虹科數(shù)字化儀在車輛測(cè)試的應(yīng)用

01介紹

虹科模塊化儀器減小了傳統(tǒng)儀器的尺寸，因此它們可以安裝在電路卡上。多個(gè)卡可以插入到具有通用計(jì)算機(jī)接口、電源和互連的框架中。模塊化儀器框架包括使用標(biāo)準(zhǔn)PCIe接口的計(jì)算機(jī)、PXI測(cè)試框架或基于LXI的盒子。通常，工程師使用多張卡并將其配置到一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中。該系統(tǒng)可能包含多個(gè)儀器、具有多個(gè)通道的單一儀器類型，或兩者的組合。

右圖顯示了配備兩個(gè)PCIe模塊化數(shù)字化儀的便攜式計(jì)算機(jī)。這種緊湊、獨(dú)立的裝置可在車輛內(nèi)使用，允許在車輛行駛時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

基于PXI的模塊化系統(tǒng)不那么自主，但在單個(gè)板條箱中提供更多的模塊化儀器。他們需要外接顯示器和鍵盤。虹科Spectrum的虹科digitizerNETBOX等基于LXI的系統(tǒng)非常適合實(shí)驗(yàn)室安裝和移動(dòng)使用，通過(guò)LAN提供大量通道和連接，可直接連接筆記本電腦或遠(yuǎn)程控制室監(jiān)控。

02車載電子

車載電子子系統(tǒng)的基礎(chǔ)是微處理器。左圖為顯示微控制器、存儲(chǔ)器和外圍接口的通用車載微處理器。傳感器和其他控制器使用微控制器底部顯示的各種車輛特定接口進(jìn)行通信。

這些微處理器與標(biāo)準(zhǔn)微處理器的不同之處在于具有更高的環(huán)境和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，以及增加了專用車輛總線和接口，例如CAN、LIN和PSI5。這些接口允許微處理器與其他處理器、傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行通信。

控制器局域網(wǎng)或CANbus是此處顯示的最復(fù)雜的數(shù)據(jù)總線，是許多汽車數(shù)據(jù)鏈路的主干。在其基本形式中，它使用帶有8字節(jié)數(shù)據(jù)包的差分信號(hào)通過(guò)兩線總線以20kb/s到1Mb/s的速度交換數(shù)據(jù)。更新的版本CAN靈活數(shù)據(jù)速率(CAN FD)將數(shù)據(jù)內(nèi)容擴(kuò)展為64字節(jié)數(shù)據(jù)包，以高達(dá)12Mb/S的速度交換。

本地互連網(wǎng)絡(luò)或LIN總線是一種成本較低的總線，用于幫助降低非關(guān)鍵應(yīng)用的成本。它使用兩個(gè)、四個(gè)或八個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀通過(guò)單根線以高達(dá)20kb/s的速度運(yùn)行。

PSI5接口用于將多個(gè)傳感器連接到電子控制單元，并已用作安全氣囊和相關(guān)約束系統(tǒng)的主要傳感器通信總線。它是使用曼徹斯特編碼以高達(dá)189kb/S的速度運(yùn)行的兩線總線。

03 虹科數(shù)字化儀的應(yīng)用

最常用的模塊化儀器是數(shù)字化儀。虹科數(shù)字化儀是一種電子采集設(shè)備，它采集模擬波形，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)其進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并將數(shù)字化的樣本發(fā)送到緩沖區(qū)，以便在計(jì)算機(jī)處理之前將其保存。虹科Spectrum等模塊化儀器供應(yīng)商提供的數(shù)字化儀具有8到16位的ADC分辨率，模擬帶寬高達(dá)1.5GHz，采樣率高達(dá)每秒5Giga采樣(GS/s)，每張卡有1到16個(gè)通道。為同步多張卡做準(zhǔn)備，每個(gè)系統(tǒng)最多允許16個(gè)卡(或最多256個(gè)完全同步的通道)。這些儀器系統(tǒng)可無(wú)限重新配置，以在車載嵌入式系統(tǒng)中采集、存儲(chǔ)和測(cè)量信號(hào)。

可以選擇虹科數(shù)字化儀以匹配每個(gè)接口的數(shù)據(jù)速率和帶寬要求，以及更常見(jiàn)的處理器和相關(guān)操作。

圖1：獲取來(lái)自轉(zhuǎn)向角傳感器的CANbus數(shù)據(jù)包，并使用虹科Spectrum M2p.5946-X4 4通道、80MS/s、16位數(shù)字化儀和SBench6軟件測(cè)量信號(hào)的物理層屬性。

考慮監(jiān)控CANbus接口的任務(wù)。用于此測(cè)量的數(shù)字化儀具有可遠(yuǎn)程配置的輸入，允許每個(gè)通道的單端或差分輸入。在這種情況下，使用了差分輸入。結(jié)果如圖3所示。該采集使用虹科Spectrum的SBench6軟件顯示，該軟件允許分析接口的物理層。可以驗(yàn)證信號(hào)的幅度和時(shí)序，以確保符合CANbus標(biāo)準(zhǔn)。

信號(hào)幅度的基本測(cè)量，包括峰峰值、最大值和最小值，可以表征數(shù)據(jù)包。對(duì)上升和下降時(shí)間進(jìn)行額外的計(jì)時(shí)測(cè)量，以確?？偩€信號(hào)的完整性。

除了物理層之外，虹科Spectrum數(shù)字化儀還可以與第三方程序(如LabVIEW和MATLAB)連接，在這些程序中可以解碼波形數(shù)據(jù)并探索協(xié)議層。經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員可以使用Windows和Linux驅(qū)動(dòng)程序以C、C+、Python或類似語(yǔ)言創(chuàng)建自定義程序，以開(kāi)發(fā)自定義解碼操作。

04信號(hào)源仿真

在許多工程項(xiàng)目中，測(cè)試可能會(huì)因?yàn)槿鄙訇P(guān)鍵組件或進(jìn)行物理測(cè)試太昂貴而被擱置。任意函數(shù)發(fā)生器(AWG)可用于創(chuàng)建幾乎任何波形并模擬丟失的組件。任意波形發(fā)生器是數(shù)字信號(hào)源，其操作非常類似于反向數(shù)字化儀。在數(shù)字化儀對(duì)模擬波形進(jìn)行采樣、數(shù)字化然后將其存儲(chǔ)在其采集存儲(chǔ)器中的情況下，AWG具有存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器中的波形的數(shù)字描述。選定的波形樣本被發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波和信號(hào)調(diào)理，作為模擬波形輸出。

對(duì)于仿真，如果您可以訪問(wèn)由數(shù)字化儀獲取的缺失部分的響應(yīng)波形，或者可以通過(guò)分析創(chuàng)建，您可以使用AWG作為替代。一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是能夠輸出一系列波形，每個(gè)波形代表被測(cè)系統(tǒng)的不同狀態(tài)。雖然這可以通過(guò)多個(gè)生成器和某種切換來(lái)完成，但有一種更有效的方法。

具有全功能序列模式的AWG，例如虹科Spectrum M4i.66xx-x8系列(如上圖)，能夠在波形之間實(shí)時(shí)切換，甚至無(wú)需重新加載不同波形的時(shí)間。AWG的波形存儲(chǔ)器是分段的，可以存儲(chǔ)測(cè)試所需的每個(gè)波形，每個(gè)波形都在自己的段中。AWG在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)存儲(chǔ)在單獨(dú)的序列存儲(chǔ)器中的指令逐步遍歷波形。可以更新或更改序列存儲(chǔ)器的內(nèi)容，而不會(huì)影響AWG的輸出狀態(tài)。這種序列模式操作允許基于測(cè)試結(jié)果自適應(yīng)地改變測(cè)試序列。這種能力大大減少了測(cè)試時(shí)間并提高了測(cè)試的徹底性。

圖2 創(chuàng)建曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)包需要三個(gè)波形段

例如，AWG可用于替代PSI5傳感器，產(chǎn)生一系列可編程輸出代碼。PSI5使用曼徹斯特編碼。曼徹斯特碼總是在每個(gè)位周期的中間放置一個(gè)轉(zhuǎn)換。它也可能(取決于要傳輸?shù)?a target="_blank">信息)在周期開(kāi)始時(shí)有一個(gè)過(guò)渡。中間位轉(zhuǎn)換的方向指示數(shù)據(jù)。周期邊界的轉(zhuǎn)換不攜帶信息。它們的存在只是為了將信號(hào)置于正確的狀態(tài)以允許中間位轉(zhuǎn)換。保證轉(zhuǎn)換允許信號(hào)自計(jì)時(shí)。要生成PSI5數(shù)據(jù)包，需要三個(gè)波形段，如圖2所示。邏輯“1”(段1)由高到低的轉(zhuǎn)換指示。邏輯“0”(段0)由低到高的轉(zhuǎn)換指示。

通過(guò)使用這些組件定義三個(gè)波形段，可以合成任何數(shù)據(jù)模式組合。這意味著通過(guò)重新排列這三個(gè)段的順序，可以更改數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。圖3顯示了PSI5數(shù)據(jù)包的四個(gè)示例，每個(gè)數(shù)據(jù)包由三個(gè)段組成，但每個(gè)段具有不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖3 重新排序序列存儲(chǔ)器內(nèi)容產(chǎn)生的四種不同數(shù)據(jù)模式

在此示例中，段設(shè)置為512個(gè)樣本的長(zhǎng)度，時(shí)鐘速率為50MS/s，因此每個(gè)組件的持續(xù)時(shí)間(TBIT)將為10.24?。數(shù)據(jù)包由持續(xù)超過(guò)兩個(gè)位時(shí)鐘周期的基線信號(hào)分隔。AWG是使用MATLAB腳本控制的，該腳本從三個(gè)段組裝了四種不同的數(shù)據(jù)模式，用于本次測(cè)試。數(shù)據(jù)包之間的切換無(wú)縫進(jìn)行，沒(méi)有間斷。

05 電源排序

另一個(gè)需要關(guān)注的領(lǐng)域是上電或斷電時(shí)電源軌的正確排序。嵌入式計(jì)算系統(tǒng)通常需要多個(gè)電源電壓來(lái)為微處理器、存儲(chǔ)器和其他板載設(shè)備供電。大多數(shù)微控制器都有一個(gè)規(guī)定的順序，其中必須施加電壓以防止出現(xiàn)鎖定等問(wèn)題。電源管理IC(PMC)或電源定序器執(zhí)行許多定序任務(wù)。由于大多數(shù)處理器使用多個(gè)電壓，因此具有多達(dá)8個(gè)輸入的數(shù)字化儀是此類測(cè)量的理想儀器。此外，由于上電/斷電序列需要毫秒級(jí)，因此還需要大型采集存儲(chǔ)器。

圖4：監(jiān)控5、3.3和1.8伏電源軌以確定正確的上電順序

圖4是一個(gè)簡(jiǎn)單的電源序列測(cè)量示例。監(jiān)控三個(gè)電源軌(5、3.3和1.8伏)。所期望的是電壓電平應(yīng)該以期望的順序單調(diào)上升。在此示例中，5伏電源先于其他電源打開(kāi)，然后是3.3伏和1.8伏線路。

可以使用光標(biāo)測(cè)量時(shí)間延遲，如圖所示，其中5伏和3.3伏總線之間的時(shí)間延遲測(cè)量為35.5?。

這種類型的功率測(cè)量可以擴(kuò)展到測(cè)量紋波、調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)。

06Measurement機(jī)械測(cè)量

圖5：使用轉(zhuǎn)速計(jì)、加速度計(jì)和麥克風(fēng)測(cè)量風(fēng)扇的振動(dòng)和聲學(xué)特性。

模塊化儀器還可以使用合適的傳感器進(jìn)行機(jī)械測(cè)量。圖5顯示了對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行的一系列機(jī)械測(cè)量。

此SBench6屏幕圖像顯示了最左側(cè)網(wǎng)格中的轉(zhuǎn)速計(jì)輸出。該波形由風(fēng)扇每轉(zhuǎn)一圈一個(gè)脈沖組成。通過(guò)測(cè)量此信號(hào)的頻率來(lái)讀取風(fēng)扇速度。該圖左側(cè)中心信息窗格中的頻率讀數(shù)將此頻率讀取為27.8Hz(每秒轉(zhuǎn)數(shù))。將此頻率讀數(shù)乘以60可得出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為1668轉(zhuǎn)每分鐘(RPM)。顯示頻率最小值、最大值和偏差的統(tǒng)計(jì)讀數(shù)顯示在頻率讀數(shù)下方。

加速度計(jì)輸出顯示在標(biāo)有“加速度計(jì)輸出”的上部中心網(wǎng)格中。已使用模擬通道設(shè)置設(shè)置自定義垂直刻度以直接讀取g's。信號(hào)峰峰值和有效(rmS)幅度的測(cè)量值顯示在信息窗格中。該信號(hào)的時(shí)域視圖有點(diǎn)難以解釋，因此計(jì)算該信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)并顯示在右上角的顯示網(wǎng)格中。

FFT顯示了構(gòu)成加速度信號(hào)的頻率分量。FFT的頻域或頻譜視圖提供了更容易的物理解釋，因?yàn)樗鼘⒏鞣N頻率分量分開(kāi)。最左邊的峰值出現(xiàn)在27.8Hz，即風(fēng)扇電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率。其他光譜分量對(duì)應(yīng)于風(fēng)扇的物理屬性。

麥克風(fēng)輸出顯示在中心底部網(wǎng)格中，按比例顯示聲壓。該數(shù)據(jù)也已重新調(diào)整，以便以壓力單位讀取，即帕斯卡。信息窗格中的測(cè)量顯示該信號(hào)的峰峰值和有效幅度。與振動(dòng)信號(hào)的情況一樣，聲學(xué)的FFT提供了大量的物理洞察力。

07結(jié)論

虹科數(shù)字化儀非常適合車輛測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用，可以提供了大量分辨率從8位到16位的通道。高達(dá)5GS/s的數(shù)字化速率允許選擇與應(yīng)用相匹配的快速或慢速采樣。任意波形發(fā)生器支持仿真場(chǎng)景。即使缺少組件，它們也允許進(jìn)行測(cè)試。PCle、PXI或LXI配置的選擇符合便攜式或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試的需求。

審核編輯：湯梓紅