摘? 要: 介紹了一種基于USB、PCM編碼和以太網三層通訊的虛擬義器——DDSTM儀器平臺。分析了三層通訊的各自特點和相互關系，重點介紹了DDSTM儀器的組成，然后從虛擬儀器的角度簡要介紹系統軟件，最后給出實例。
關鍵詞: USB? PCM編碼? 以太網? DDS儀器? 虛擬儀器
?
在現代航空航天、高速列車等大型工程試驗中，往往要求對多科目、多位置的數百路高低速動態信號進行連續長時間同步采集、記錄、實時處理，并且要求測試數據網上綜合。早期的獨立測試儀器已逐漸不能滿足日益膨脹的需求，世界各國都在尋求高效、方便的綜合測試平臺。DDS儀器(數字式動態信號測試儀器)正是為了滿足現代大型工程測試的需要，綜合在遙控遙測中成熟的PCM編碼技術、最新的USB(通用串行總線)桌面接口技術和已廣泛應用的以太網技術，成功開發的全新數字化測控儀器平臺。
虛擬儀器是目前國內外測試技術與儀器制造業十分關注的熱點話題，其技術發展非常迅速。它通過對傳統儀器的部分功能甚至全部功能的軟件化，在通用的計算機平臺上，靈活地實現了傳統的測量和控制能力。USB連接方式簡單，是一種成本較低的解決方案。而USB接口的儀器單元不僅可內置于計算機機箱中使用，也可以單獨構成儀器，置于計算機外工作，通過USB電纜傳輸信號至主機。特別是USB支持即插即用(PnP)，系統能夠自動地對USB設備進行配置。由此，建立在USB基礎上的虛擬儀器平臺便有了競爭力。
DDS儀器軟件的核心部分為自主源代碼，有利于系統應用程序的最底層開發，直接面向用戶的需求。同時，軟件也結合了現有多種較成熟儀器平臺的技術，提供了與它們之間的接口。
從PCM編碼、USB、以太網三層通信入手，本文將論述綜合測試平臺的通訊結構與特點，DDS儀器的硬件體系結構以及系統軟件構建的虛擬儀器平臺。直升機測試的實例將展現該系統的應用。
1 三層通信結構介紹
三層通信系統硬件結構框圖如圖1所示。
1.1 USB通信層
起源于1995年的USB，近年來得到了飛快發展。除了作為標準外設接口的應用之外，它也正在成為多種新型應用的通用連接標準，包括數據采集、測試測量等。由于USB1.1支持12Mbps(高速)和1.5Mbps(低速)兩種速度，因此能滿足大部分工業實時測試的要求。而且，由于USB自身的特點，使得由它構成的系統具有了優勢。
采用USB構成的系統具有可擴展性。通過使用Hub擴展，可駁接多達127個外設。USB具有良好的即插即用與熱插拔特性[1]，從而使由此構成的DDS儀器可以方便地增加和刪減測試單元，組成現場所需的測試儀器。
與傳統的安裝在臺式機機箱內的數據采集板卡相比，USB接口不僅可以方便地應用于臺式計算機，而且更廣泛地應用于便攜式計算機，有利于數據采集系統小型化、便攜化，而且再也不會受計算機插槽數量、地址、中斷等資源的限制。
另外，安裝在機箱內的板卡往往會受到機箱內數字噪聲環境的干擾。與之相反，DDSTM儀器是一個獨立的模擬電路環境，具有安靜的電磁氛圍，數字噪聲極小。即使對于測量上千千瓦交流電機振動的微伏級輸入信號，也能得到干凈、精密的信號波形。
鑒于以上優點，DDS儀器采用USB通信協議與數據采集計算機通信，實現數據在桌面的匯總。隨著USB2.0的推出，USB的速率將達到480Mbps。我們相信，DDS儀器的應用前景將更為令人矚目。
1.2 PCM編碼的通信
USB是優秀的桌面接口技術，當它與PCM編碼通信相結合，優勢互補，就能產生一種簡單、高速、抗干擾力強并適用于無線、同軸、光纖等多種介質的遠距離數據采集系統。其基本思想是在現場測試點，將傳感器采集的模擬量數字化后進行PCM編碼，按照通信雙方約定好的協議將數據上傳。在PC機近端有一個雙向的PCM編碼與USB的轉換接口，利用這個轉換接口接收數據并通過USB接口傳輸至PC機進行分析。而主機向設備發送控制信息的過程正好相反，數據通過轉換接口以PCM編碼的形式再向遠端傳輸。
1.3 以太網通信層
一個大型測試項目通常由多個測試科目組成，每個科目又有多臺DDS儀器。在進行實時數據處理時，將可能有多個數據處理工作站按照各自的要求，從不同的DDS儀器上取得信號數據流。以太網正是為測試信號的數據綜合提供了最方便的方法。
2 數字式動態信號測試儀器(DDS儀器)
DDS儀器采用USB總線作為儀器的通訊總線，現已開發成功USB接口的A/D轉換單元、數字式動態應變儀單元、數字式電位器調理單元、PCM編碼接收單元等一系列單元模塊。根據現場需要，可隨時將模塊插入DDS儀器機箱內組合成所要求的測控系統。圖2是一個DDS儀器的典型應用。在DDS儀器中，最左邊的USB接口A/D單元(ADKM01_USB)上帶有USB HUB(集線器)，通過DDS儀器內的HUB擴展為每個調理單元提供USB接口。USB接口A/D單元上有32路模擬信號輸入，3路脈沖信號輸入。模擬信號經調理單元放大處理后送到A/D轉換單元，且每個調理單元的調節，如增益、零點、低通濾波器截止頻率等均通過USB接口，由軟件完成調節控制。
?
在此系統中，其中的PCM編碼接收單元如圖3示意，采用CPLD，于在線可編程芯片(ISP芯片)上完成信號的串并轉換、譯碼和分路輸出等功能。與之相應，信號發送端的可編程器件實現多路信號重新組合、PCM編碼、并/串轉換，經驅動后進行遠距離傳輸。無論是發送端還是接收端，都只需一片ISP芯片完成通信的全部功能。
?
PCM編碼通信協議如圖4所示。譯碼模塊分別提取信息碼流中的位同步和幀同步信號，并將PCM碼譯成NRZ碼。分路模塊接收譯碼模塊輸出的位同步時鐘、幀同步信號和串行NRZ碼流，將串行信號分路，輸出寬度為16位的并行信號。數據重排模塊接收來自三個分路模塊的并行信號，將它們按一定的規律送入緩存并發出中斷申請。USB單片機接收到中斷后，從緩存中取出數據并通過USB總線傳送給計算機。
?
使用ISP芯片不僅減小了設備的體積，減少了電路的外部連線，而且減少了外部干擾的機會，提高了電路的可靠性。
3 DDSTM儀器軟件體系
DDS儀器軟件體系建立在Windows98或Windows2000操作系統上，采用虛擬儀器的實現方法，面向最終用戶。DDS儀器軟件分三大部分，由設備驅動程序，儀器操作、信號記錄軟件和DataScop信號分析軟件組成。
DDS儀器操作、信號記錄軟件采用最直觀、簡潔的方法實現了DDS儀器即插即用的配置管理，其虛擬儀器界面的設計沿用磁帶機、示波器、數字表、應變儀等傳統儀器的操作習慣，并提供了信號實時頻譜分析及顯示，信號多重檢索，電視攝像同步，調理單元自動調節、成組調節等多種高效、快速儀器調節，儀器設定狀態數據管理，信號實時網絡傳輸等強大功能。
DataScop信號分析軟件通過TCP/IP協議，從DDS儀器軟件獲取實時或回放數據，可完成數據標定，測試零線確定，提供常用時域分析、頻域分析、統計分析、信號曲線、圖表輸出。根據用戶要求，還可內建如:機車車輛動力學分析模塊，飛機強度分析模塊等實時處理模塊。信號分析可自動連續處理。
4 應用實例與結論
直升機飛行測量系統是根據用戶需求研制的動態信號綜合測試系統。在此系統中，來自尾槳、主槳、機艙的共約100多路信號通過調理、采集、PCM編碼匯總并傳輸到USB總線，然后送入現場監控計算機實時顯示、分析、處理。通過以太網將數據共享，實現數據靈活檢索與回放，方便數據后續處理與綜合。
試驗證明該系統很好地解決了現代大型綜合測試的需要，極大地提高了測試效率。
?
參考文獻
1 Universal Serial Bus System Architecture.MindShare，Inc. Don Anderson
2 Universal Serial Bus Specification
3 相關網址:http：//www.infotronix.com.cn
[注]DDS為北京世紀興元科技發展有限責任公司注冊商標