動態(tài)信號測試

一 動態(tài)信號測試的需求與發(fā)展

　　目前，測試領域已進入現代動態(tài)測試時代。現代動態(tài)測試技術就是利用現代傳感器、微電子、計算機、信號分析與處理、現代通信等技術研究大動態(tài)范圍信號的采集、變換、傳輸和實時處理技術。它不再是簡單的比較測試，而是包括信號采集、信號變換與傳輸、信號的處理與分析、信號的記錄與顯示的綜合技術。它給傳統(tǒng)的測量學科帶來了一系列的觀念、方法和技術等方面的變革。與傳統(tǒng)的測試技術相比，具有如下特點：
　　(1)傳統(tǒng)的測試任務僅以測量系統(tǒng)的輸出量來估計被測量，從信息論的觀點來講，僅是對信息的復現。但動態(tài)測試系統(tǒng)測試的是隨時間變換的寬動態(tài)范圍的信號，研究的重點是測試系統(tǒng)的動態(tài)響應特性；
　　(2)傳統(tǒng)的測試重點是研究測量數值的誤差，是輸出與輸入在數值上的對于關系；而動態(tài)測試是研究輸出信號與輸入信號的對應關系，如傳遞函數、預測與濾波等，要求輸出信號波形不失真地復現輸入信號波形；
　　(3)現代動態(tài)測試技術要解決測試系統(tǒng)工作中遇到的具體技術問題，如信息的獲取、信號的變換、信號的分析與處理、信號的記錄與顯示等環(huán)節(jié)以及它們之間的耦合關系；
　　(4)現代動態(tài)測試系統(tǒng)是一個多環(huán)節(jié)的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性是關鍵。
　　在我國，由于國內測試硬件技術的發(fā)展限制，動態(tài)測試技術的發(fā)展較慢。10年前，從國外引進的動態(tài)測試系統(tǒng)十分昂貴；近10年來，研華公司逐步成長起來，大力發(fā)展PC-Based的動態(tài)測試硬件平臺，逐步打破了這一局面，如其研制的關鍵任務測試平臺：基于CompactPCI技術的MIC3000，打破了我國電信、航天、電力測試系統(tǒng)從國外引進的尷尬局面，開始自主研發(fā)相應的測控系統(tǒng)。用于大動態(tài)信號測試的DAQ卡，如：MIC-3714、MIC-3712等，在采集動態(tài)信號時，采集卡的信噪比(SNR)為68dB、閾值(THD、最低能感應的信號)為-75dB，已廣泛應用于我國航天、航空、電力和電信的動態(tài)測控系統(tǒng)中。

二 數據采集的主要技術指標

　　動態(tài)信號測試系統(tǒng)測試的往往是一些快速瞬態(tài)變化的參量，必須進行高速采集。評價一個數據采集的主要技術指標有：系統(tǒng)通過速率、精確度、分辨力、線性誤差、共模抑制比、通道串擾抑制比以及系統(tǒng)短期穩(wěn)定度等。此外，還有一些重要指標：系統(tǒng)控制方式、系統(tǒng)總數據量、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)自動增益調節(jié)方式等。對于動態(tài)信號采集系統(tǒng)而言，在諸多技術指標中，最為重要的是系統(tǒng)的分辨力、精確度與通過速率。其中，系統(tǒng)通過速率是高速數據采集系統(tǒng)區(qū)別于一般采集系統(tǒng)的最為關鍵的一項技術指標。
　　(1)系統(tǒng)分辨力：是指數據采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量，通常用最低有效位值(LSB)、系統(tǒng)滿度信號的百分數(%FSR)或系統(tǒng)可分辨的實際電壓數值等來表示，有時也習慣用滿度信號可以分辨的級數來表示。對于動態(tài)信號采集，如選用MIC-3714采集卡，其ADC的位數為12b(bit)，采集系統(tǒng)的分辨力見下表所示。
　　(2)系統(tǒng)精確度：系統(tǒng)精確度是指系統(tǒng)工作于額定通過速率下，每個離散采樣樣本的轉換精確度，是系統(tǒng)實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，通常表示位滿度值的百分數，模數轉換器的精確度是一個系統(tǒng)精確度的極限值。對于一個12b分辨力的系統(tǒng)，采用12b的ADC時，數據采集系統(tǒng)中的MUX以及SHA的精確度均應明顯優(yōu)于選用的器件的精確度時，系統(tǒng)的精確度才能得到保證。
　　(3)系統(tǒng)通過速率：系統(tǒng)通過速率通常又稱為系統(tǒng)速度、傳輸速率、采集速率以及數據吞吐率等，是指系統(tǒng)每個通道每秒鐘可穩(wěn)定采集、處理的樣本數。對于一個包括模擬量輸入、模擬量輸出的采集系統(tǒng)，通過速率則指系統(tǒng)每個通道可采集、處理與輸出的樣本數。時間域上，與通過速率相對應的技術指標是通過周期，它是通過速率的倒數。通過周期又常稱為系統(tǒng)響應時間，或系統(tǒng)采集周期，它表征了系統(tǒng)從樣本輸入到輸出所需的時間，即系統(tǒng)每采集一個有效數據所占用的時間。對于大動態(tài)信號采集系統(tǒng)而言，系統(tǒng)通過速率是最重要的技術指標。
　　(4)系統(tǒng)動態(tài)范圍：對于數據采集系統(tǒng)，動態(tài)范圍是指系統(tǒng)可數字化的最大信號與可分辨的最小信號的比值，通常以對數值表示，即系統(tǒng)動態(tài)范圍＝20lg(ADC·a級級)。系統(tǒng)的分辨力每增加1b，ADC轉換分級數便增加一倍，分級誤差也因而降低一倍，系統(tǒng)的動態(tài)范圍相應擴展6dB。

三 高速數據采集與存儲技術  

　　在動態(tài)測試系統(tǒng)中，最為關鍵的是信號的高速采集、高速轉換和傳輸、高速記錄(存儲)。為便于敘述與分析，以研華的MIC-3714為例加以說明。

1. 高速信號采集技術

　　a. ADC的定時與控制
　　在動態(tài)信號采集系統(tǒng)中，定時與控制電路是緊密聯(lián)系在一起的，定時電路包括定時與計數兩個方面，定時電路主要為高速ADC、高速緩存提供時鐘信號，計數包括采樣計數、緩存計數(地址指針)以及觸發(fā)后的緩存計數，連同控制電路及時控制采集過程。采樣頻率需要根據系統(tǒng)設計的要求，同時根據所使用傳感器的中心響應頻率而定，此外，還要考慮采集卡所用PCI總線的帶寬以及IDE硬盤數據存儲的速率要求等。例如雖然MIC-3714每個通道可以達到30MS/s，但由于PCI的帶寬以及IDE硬盤數據存儲速率的限制，MIC-3714的采集數率不可能達到滿額。
　　b. 高速緩存技術
　　針對任務指標和實現難點，采用PCI總線控制器、板載FIFO和雙路并行復用技術，可滿足數據采集的高速指標要求。為了在滿足采集速率要求的前提下，減輕數據存儲對記錄設備速度方面的要求，采用FIFO存儲器對數據進行緩沖，在一定程度上降低對存儲設備速度方面的要求。FIFO存儲器具有兩個特點：一是數據進出有序；二是輸入/輸出端口獨立。靈活地使用FIFO可以構成不同容量、不同寬度、不同工作性質的緩存系統(tǒng)，而且不需要復雜的邏輯控制電路和地址發(fā)生器，因此，利用FIFO作為數據緩存器提高系統(tǒng)的可靠性。
　　c. 智能觸發(fā)技術
　　由于MIC-3714設定的采樣頻率較高，為防止數據丟失、提高計算機的數據采集效率和加速數據的傳輸效率，所有采集數據均采用DMA方式傳輸到內存，再由內存到用戶數據池。為保證ADC的精確采樣率，ADC觸發(fā)源選用內部Clock Pacer，并采用Analogy Threshold Trigger的技術觸發(fā)ADC，主要原因是動態(tài)信號集中在較高的高頻分量，且幅值極小，極易受到外界背景噪聲的干擾，尤其是一些高斯背景噪聲，采用Analogy Threshold Trigger技術可以在數據采集的過程中就可以將一些不必要的背景噪聲進行過濾處理，使采集得到的信號得以“凈化”，提高了采集信號的可用度，有效降低信號的維數。

2. 海量高速數據塊傳輸與存儲策略

　　在MIC-3714采集卡中，4個相互獨立的采集通道，雖然數據相互獨立，但在控制信號方面有主次之分，其中通道1為主，通道2～4的控制單元受到通道1控制單元的控制，以達到多路電路的協(xié)調工作。4個通道分別由A/D鎖存器、控制單元和緩存器FIFO組成。每路將接收到的外界動態(tài)信號變換為電信號，經過各自的A/D 變換后，并由各自的鎖存器鎖存，在邏輯控制單元的控制下，緩存到各自的FIFO內。而共同的數據通道由PCI總線控制器、PCI總線、主機內存和硬盤組成，負責將四路采集到的數據進行合并，然后在控制信號的控制下，經PCI總線控制器和PCI總線傳輸至內存，再由主機對數據進行存儲到磁盤，實現多路數據的實時采集與實時存儲。
　　所謂“多路并行復用”，是由于每路數據采集電路采用了兩個FIFO作為數據緩存器，在控制邏輯單元的控制下，交替地對兩個FIFO進行讀寫數據操作，即若FIFO(A)處于數據寫狀態(tài)時，FIFO(B)則處于數據讀狀態(tài)，PCI控制器將緩存在FIFO(B)中的數據傳輸至計算機內存后，發(fā)出事件響應信號，主機的事件響應處理程序將內存中的數據進行記錄，實現數據的存儲，同時FIFO(B)狀態(tài)轉換為數據寫狀態(tài)，在數據存儲過程結束后，FIFO(A)進入數據讀狀態(tài)，其中的數據經過與FIFO(B)中的數據相同的路徑進行存儲。就這樣FIFO(A)和FIFO (B)在控制邏輯單元的控制下，周而復始地進行讀寫狀態(tài)轉換，實現數據的采集與存儲同步進行。而其他幾路的數據采集與存儲過程與此相同，為了提高采集速度，將多路的輸出合并后進入計算機內存同時進行記錄存儲，由于多路的數據采集與緩存是由硬件電路自動進行的，而主機只負責數據的存儲工作，因而數據采集和存儲可以同時進行，實現了多路的并行復用，解決了高速采集與實時存儲之間的矛盾。工作原理見圖1所示。
　　在數據采集與存儲系統(tǒng)中，數據的實時采集由硬件電路在控制單元的控制下自動進行，這就為數據存儲提供了有利條件，使主機在對PCI總線控制器進行必要的初始化后，只進行數據存儲工作，提高了數據實時采集與實時存儲的速度。在數據存儲軟件的實現中，采用DMA工作方式。具體工作過程為：當系統(tǒng)啟動后，首先對采集卡進行檢測，如采集卡存在則申請系統(tǒng)資源，如內存容量、中斷和DMA資源等，初始化PCI控制器為總線的主設備，并設置相關參數(如定義中斷號、復位FIFO標志、FIFO管理方式、DMA傳輸源地址和目的地址以及傳輸字節(jié)數、總線主設備使能等)。在程序中，以事件消息傳遞方式進行工作，即當DMA將PCI總線控制器FIFO中的數據傳輸至主機內存中，當傳輸達到預定量時，PCI總線控制器向主機發(fā)送事件消息信號，主機中的事件處理程序將內存中的數據存儲到磁盤中(可以是IDE、也可以是SCSI II接口)，實現數據的實時存儲功能，程序流程圖如圖2所示。

四 結束語

　　動態(tài)信號測試技術的進步與科學技術的發(fā)展是相輔相成的，這種相輔相成的關系推動了測試技術的發(fā)展。現在，先進的現代動態(tài)測試技術在科學技術發(fā)展中所起的作用越來越大，其重要性越來越明顯，它已在各個學科領域，尤其是工業(yè)自動化、農業(yè)自動化、軍事工程、航天技術、資源探測、海洋開發(fā)、安全環(huán)保、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等領域廣泛應用，成為學科發(fā)展不可缺少的支柱，逐步解決測試領域動態(tài)參數越來越多、動態(tài)參數變化速度越來越快、動態(tài)測試精確度要求越來越高、動態(tài)測試越來越難等問題。