多通道AXIe模拟信号并行测试模块设计

中电科思仪科技股份有限公司 刘明军 唐建立 夏 磊

本文主要阐述了中电科思仪科技股份有限公司研制的多通道AXIe模拟信号并行测试模块的设计。该模块是一个多功能、32通道、单槽的AXIe模块，每个通道集成了6个独立的功能仪表，包括函数发生器、任意波形发生器、数字化仪、数字万用表、限值检测器以及定时器/计数器。与传统模拟信号测试仪表相比，该模块的突出优点在于它的高集成度、并行测试，单个AXIe模块就能提供192个通用模拟仪表的功能，可广泛应用于模拟电路板、数模混合电路板故障诊断自动测试系统的集成。

目前，国内在模拟电路测试方面的主要手段还是通过集成现有的各种台式仪器或者专用的功能单一的模块仪器，这种方法的优点在于可以选用高精度的测试仪器，缺点在于整个测试系统需要配置数量众多的模拟测试仪表，体积庞大，测试成本高。如果我们适当降低模拟测试仪表的精度，使其覆盖大多数常用的测试，那么我们就可以利用目前先进的数字技术和总线技术为用户提供一套高集成度的模拟测试仪表，降低用户系统集成的成本，提高测试系统的灵活性。

本文设计实现的多通道AXIe模拟信号并行测试模块是一个多功能、32通道、单槽的AXIe模块，每个通道集成了6个独立的功能仪表，包括函数发生器、任意波形发生器、数字化仪、数字万用表、限值检测器以及定时器/计数器。一个模块共集成了192个功能仪表，能同时对多路模拟信号进行多功能的并行测试，这就能在很大程度上满足模拟电路对功能测试方面的高要求。

1 多通道AXIe模拟信号并行测试模块的硬件设计

AXIe模拟信号并行测试模块是一个多功能、32通道、单槽的AXIe综合性测试仪器，它主要由信源仪表和测试仪表两大类仪表组成，能够同时在每个通道上为待测模拟电路提供激励或者检测从模拟电路上采集到的响应。AXIe模拟信号并行测试模块体系结构框图及实物图如图1所示。

图1 VXI模拟电路测试模块结构框图及实物图

由图1可以看出，AXIe模拟信号并行测试模块由9个功能单元组成，分别是：电源变换/稳压单元、中央电压表单元、AXIe接口单元、波形存储器单元、中断系统单元、AXIe触发单元、通道系统单元、开关单元。电源变换/稳压单元完成AXIe标准的电源电压到通道仪表所需电压的转换。中央电压表单元实现中央电压表功能，能对所有通道的电压进行测试，精度比通道仪表中的数字多用表要高。AXIe接口单元、中断系统单元和AXIe触发单元实现模块与AXIe的通讯。波形存储器单元实现任意波和数字化仪的波形数据的存储功能。开关矩阵完成输入和输出信号与通道仪表连接的功能。

1.1 通道仪表单元的设计

通道仪表单元是整个模块的核心，每个通道由六种功能仪表组成，这六种仪表分为两类，一类是信源仪表，另一类是测量仪表。一个VXI模拟电路测试模块共集成了192个仪表，并且通道间仪表相互独立。单通道信源仪表和测量仪表的结构框图如图2所示。

图2 单通道信源仪表和测量仪表的结构框图

信源仪表包括函数发生器（Function Generator）和任意波发生器（Arb）。信源仪表为检修、调试模拟电路时提供激励信号。本文设计实现的函数发生器能为UUT提供一系列的标准波形，包括正弦波、方波、三角波和直流信号，而任意波形发生器能为待测模拟电路提供复杂的任意波形。

测量仪表包括数字化仪（Digitizer）、数字多用表（DMM）、限值检测器（Limit Detector）、定时器/计数器（Timer/Counter）等四种仪表。四种仪表共享同一个输入通路和同一个信号采集功能单元。输入通道实现量程选择和测量模式选择。输入信号经量程选择以及放大、衰减处理后，送入信号采集功能单元；信号采集功能单元主要由比较器和A/D构成。四种仪表中的数字多用表（DMM）是利用A/D直接得到测量数据，而限值检测器和定时器/计数器利用比较器将输入信号处理后，将输出信号送入FPGA，由FPGA来分析处理得到最终测量值。四种仪表中只有数字化仪可以采用两种采样方式中的任意一种，其余三种仪表只能固定用一种采样方式。

1.2 开关单元的设计

开关单元是AXIe模拟信号并行测试模块的重要组成部分，它完成输入/输出信号与通道仪表之间的连接。开关单元采用继电器来实现，一个通道需要两个继电器，32个通道共需要64个继电器。两个继电器实现一个通道的四种工作方式，它们分别是测量、源&测量、隔离、矩阵。继电器连接方式如图3所示。

图3 通道继电器连接图

由图3中可以看出，两组继电器有四个输出脚连接在一起，另外四个输出脚分别对应“源”、“测量”、“I/O”和“矩阵”四种输入/输出端口，通过对继电器的开关进行控制即可实现四种输入/输出端口的互连互通。

1.3 高密度、多功能仪器小型化设计

AXIe模拟并行测试模块在320mm×280mm大小的印制板上实现32个通道非常困难，因此每个通道以至整个模块都需要具有极高的集成度。本文设计中，选用ALTERA公司的超大规模FPGA，以保证关键技术的实现，实际设计中共使用了5片，成功地节约了近10%的空间。在通道仪表设计方面，本文借助软件无线电的思想，设计具有开放性、可扩展、结构简单的硬件平台，为高集成度、小型化设计奠定基础。通道仪表硬件电路分为基于A/D器件的采集单元和基于D/A器件的激励单元，6种功能仪表相应的分为测量类仪表和激励源类仪表两大类。对测量类仪表来说，其输入通道以及采样器件是共享的，不同的测量仪表利用相同的硬件资源得到采样的数据，根据不同的仪表功能来调用不同的处理软件对采样数据进行处理，最终得到测量结果；对激励源类仪表来说，其输出通道以及激励器件也是共享的，不同的激励源仪表通过调用不同的处理软件产生激励数据，激励数据传送到激励器件并经输出通道，最终输出相应的激励信号。这样的设计能最大程度地减小冗余，从而有效地减小每个通道占用的空间。

1.4 多通道仪器同步控制设计

本文通道仪表中任意波形发生器和数字化仪是模拟电路板故障诊断和模拟信号测试必备的仪表，对AXIe总线模拟信号并行测试模块来说，它们在通道仪表中的地位非常重要，其关键之处是如何在32个通道中同时实现任意波形发生器或数字化仪的功能，以及如何对RAM中波形数据读写的固定速度与通道输入输出波形可变速度之间进行协调控制，本文提出一种多通道仪器同步控制技术来解决此问题。

由于目前的技术水平以及工艺水平的限制，作为数据传输控制的大规模FPGA的引脚数量不可能满足32个通道的要求，即让每个通道D/A的数据线以及存储波形数据的RAM的数据线都与FPGA连接，并且彼此间独立，且能并行的同步工作，这样一来，要使32个通道的任意波形发生器或数字化仪能同时工作，则必须设立中央控制单元来控制32个通道的数据。本项目利用地址选择、分时处理、FIFO缓冲的方法来实现此项关键技术。由于引入分时处理，则中央控制单元的工作时钟要至少为通道任意波或数字化仪最高采样率的32倍，通道的最高采样率为2MSa/s，则中央控制单元的时钟至少要为64MHz。因此，该项关键技术的重点和难点是如何实现存储波形的RAM时序逻辑控制与通道仪表时序逻辑控制之间的协调一致。本项目将设计采用单片1Gbit高速大容量DDR SDRAM，共四片；DDR SDRAM读写主控时钟设计为100MHz，并在中央控制FPGA中实现任意波形发生器和数字化仪所需的全部控制信号；波形数据存储在DDR SDRAM中，由中央控制FPGA协调控制DDR SDRAM输入输出数据，并利用FIFO缓冲方法来实现RAM中波形数据读写的固定速度与通道输入输出波形可变速度之间的协调控制；最后由通道控制FPGA依据中央控制FPGA发出的控制信号控制通道D/A和A/D，最终实现32通道任意波形发生器和数字化仪的同步控制技术。任意波形发生器多通道同步控制仿真波形时序图如图4所示。

图4 多通道仪器同步控制仿真波形时序图

如图4所示，DDR SDRAM中的任意波数据是在rdclk的时钟控制下被通道读出的，即每来一个时钟上升沿读出一个数据。本文设计中32个通道采用4片通道FPGA进行控制，每片通道FPGA控制8个通道，因此需要对4片通道FPGA产生4个片选控制信号，即图中所示fpga1arbcs、fpga2arbcs、fpga3arbcs、fpga4arbcs；通道FPGA中针对每一个片选信号还要产生对应8个通道的片选控制信号，有了这些片选信号就可以控制每个通道分时读取DDR SDRAM中正确位置的任意波数据。

2 多通道AXIe模拟信号并行测试模块的软件设计

AXIe模拟信号并行测试模块的软件主要由软面板和驱动程序构成。AXIe模拟信号并行测试模块内部没有CPU，模块必须通过软面板和驱动程序的控制才能工作。驱动程序符合IVI规范，并且为主流的应用程序开发环境（ADE）提供编程接口。用户通过软面板的单一界面就可以完成对6种模拟仪表的设置和控制，软面板提供图形化的用户界面，方便用户进行仪表的控制。

AXIe模拟信号并行测试模块驱动程序由多个控制具体仪器的软件模块组成，这些软件模块通过与驱动程序之外的其他软件协同工作来完成测试任务，这既包含驱动程序与仪器之间的通信接口，又包含与面向仪器使用者的应用程序软面板的接口。

AXIe模拟信号并行测试模块的软面板提供图形化的用户界面，方便用户进行仪表的控制，比如设计过程中，为数字化仪提供类似数字示波器的用户界面。通过软面板，用户可以方便地操作AXIe模拟信号并行测试模块的各个仪表，输出预期的信号或者显示测量结果。另外，通过驱动程序，用户可以快速地开发模拟测试程序。在设计中该模块能为每一种模拟仪表都提供一个满足VPP规范的驱动程序，方便用户进行模拟电路板或数模混合电路板故障诊断自动测试系统的集成。软面板的主界面设计如图5所示。

图5 软面板主界面示意图

主界面运行后，通过点击测量仪表栏中的仪表按钮来调用各仪表的控制面板。对每一种类型仪表，所有对该仪表的设置和显示都可以在该仪表的控制面板中完成。

结论：多通道AXIe模拟信号并行测试模块采用了通用、开放、可扩展的体系结构，在硬件系统方面遵循行业标准和国际规范，模块具有体积小、移动性好的特点，是标准的AXIe模块。在软件系统方面提供了符合IVI规范的驱动程序，以插件形式不断增强功能以及具有完善的二次开发接口等诸多优秀特性。本文的研究成果主要创新点在于模拟电路测试仪表多通道、多功能、高集成度、并行测试等技术的实现。