测交流信号，接入CPCI总线的J2口；8路被测信号中另有2路信号为方波信号，与前6路信号(经过电压比较器)共同经过光耦后作为测频信号送入CPCI总线的J2口。在图2(c)的时变信号调理模块中，输入信号的衰减、放大、交直流选择等功能全部通过继电器在线配置，这些配置将由数采模块根据总线上经J1口给出的128种调理编码确定被测信号种类后给出，在时变信号调理模块上得到用于测压或测频的时变调理信号。此外，时变信号调理模块还带有校准源，用于模块的上电校准功能。

图2 专用信号调理模块

2.2 通用数据采集模块

设计的通用数据采集模块的原理图如图3所示。数据采集模块是实现信号测量的核心控制模块，也是信号调理模块和计算机模块之间的关键转换环节，被测信号由数采模块的CPCI总线J2接口引入，经过数采转换后的测试数据由数采模块CPCI总线J1接口被读取出，同时数采模块通过J1接口接收计算机模块的指令，触发数采和配置调理。考虑到数据采集模块要同时控制模数转换芯片进行数据采集，并与CPCI标准接口通信，即包括了专用的接口时序和接口控制，因此选用FPGA作为数据采集模块的核心控制单元。J1接口的PCI时序采用标准PCI接口芯片实现，J2口的模拟信号测量采用高性能模数转换芯片实现，数字信号直接进入FPGA的IO口。

图3 通用数据采集模块电路原理图

2.3 逻辑设计

数采模块FPGA的主要作用是：面向CPCI总线的J2接口进行数据采集，面向CPCI总线的J1接口进行标准CPCI总线通信和系统控制指令解析。具体包括：PCI接口逻辑，调理编码解析逻辑，测量触发逻辑，测压逻辑，测频逻辑，模数转换控制接口逻辑，校准参数读写逻辑。逻辑设计的原理图如图4所示。

图4 通用数据采集模块FPGA逻辑设计原理图

图5 自动测试系统软件流程图

在图4中，PCI接口逻辑用于与PCI专用接口芯片的本地总线端通信，包括地址锁存译码、数据读写和必备的读写、片选等控制信号给出。从CPCI接口取得的调理编码由调理编码解析模块分析，并根据调理编码的控制指令对调理板卡配置，同时触发数据采集逻辑对指定被测对象测量：当获取测压指令时，启动测压逻辑，通过模数转换接口控制逻辑实现对模数转换芯片的控制和读取；当获取测频指令是，启动测频逻辑，直接对来自J2接口的频率信号进行闸门测量。此外，FPGA还为J1接口提供本地校准参数和其他槽位调理板卡校准参数的读写。

2.4 软件设计

测试系统的应用软件运行在零槽计算机上。为提高系统硬件国产化水平，计算机采用龙芯处理器；为缩短软件开发周期，搭载Windows NT操作系统，以利用其丰富的驱动支持和软件资源。应用程序采用Lab VIEW开发。设计的主程序流程如图5(a)所示。主流程完成初始化以后，进入事件等待状态，同时判断超时和退出。被等待的结构化事件包括信号的电压测量、电压校准、校准参数读写、频率测量等。

2.5 校准设计

在线自动校准是系统实现对任务的快速响应测试的关键技术。本系统的校准功能由系统外部校准源接口、内部自带校准源、调理模块非易失校准参数存储器、数据采集模块校准参数存储器，及运行在计算机模块上运行的校准程序组成。当用户在主面板上选择执行校准功能时，系统首先控制校准源输出校准信号序列，然后按照缺省传递函数测得原始值，随后按照拟合算法进行标定计算，得到新的测试传递函数，比较校准后的测量值与校准源的误差，直到满足设定的误差阈值，最后将此校准参数写入非易失存储器，用于后续测量。其中的拟合方法将在后文讨论。校准流程如图5(b)所示。

除了用户触发校准功能外，系统还在上电时进行自检，上电自检包括通信自检和标准源自检。在标准源自检中，系统对自带的内部校准源进行测试比较，调校系统的零点误差。

3 测试与讨论

设计实现的多通道组合式专用测试系统实物图如图6所示。其中，专用直流信号调理模块、交流信号调理模块、时变信号调理模块如图6(a)-(c)所示，通用数据采集模块如图6(d)所示。组成的CPCI测试系统(含外部校准源)如图6(e)所示。

图6 设计实现的多通道组合专用CPCI测试系统

重点讨论测试系统的拟合校准方法。考虑到测试系统可能存在非线性，故仅仅采用线性拟合难以实现精确标定。为此基于Matlab工具研究不同的校准曲线和分段方式对校准结果的影响：比较使用线性拟合和三次多项式拟合对校准精度的影响，以及分段数为1段、2段、4段、8段的校准精度，以确定校准的阶数和段数。编程使外部校准源像测试系统输出-2500mV到2500mV步进变化的直流电压信号，并使用分段线性拟合校准和分段三次多项式校准方法，得到校准曲线图如图7所示。

图7 分段线性拟合和分段三次多项式拟合的校准曲线图

在图7(a)中可以看到，随着分段数的增加，使用线性拟合得到的拟合曲线逐渐平滑并逼近理想校准点；对比图7(a)和图7(b)可以看出，由于测试系统的非线性特征，在相同的分段数下，使用三次多项式拟合得到的曲线更加平滑和趋近理想校准点。

图8 分段线性拟合与分段三次多项式拟合的校准误差比较

进一步比较分段线性拟合和分段三次多项式拟合在分段数从1到10变化过程中，校准误差的变化，结果如图8所示。由图8可以看出，随着分段数的增加，两种拟合方式的校准误差都在降低。进一步对比两种拟合方式，分段三次多项式拟合的校准误差随着分段数的增加而表现出更快的下降趋势，当使用分段三次多项式拟合时，分段数达到5段即可使校准误差达到1‰以下；而当使用分段线性拟合时，在分段数为10段以内无法达到1‰以下。可见对于本测试系统的非线性特征，使用分段三次多项式拟合能够更有效的达到校准精度。

4 结 语

本文论证了一种面向高密度、多通道、在线校准、灵活响应装备测试需求的组合式自动测试系统的架构设计，设计并实现了基于CPCI总线的多通道组合式专用测试系统及其校准方法，系统基于CPCI的J1接口实现标准通信控制，基于CPCI总线的J2接口实现模块间的调理信号传输，基于CPCI总线的后IO口实现测试信号和校准信号的接入。论文针对系统的非线性，以扫描信号为例研究了采用分段拟合实现自动校准的参数优化方法，并得到：采用5段三次多项式拟合校准能够使系统的测试误差快速达到1‰以下。本文设计的组合式专用测试系统可以为面向复杂密集信号的装备测试提供一种灵活有效的设计方法借鉴。

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CPCI-based Dedicated Measurement System with Automatic Calibration for Complicated Hybrid Signals

LIANG Jia-qian, MENG Sheng-wei, LU Wen-shuai, FU Ping

(Automatic Test and Control Institute, Harbin Institute of Technology, Heilongjiang Harbin, 150001, China)

A CPCI-based measurement system with on-line automatic calibration was designed and fabricated dedicating for multi-channel complicated hybrid signal's fast and precise test. Dedicated signal regulating modules with a general data sampling module were designed based on CPCI J1/J2 ports and backboard input/output interface, together with the FPGA-based measurement converting sequence and control logic. A set of automatic testing software was designed based on LabVIEW environment. In addition, a self-adapted segmental fitting algorithm for automatic calibration was investigated, with error of 1‰, 2%, and 0.1‰ achieved for DC, AC and time-varying singals measurement respectively. Test results show that, the automatic calibration method based on segmental cubic polynomial fitting can effectively and fast decrease the measurement error caused by system non-linear, which contributes for the satisfaction for equipment measurement requirements.

measurement system; CPCI; automatic calibration; segmental fitting

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.016

2017-01-02

2017-03-25

TP212

A

1673-5692(2017)02-187-06

梁嘉倩(1992—)，女，河北人，硕士研究生，主要研究方向为计算机自动测试系统、工程政策分析；

E-mail: liangjq92@126.com

孟升卫(1970—)，男，河北人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为仪器总线技术、雷达成像技术；

鲁文帅(1987—)，男，辽宁人，博士，工程师，主要研究方向为航天总线技术、微米纳米传感器技术；

付平(1965—)，男，黑龙江人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为计算机自动测试与控制、总线技术、时域与调制域测试、图像处理、环境监测。