基于USB、PCM编码和以太网三层通讯的虚拟仪器平台

摘要：介绍了一种基于USB、PCM编码和以太网三层通讯的虚拟仪器——DDS TM仪器平台。分析了三层通讯的各自特点和相互关系，重点介绍了DDS TM仪器的组成，然后从虚拟仪器的角度简要介绍系统软件，最后给出实例。

关键词：USB PCM编码 以太网 DDS仪器 虚拟仪器

在现代航空航天、高速列车等大型工程试验中，往往要求对多科目、多位置的数百路高低速动态信号进行连接长时间同步采集、记录、实时处理，并且要求测试数据网上综合。早期的独立测试仪器已逐渐不能满足日益膨胀的需求，世界各国都在寻求高效、方便的综合测试平台。DDS仪器(数字式动态信号测试仪器)正是为了满足现代大型工程测试需要，综合在遥控测中成熟的PCM编码技术、最新的 USB(通用串行总线)桌面接口技术和已广泛应用的以太网技术，成功开发的全新数字化测控仪器平台。

虚拟仪器是目前国内外测试技术与仪器制造业十分关注的热点话题，其技术发展非常迅速。它通过用传统仪器的部分功能甚至全部功能的软件化，在通用的计算机平台上，灵活地实现了传统的测量和控制能力。USB连接方式简单，是一种成本较低的解决方案。而USB接口的仪器单元不仅可内置于计算机机箱中使用，也可以单独构成仪器，置于计算机外工作，通过USB电缆传输信号至主机。特别是USB 支持即插即用(PnP)，系统能够自动地对USB设备进行配置。由此，建立在USB基础上的虚拟仪器平台便有了竞争力。

DDS仪器软件的核心部分为自主源代码，

有利于系统应用程序的最底层开发，直接面向用户的需求。同时，软件也结合了现有多种较成熟仪器平台的技术，提供了与它们之间的接口。

从PCM编码、USB、以太网三层通信入手，本文将论述综合测试平台的通讯结构与特点，DDS仪器的硬件体系结构以及系统软件构建的虚拟仪器平台。直升机测试的实例将展现该系统的应用。

1 三层通信结构介绍

三层通信系统硬件结构框图如图1所示。

1.1 USB通信层

起源于1995年的USB，近年来得到了飞快发展。除了作为标准外设接口应用之外，它也正在成为多种新型应用的通用连接标准，包括数据采集、测试测量等。由于USB1.1支持12 Mbps(高速)和1.5Mbps(低速)两种速度，因此能满足大部分工业实时测试的要求。而且，由于USB自身的特点，使得由它构成的系统具有了优势。

采用USB构成的系统具有可扩展性。通过使用Hub扩展，可驳接多达127个外投。USB具有良好的即插即用与热插拔特性[1],从而使由此构成的DDS仪器可以方便地增加和删减测试单元，组成现场所需的测试仪器。

与传统的安装在台式机机箱内的数据采集板卡相比，

USB接口不仅可以方便地应用于台式计算机，而且更广泛地应用于便携式计算机，有利于数据采集系统小型化、便携化，而且再也不会受计算机插槽数量、地址、中断等资源的限制。

另外，安装在机箱内的板卡往往会受到机箱内数据噪声环境的干扰。与之相反，DDS TM仪器是一个独立的模拟电路环境，具有安静的电磁氛围，数字噪声极小。即使对于测量上千千瓦交流电机振动的微伏级输入信号，也能得到干净、精密的信号波形。

鉴于以上优点，DDS仪器采用USB通信协议与数据采集计算机通信，实现数据在桌面的汇总。随着USB2.0的推出，USB的速率将达到480Mbps。我们相们，DDS仪器的应用前景钭更为令人瞩目。

1.2 PCM编码的通信

USB是优秀的桌面接口技术，当它与PCM编码通信相结合，优势互补，就能产生一种简单、高速、抗干扰力强并适用于无线、同轴、光纤等多种介质的远距离数据采集系统。其基本思想是在现场测试点，将传感器采集的模拟量数字化后进行 PCM编码，按照通信双方约定好的协议将数据上传。在PC机近端有一个双向的PCM编码与USB的转换接口，利用这个转换接口接收数据并通过USB接口传输至PC机进行分析。而主机向设备发送控制信息的过程正好相反，数据通过转换接口以PCM编码的形成再向远端传输。

1.3 以太网通信层

一个大型测试项目通常由多个测试科目组成，每个科目又有多台DDS仪器。在进行实时数据处理时，将可能有多个数据处理工作站按照各自的要求，从不同的DDS仪器上取得信号数据流。以太网正是为测试信号的数据综合提供了最方便的方法。

2 数字式动态信号测试仪器(DDS仪器)

DDS义器采用USB总线作为仪器的通讯总线，现已开发成功USB接口的A/D 转换单元、数字式动态应变仪单元、数字式电位器调理单元、PCM编码接收单元等一系列单元模块。根据现场需要，可随时将模块插入DDS仪器机箱内组合成所要求的测控系统。图2是一个DDS仪器的典型应用。在DDS仪器中，最左边的USB接口A/D单元(ADKM01_USB)上带有USBHUB(集线器)，

通过DDS仪器内的HUB扩展为每个调理单元提供USB接口。USB接口A/D单元上有32路模拟信号输入，3路脉冲信号输入。模拟信号经调理单元放大处理后送到A/D转换单元，且每个调理单元的调节，如增益、零点、低通滤波器截止频率等均通过USB接口，由软件完成调节控制。

在此系统中，其中的PCM编码接收单元如图3示意，采用CPLD，于在线可编程芯片(ISP芯片)上完成信号的串并转换、译码和分路输出等功能。与之相应，信号发送端的可编程器件实现多路信号重新组合、PCM编码、并/串转换，经驱动后进行远距离传输。无论是发送端还是接收端，都只需一片ISP芯片完成通信的全部功能。

PCM编码通信协议如图4所示。译码模块分别提取信息码流中的位同步和帧同步信号，并将PCM码译成NRZ码。分路模块接收译码模块输出的位同步时钟、帧同步信号和串行NRZ码流，将串行信号分路，输出宽度为16位的并行信号。数据重排模块接收来自三个分路模块的并行信号，将它们按一定的规律送入缓存并发出中断申请。USB单片机接收到中断后，从缓存中取出数据并通过USB总线传送给计算机。

使用ISP芯片不仅减小了设备的体积，减少了电路的外部连续，而且减少了外部干扰的机会，提高了电路的可靠性。

3 DDS TM仪器软件体系

DDS仪器软件体系建立在Windows98或Windows2000操作系统上，采用虚拟仪器的实现方法，面向最终用户。DDS仪器软件分三大部分，由设备驱动程序，仪器操作、信号记录软件和DataScop信号分析软件组成。

DDS仪器操作、信号记录软件采用最直观、简洁的方法实现了DDS仪器即插即用的配置管理，其虚拟仪器界面的设计沿用磁带机、示波器、数字表、应变仪等传统仪器的操作习惯，并提供了信号实时频谱分析及显示，信号多重检索，电视摄像同步，调理单元自动调节、成组调节等多种高效、快速仪器调节，仪器设定状态数据管理，信号实时网络传输等强大功能。

DataScop信号分析软件通过TCP/IP协议，从DDS仪器软件获取实时或回放数据，可完成数据标定，测试零线确定，提供常用时域分析、频域分析、统计分析、信号曲线、图表输出。根据用户要求，还可内建如：机车车辆动力学分析模块，飞机强度分析模块等实时处理模块。信号分析可自动连续处理。

4 应用实例与结论

直升机飞行测量系统是根据用户需求研制的动态信号综合测试系统。在此系统中，来自尾桨、主桨、机舱的共约100多路信号通过调理、采集、PCM编码汇总并传输到USB总线，然后送入现场监控计算机实时显示、分析、处理。通过以太网将数据共享，实现数据灵活检索与回放，方便数据后续处理与综合。

试验证明该系统很好地解决了现代大型综合测试的需要，极大地提高了测试效率。