虹科數(shù)字化儀在車輛測試的應(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。多個卡可以插入到具有通用計算機接口、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接口的計算機、PXI測試框架或基于LXI的盒子。通常，工程師使用多張卡并將其配置到一個測試系統(tǒng)中。該系統(tǒng)可能包含多個儀器、具有多個通道的單一儀器類型，或兩者的組合。

右圖顯示了配備兩個PCIe模塊化數(shù)字化儀的便攜式計算機。這種緊湊、獨立的裝置可在車輛內(nèi)使用，允許在車輛行駛時進行測量。

基于PXI的模塊化系統(tǒng)不那么自主，但在單個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)非常適合實驗室安裝和移動使用，通過LAN提供大量通道和連接，可直接連接筆記本電腦或遠程控制室監(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)包的差分信號通過兩線總線以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)容擴展為64字節(jié)數(shù)據(jù)包，以高達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、四個或八個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀通過單根線以高達20kb/s的速度運行。

PSI5接口用于將多個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189kb/S的速度運行的兩線總線。

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，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對其進行采樣和數(shù)字化，并將數(shù)字化的樣本發(fā)送到緩沖區(qū)，以便在計算機處理之前將其保存。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1.5GHz，采樣率高達每秒5Giga采樣(GS/s)，每張卡有1到16個通道。為同步多張卡做準(zhǔn)備，每個系統(tǒng)最多允許16個卡(或最多256個完全同步的通道)。這些儀器系統(tǒng)可無限重新配置，以在車載嵌入式系統(tǒng)中采集、存儲和測量信號。

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

圖1：獲取來自轉(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軟件測量信號的物理層屬性。

考慮監(jiān)控CANbus接口的任務(wù)。用于此測量的數(shù)字化儀具有可遠程配置的輸入，允許每個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?？梢则炞C信號的幅度和時序，以確保符合CANbus標(biāo)準(zhǔn)。

信號幅度的基本測量，包括峰峰值、最大值和最小值，可以表征數(shù)據(jù)包。對上升和下降時間進行額外的計時測量，以確保總線信號的完整性。

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)驗豐富的程序員可以使用Windows和Linux驅(qū)動程序以C、C+、Python或類似語言創(chuàng)建自定義程序，以開發(fā)自定義解碼操作。

04信號源仿真

在許多工程項目中，測試可能會因為缺少關(guān)鍵組件或進行物理測試太昂貴而被擱置。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)字信號源，其操作非常類似于反向數(shù)字化儀。在數(shù)字化儀對模擬波形進行采樣、數(shù)字化然后將其存儲在其采集存儲器中的情況下，AWG具有存儲在波形存儲器中的波形的數(shù)字描述。選定的波形樣本被發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，然后通過適當(dāng)?shù)臑V波和信號調(diào)理，作為模擬波形輸出。

對于仿真，如果您可以訪問由數(shù)字化儀獲取的缺失部分的響應(yīng)波形，或者可以通過分析創(chuàng)建，您可以使用AWG作為替代。一個常見問題是能夠輸出一系列波形，每個波形代表被測系統(tǒng)的不同狀態(tài)。雖然這可以通過多個生成器和某種切換來完成，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)，能夠在波形之間實時切換，甚至無需重新加載不同波形的時間。AWG的波形存儲器是分段的，可以存儲測試所需的每個波形，每個波形都在自己的段中。AWG在計算機控制下，根據(jù)存儲在單獨的序列存儲器中的指令逐步遍歷波形?？梢愿禄蚋男蛄写鎯ζ鞯膬?nèi)容，而不會影響AWG的輸出狀態(tài)。這種序列模式操作允許基于測試結(jié)果自適應(yīng)地改變測試序列。這種能力大大減少了測試時間并提高了測試的徹底性。

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位周期的中間放置一個轉(zhuǎn)換。它也可能(取決于要傳輸?shù)?a target="_blank">信息)在周期開始時有一個過渡。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)換允許信號自計時。要生成PSI5數(shù)據(jù)包，需要三個波形段，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。

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

圖3 重新排序序列存儲器內(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個樣本的長度，時鐘速率為50MS/s，因此每個組件的持續(xù)時間(TBIT)將為10.24?。數(shù)據(jù)包由持續(xù)超過兩個位時鐘周期的基線信號分隔。AWG是使用MATLAB腳本控制的，該腳本從三個段組裝了四種不同的數(shù)據(jù)模式，用于本次測試。數(shù)據(jù)包之間的切換無縫進行，沒有間斷。

05 電源排序

另一個需要關(guān)注的領(lǐng)域是上電或斷電時電源軌的正確排序。嵌入式計算系統(tǒng)通常需要多個電源電壓來為微處理器、存儲器和其他板載設(shè)備供電。大多數(shù)微控制器都有一個規(guī)定的順序，其中必須施加電壓以防止出現(xiàn)鎖定等問題。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)處理器使用多個電壓，因此具有多達8個輸入的數(shù)字化儀是此類測量的理想儀器。此外，由于上電/斷電序列需要毫秒級，因此還需要大型采集存儲器。

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是一個簡單的電源序列測量示例。監(jiān)控三個電源軌(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，然后是3.3伏和1.8伏線路。

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

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

06Measurement機械測量

圖5：使用轉(zhuǎn)速計、加速度計和麥克風(fēng)測量風(fēng)扇的振動和聲學(xué)特性。

模塊化儀器還可以使用合適的傳感器進行機械測量。圖5顯示了對風(fēng)扇進行的一系列機械測量。

此SBench6屏幕圖像顯示了最左側(cè)網(wǎng)格中的轉(zhuǎn)速計輸出。該波形由風(fēng)扇每轉(zhuǎn)一圈一個脈沖組成。通過測量此信號的頻率來讀取風(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)計讀數(shù)顯示在頻率讀數(shù)下方。

加速度計輸出顯示在標(biāo)有“加速度計輸出”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。信號峰峰值和有效(rmS)幅度的測量值顯示在信息窗格中。該信號的時域視圖有點難以解釋，因此計算該信號的快速傅里葉變換(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，因為它將各種頻率分量分開。最左邊的峰值出現(xiàn)在27.8Hz，即風(fēng)扇電機的旋轉(zhuǎn)頻率。其他光譜分量對應(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。信息窗格中的測量顯示該信號的峰峰值和有效幅度。與振動信號的情況一樣，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試和測量應(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)生器支持仿真場景。即使缺少組件，它們也允許進行測試。PCle、PXI或LXI配置的選擇符合便攜式或?qū)嶒炇覝y試的需求。

審核編輯：湯梓紅