石 瑞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安 710068)

工業(yè)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要指標(biāo)，工業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化程度更是直接體現(xiàn)該水平的一個(gè)重要因素［1］。采集設(shè)備的多點(diǎn)實(shí)時(shí)并行狀態(tài)采集和采集設(shè)備單點(diǎn)狀態(tài)的采集精度的提高，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行有效的狀態(tài)分析控制和新設(shè)備研發(fā)都有積極的促進(jìn)作用。

數(shù)字邏輯分析設(shè)備一般都是將采集到的模擬量(如電壓、質(zhì)量、狀態(tài)量等)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)某種模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)而得到數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)交給處理器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)人機(jī)界面將結(jié)果輸出給使用者［2］。然而，通過(guò)分析現(xiàn)有的數(shù)字邏輯分析設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有一些不足或需要改進(jìn)的地方。比如，有的邏輯分析設(shè)備提供商根據(jù)自身利益需求，針對(duì)各自市場(chǎng)劃分提供相應(yīng)的專門設(shè)備，無(wú)形中不但增加了使用者的生產(chǎn)成本，而且降低了設(shè)備的通用性;多數(shù)數(shù)字邏輯分析設(shè)備價(jià)格昂貴，形成過(guò)高的使用價(jià)格門檻;設(shè)備采集信號(hào)功能單一，設(shè)備功能靈活性有限。綜合以上論述，本文在現(xiàn)有數(shù)字邏輯分析設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種高精度數(shù)字邏輯分析設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，該方法的重點(diǎn)有兩個(gè)方面:一方面通過(guò)高精度時(shí)隙控制模塊的時(shí)隙控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)低精度的狀態(tài)采集模塊組合完成單路高精度的狀態(tài)采集并輸出(理論上，在一個(gè)1GHz精度的時(shí)隙控制模塊控制下，將10路1MHz采集精度的狀態(tài)輸入分別控制在特定的時(shí)隙中，進(jìn)而獲得1路10MHz的狀態(tài)采集精度);另一方面是通過(guò)設(shè)置不同的輸入比較門限，降低采集結(jié)果的失真度。由于邏輯分析儀的市場(chǎng)價(jià)格隨著采集時(shí)間精度的提高而快速增長(zhǎng)，所以該方法既可以降低高精度狀態(tài)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造成本，又可以提高普通狀態(tài)設(shè)備的采集精度，獲得更高的實(shí)際效益［3］。

1 邏輯分析設(shè)備原理概述

邏輯分析儀是利用時(shí)鐘從測(cè)試設(shè)備上采集并顯示數(shù)字信號(hào)的儀器，主要用于時(shí)序判定。邏輯分析儀不同于示波器可以顯示模擬信號(hào)，它針對(duì)每一路信號(hào)輸入僅設(shè)置一個(gè)唯一的門限值，用于與被測(cè)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度大小比較，故輸出的是高于門限信號(hào)強(qiáng)度和低于門限信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)字波形。采集效果如圖1所示。

圖1 單門限狀態(tài)采集效果

2 高精度狀態(tài)采集實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)上述邏輯分析設(shè)備工作原理，邏輯分析設(shè)備可以獲得復(fù)雜的模擬輸入信號(hào)與門限信號(hào)的強(qiáng)度比較關(guān)系，進(jìn)而得到可以交給計(jì)算機(jī)處理的具有時(shí)間序列的數(shù)字信號(hào)，這種信號(hào)處理方法針對(duì)多路狀態(tài)量并行(如多路電信號(hào)的通斷檢測(cè))采集和處理比較方便，如果希望通過(guò)該狀態(tài)采集的輸出結(jié)果還原初始模擬信號(hào)，就需要考慮輸出信號(hào)失真度過(guò)高的問(wèn)題。根據(jù)狀態(tài)采集的技術(shù)原理和特點(diǎn)，下文將詳細(xì)介紹本文所研究設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，核心技術(shù)是本文中提到的組合多路多門限狀態(tài)采集，一方面提高輸入采樣信號(hào)的時(shí)序精度，另一方面降低輸出信號(hào)的誤差。

2．1 多路組合狀態(tài)采集方案

多路組合狀態(tài)采集的具體技術(shù)方案，是在高精度時(shí)隙控制模塊的時(shí)隙控制下，形成一個(gè)時(shí)隙序列，并控制每個(gè)單路狀態(tài)采集模塊工作在確定的時(shí)隙內(nèi)。這種控制方式下，如果單位時(shí)間按照時(shí)隙控制模塊分為N個(gè)時(shí)隙，則單位時(shí)間的組合狀態(tài)采集的時(shí)間精度就相當(dāng)于單路狀態(tài)采集時(shí)間精度的N倍，如圖2(a)中時(shí)間軸所示。然后，再按照實(shí)際需要對(duì)每個(gè)狀態(tài)采集模塊門限信號(hào)的大小進(jìn)行設(shè)置，如圖2(a)門限軸所示，形成輸入信號(hào)比較強(qiáng)度線性增長(zhǎng)的門限序列，并對(duì)每個(gè)門限信號(hào)按照大小進(jìn)行二進(jìn)制標(biāo)記。當(dāng)被測(cè)模擬信號(hào)按照同樣的時(shí)隙劃分依次輸入到各個(gè)狀態(tài)采集模塊時(shí)，在每一個(gè)時(shí)隙里，只要判斷輸入信號(hào)處于哪兩個(gè)相鄰門限信號(hào)之間，把較小的門限信號(hào)的二進(jìn)制標(biāo)記作為輸出信號(hào)。在設(shè)備的輸出端按時(shí)隙順序關(guān)系將每路輸出結(jié)果進(jìn)行組合，即可得到一個(gè)近似的按時(shí)隙的數(shù)字信號(hào)輸出，如圖2(b)所示。

2．2 組合狀態(tài)采集核心模塊構(gòu)成

圖2 多門限狀態(tài)采集效果

在具體硬件設(shè)計(jì)中，上述多路狀態(tài)采集采用的是模塊化設(shè)計(jì)方案，整個(gè)核心功能部分由信號(hào)輸入模塊、時(shí)隙控制模塊、多路狀態(tài)采集模塊和輸出模塊構(gòu)成。為了便于用戶使用，在核心功能部分之外再加入上位機(jī)模塊，為用戶提供時(shí)隙精度控制、多個(gè)狀態(tài)采集門限信號(hào)控制和狀態(tài)采集結(jié)果輸出的人機(jī)界面接口，功能模塊的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能模塊整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由上述設(shè)計(jì)方案和模塊構(gòu)成可知，該設(shè)計(jì)方案中硬件模塊的功能劃分清楚，可以滿足通過(guò)提高時(shí)隙控制模塊的時(shí)間精度進(jìn)而提高組合采集精度并實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)采集時(shí)間精度的需要，還可以在狀態(tài)輸出端得到一定近似程度的數(shù)字輸出結(jié)果，便于后期的狀態(tài)采集結(jié)果處理。

3 狀態(tài)采集精度影響因素分析

基于邏輯狀態(tài)采集的誤差，在其構(gòu)成的各個(gè)主要模塊中都不可避免地存在，其狀態(tài)采集結(jié)果的精度同樣受到很多因素的影響，具體如下。

3．1 硬件電路因素

a．本文所研究的設(shè)備設(shè)計(jì)方案多處用到了微處理器、微控制器以及門限信號(hào)大小的設(shè)置，所以設(shè)備電源輸入的波動(dòng)將引起整個(gè)狀態(tài)采集結(jié)果的波動(dòng)，使得采集結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間產(chǎn)生差異。

b．該設(shè)備采用了多路并行狀態(tài)采集方案，各個(gè)采集卡之間的共地干擾也將是一個(gè)影響采集結(jié)果準(zhǔn)確性的因素。

3．2 軟件設(shè)計(jì)因素

組合多點(diǎn)狀態(tài)采集實(shí)現(xiàn)單路輸出，這種方案的數(shù)學(xué)模型就是一種通過(guò)分段投影擬合目標(biāo)曲線的方法。該方法在本文所研究的設(shè)備中是通過(guò)直接比較輸入信號(hào)和門限信號(hào)強(qiáng)度大小，并將輸入信號(hào)曲線直接投影到距離最近的門限強(qiáng)度信號(hào)軸上，這是一種近似曲線擬合，在算法上存在固有的誤差。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

基于上述多路組合狀態(tài)采集實(shí)現(xiàn)單路高精度采集的設(shè)計(jì)方案，本文利用Labview軟件進(jìn)行虛擬儀器的程序開(kāi)發(fā)，進(jìn)而完成相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)［4－5］。

實(shí)驗(yàn)中，使用Labview編程，分別實(shí)現(xiàn)一個(gè)最大值為1的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形模塊(代表模擬待測(cè)輸入信號(hào))、一個(gè)2級(jí)和一個(gè)5級(jí)大小遞增的比較門限多路狀態(tài)采集模塊(代表多路組合狀態(tài)采集)，并且將上述狀態(tài)采集門限強(qiáng)度平均分布在0～1之間(代表時(shí)隙控制)，分兩次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到比較結(jié)果輸出和數(shù)字輸出(代表單路狀態(tài)采集的波形輸出和數(shù)字輸出)，2級(jí)門限狀態(tài)采集結(jié)果見(jiàn)表1，5級(jí)門限狀態(tài)采集結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 2級(jí)狀態(tài)采集結(jié)果

表2 5級(jí)狀態(tài)采集結(jié)果

對(duì)比表1和表2可以看出:兩次實(shí)驗(yàn)都獲得了近似的數(shù)字輸出，相對(duì)輸出結(jié)果曲線圖，可以得出5級(jí)門限序列組合狀態(tài)采集得到的輸出結(jié)果精度更高，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果也更符合目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度曲線，證明文中所提的邏輯分析設(shè)備的設(shè)計(jì)方案是可行的。表2得出的輸出結(jié)果與真實(shí)值之間的誤差很明顯，這是因?yàn)椴杉c(diǎn)數(shù)量有限，并且采集點(diǎn)分布平均，在這樣的條件下擬合一個(gè)未知信號(hào)的強(qiáng)度曲線是會(huì)產(chǎn)生較大誤差的。因此，可以通過(guò)增加采集點(diǎn)的方法，提高時(shí)隙控制模塊的控制精度來(lái)提高狀態(tài)采集的精度［6］。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種高精度邏輯分析設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方案的有效性和可行性，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中提出進(jìn)一步提高采集精度的方法。該方案在工業(yè)生產(chǎn)和過(guò)程控制中有一定實(shí)際意義，對(duì)于升級(jí)現(xiàn)有邏輯分析儀的采集能力有一定參考價(jià)值。

［1］ 周振安．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］．北京:地震出版社，2005．

［2］ 張震．多功能數(shù)據(jù)采集儀的研制［D］．杭州:杭州電子科技大學(xué)，2009．

［3］ 魏麗娜．多通道高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化儀表，2002，23(2):37 －42．

［4］ 侯國(guó)屏，葉齊鑫．Labview7．1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

［5］ 鄭福仁．Labview虛擬儀器程序設(shè)計(jì)［M］．北京:人民郵電出版社，2010．

［6］ 管力軍．多通道高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化儀表，2002，23(2):33 －36．