CPCI专用测试系统的研制
发布时间：2020-07-11 18:11
【摘要】：随着航天装备的现代化发展,对自动测试系统的要求也日益提高,特别是被测信号的数量、密度、种类等日益复杂。如何在装备使用前快速、全面、准确、机动的完成整套复杂测量任务,是装备性能保障的关键。为开展此方面探索,本论文针对多通道、高密度、多种类复杂信号的自动测试需求,设计了基于CPCI总线的专用自动测试系统。论文首先分析了成组合的被测对象的测试需求,提出了信号调理环节与信号测量环节去耦合的组合测量机制,并根据小型化、高密度、实时性测量要求,设计形成了包含定制化CPCI背板、龙芯零槽计算机、直流调理板卡、交流调理板卡、母线调理板卡、数据采集板卡在内的3U尺寸CPCI测试系统总体方案,从硬件、固件、软件三个层次予以实现。在硬件方面,综合针对外部被测信号和内部调理信号传输需求,设计了满足CPCI规范J2口自定义的CPCI背板;针对直/交流固定和母线可变三类信号分别设计了专用调理板卡,通过隔离、衰放、滤波、转换、选通等环节,将原始信号调理成测压和测频两类;设计了可供分时复用的数据采集板卡,全面考虑了采样率、分辨率、精度、缓存等要求。全部板卡设计了非易失参数存储器。在固件逻辑方面,针对被测信号和测试电路的适配控制问题,提出并设计了调理控制编码,基于FPGA和Verilog HDL语言完成了编码解析和调理控制,实现硬件电路实时可配置;面向共性测量需求,开发了基于多通道ADC的测压逻辑和等精度测频逻辑,及板载存储器接口和PCI总线接口逻辑;针对主机接口设计了软件可访问的控制、配置、状态寄存器组。在软件方面,针对实时测量需求,在龙芯2H零槽计算机和VxWorks实时操作系统上,面向系统硬件开发了驱动程序。针对校准和测量任务,基于逻辑定义的寄存器组开发了接口函数以及单通道/循环测量、自动校准应用程序。论文在实现了整套测试系统架构-硬件-逻辑-软件基础上,对所有输入通道做了全量程校准,搭建了实验室测试环境并进行了测试验证,结果满足指标要求。系统已投入使用,验证了设计的正确性与可靠性。论文为复杂被测对象的自动测试提供了分类专用调理-集中复用测量的组合测试方案和实现方法,对面向复杂测试需求的自动测试系统设计具有参考价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V416.8
【图文】：
图 1-1 测试数据传输技术的特征和关系比较其中紧凑机箱式包括 VME 及其在仪器领域的扩展 VXI，PCI 及其欧式卡结构 CPCI、仪器领域的扩展 PXI、高速串行化的 PXIe，以及综合了 LXI 和PXIe 的 AXIe 等等[5]；分布电缆式包括 GPIB，RS232（422/485），LAN，LXI，CAN，USB，1553，SpaceWire 等；无线传输式包括 Zigbee，Bluetooth，Wifi，UWB 等局域无线网和 LoRa，NBIoT，eMTC 等广域无线网。目前有分布式广域化与紧凑式模块化两个发展方向，分别满足于不同的数据传输需求环境。无线传输方式向高速率移动化发展，紧凑机箱型传输方式向高带宽仪器化方向发展[6]。1.2.2 测试仪器总线技术发展80 年代起，国内开始研制基于 GPIB、CAMAC 总线的半自动、自动测试系统[7]。到 90 年代中后期，随着总线技术的发展进步，国内测试系统越来越多的采用了 VXI 总线技术[7]。对于重点型号基本具备了完备的 VXI 总线通用或专用的自动测试系统。近年来，国内的自动测试系统相关技术取得了极大的
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 3 章 系统硬件设计本章在第 2 章的系统总体方案设计结论基础上，提出 CPCI 专用测试系统的硬件设计方案，包括硬件总体方案和各部分硬件电路的具体设计。本章的硬件设计亮点在于实现调理环节和测量环节去耦合的硬件实现方案，其中信号的互连是设计的关键点。3.1 系统硬件总体设计设计的 CPCI 专用测试系统硬件主要由 6 个部分的板卡级硬件组成：J2/P2定制化的 CPCI 背板，标准 CPCI 零槽计算机，数据采集复用板卡，直流信号调理专用板卡，交流信号调理专用板卡，母线信号调理专用板卡。此外还包括必要的供电设计，及与被测对象和校准源的硬件接口。考虑到系统的紧凑需求和器件密度，采用 3U 尺寸机箱。系统硬件设计总体原理框图如图 3-1 所示。
图 3-2 基于龙芯-2H 单片 SoC 的 CPCI 零槽计算机原理框图图 3-2 中所示的零槽计算机硬件设计方案围绕 LS-2H SoC 展开：通过 DDR控制器扩展 DDR3 SDRAM 内存颗粒，通过 SPI 接口扩展 FLASH ROM，通过PCIe 控制器和 PCIe-PCI 桥扩展 CPCI J1 接口，通过 UART 接口扩展 RS232 串口，通过 GMAC 接口扩展以太网接口，通过 SATA 扩展固态硬盘接口，通过GPIO 扩展 PS2 键盘和鼠标接口，通过 VGA 接口扩展显示接口。零槽计算机硬件由外协合作单位根据订制需求研制实现，课题仅在零槽计算机硬件与VxWorks 操作系统基础上进行面向底层硬件驱动与应用程序设计开发，因此对零槽计算机硬件研制不做重点阐述。3.2.2 机箱背板设计由总体功能设计和图 3-1 可知，定制化 CPCI 背板是硬件系统各组件实现有效互连的骨干，为各板卡和模块提供紧凑的机械固定和可靠的电气连接，硬件设计应保障 CPCI 背板能够：（1）为来自被测对象或校准源的被测信号提供后走线 rP2 连接器使其通过 rJ2 连接器进入背板对应槽位，（2）为经过三类调理板
本文编号：2750752
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V416.8
【图文】：
图 1-1 测试数据传输技术的特征和关系比较其中紧凑机箱式包括 VME 及其在仪器领域的扩展 VXI，PCI 及其欧式卡结构 CPCI、仪器领域的扩展 PXI、高速串行化的 PXIe，以及综合了 LXI 和PXIe 的 AXIe 等等[5]；分布电缆式包括 GPIB，RS232（422/485），LAN，LXI，CAN，USB，1553，SpaceWire 等；无线传输式包括 Zigbee，Bluetooth，Wifi，UWB 等局域无线网和 LoRa，NBIoT，eMTC 等广域无线网。目前有分布式广域化与紧凑式模块化两个发展方向，分别满足于不同的数据传输需求环境。无线传输方式向高速率移动化发展，紧凑机箱型传输方式向高带宽仪器化方向发展[6]。1.2.2 测试仪器总线技术发展80 年代起，国内开始研制基于 GPIB、CAMAC 总线的半自动、自动测试系统[7]。到 90 年代中后期，随着总线技术的发展进步，国内测试系统越来越多的采用了 VXI 总线技术[7]。对于重点型号基本具备了完备的 VXI 总线通用或专用的自动测试系统。近年来，国内的自动测试系统相关技术取得了极大的
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 3 章 系统硬件设计本章在第 2 章的系统总体方案设计结论基础上，提出 CPCI 专用测试系统的硬件设计方案，包括硬件总体方案和各部分硬件电路的具体设计。本章的硬件设计亮点在于实现调理环节和测量环节去耦合的硬件实现方案，其中信号的互连是设计的关键点。3.1 系统硬件总体设计设计的 CPCI 专用测试系统硬件主要由 6 个部分的板卡级硬件组成：J2/P2定制化的 CPCI 背板，标准 CPCI 零槽计算机，数据采集复用板卡，直流信号调理专用板卡，交流信号调理专用板卡，母线信号调理专用板卡。此外还包括必要的供电设计，及与被测对象和校准源的硬件接口。考虑到系统的紧凑需求和器件密度，采用 3U 尺寸机箱。系统硬件设计总体原理框图如图 3-1 所示。
图 3-2 基于龙芯-2H 单片 SoC 的 CPCI 零槽计算机原理框图图 3-2 中所示的零槽计算机硬件设计方案围绕 LS-2H SoC 展开：通过 DDR控制器扩展 DDR3 SDRAM 内存颗粒，通过 SPI 接口扩展 FLASH ROM，通过PCIe 控制器和 PCIe-PCI 桥扩展 CPCI J1 接口，通过 UART 接口扩展 RS232 串口，通过 GMAC 接口扩展以太网接口，通过 SATA 扩展固态硬盘接口，通过GPIO 扩展 PS2 键盘和鼠标接口，通过 VGA 接口扩展显示接口。零槽计算机硬件由外协合作单位根据订制需求研制实现，课题仅在零槽计算机硬件与VxWorks 操作系统基础上进行面向底层硬件驱动与应用程序设计开发，因此对零槽计算机硬件研制不做重点阐述。3.2.2 机箱背板设计由总体功能设计和图 3-1 可知，定制化 CPCI 背板是硬件系统各组件实现有效互连的骨干，为各板卡和模块提供紧凑的机械固定和可靠的电气连接，硬件设计应保障 CPCI 背板能够：（1）为来自被测对象或校准源的被测信号提供后走线 rP2 连接器使其通过 rJ2 连接器进入背板对应槽位，（2）为经过三类调理板
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 齐永龙;宋斌;刘道煦;;国外自动测试系统发展综述[J];国外电子测量技术;2015年12期
2 杨帅;席志红;;基于VxWorks的Compact PCI总线中断机制研究[J];电子科技;2015年04期
3 张万绪;刘雷;杨威;张维峰;袁永德;;基于Vxworks的航空机电自动测试系统、通信机制[J];西北大学学报(自然科学版);2014年06期
4 屈建兵;;军用自动测试系统的发展综述[J];直升机技术;2014年01期
5 赵亮亮;肖明清;程进军;陈利安;朱令龙;;COBRA/T——美军通用自动测试系统的新进展[J];计算机测量与控制;2013年06期
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相关硕士学位论文 前4条
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2 杨振家;基于CPCI总线的高速数据采集处理模块的设计[D];电子科技大学;2013年
3 陈慧;CPCI数据采集模块的研究和开发[D];复旦大学;2013年
4 李士伟;基于CPCI总线四通道数据采集系统的设计与实现[D];西安电子科技大学;2012年
本文编号：2750752
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