虹科数字化仪在车辆测试的应用

01介绍

虹科模块化仪器减小了传统仪器的尺寸，因此它们可以安装在电路卡上。多个卡可以插入到具有通用计算机接口、电源和互连的框架中。模块化仪器框架包括使用标准PCIe接口的计算机、PXI测试框架或基于LXI的盒子。通常，工程师使用多张卡并将其配置到一个测试系统中。该系统可能包含多个仪器、具有多个通道的单一仪器类型，或两者的组合。

右图显示了配备两个PCIe模块化数字化仪的便携式计算机。这种紧凑、独立的装置可在车辆内使用，允许在车辆行驶时进行测量。

基于PXI的模块化系统不那么自主，但在单个板条箱中提供更多的模块化仪器。他们需要外接显示器和键盘。虹科Spectrum的虹科digitizerNETBOX等基于LXI的系统非常适合实验室安装和移动使用，通过LAN提供大量通道和连接，可直接连接笔记本电脑或远程控制室监控。

02车载电子

车载电子子系统的基础是微处理器。左图为显示微控制器、存储器和外围接口的通用车载微处理器。传感器和其他控制器使用微控制器底部显示的各种车辆特定接口进行通信。

这些微处理器与标准微处理器的不同之处在于具有更高的环境和可靠性标准，以及增加了专用车辆总线和接口，例如CAN、LIN和PSI5。这些接口允许微处理器与其他处理器、传感器和执行器进行通信。

控制器局域网或CANbus是此处显示的最复杂的数据总线，是许多汽车数据链路的主干。在其基本形式中，它使用带有8字节数据包的差分信号通过两线总线以20kb/s到1Mb/s的速度交换数据。更新的版本CAN灵活数据速率(CAN FD)将数据内容扩展为64字节数据包，以高达12Mb/S的速度交换。

本地互连网络或LIN总线是一种成本较低的总线，用于帮助降低非关键应用的成本。它使用两个、四个或八个字节的数据帧通过单根线以高达20kb/s的速度运行。

PSI5接口用于将多个传感器连接到电子控制单元，并已用作安全气囊和相关约束系统的主要传感器通信总线。它是使用曼彻斯特编码以高达189kb/S的速度运行的两线总线。

03 虹科数字化仪的应用

最常用的模块化仪器是数字化仪。虹科数字化仪是一种电子采集设备，它采集模拟波形，通过模数转换器(ADC)对其进行采样和数字化，并将数字化的样本发送到缓冲区，以便在计算机处理之前将其保存。虹科Spectrum等模块化仪器供应商提供的数字化仪具有8到16位的ADC分辨率，模拟带宽高达1.5GHz，采样率高达每秒5Giga采样(GS/s)，每张卡有1到16个通道。为同步多张卡做准备，每个系统最多允许16个卡(或最多256个完全同步的通道)。这些仪器系统可无限重新配置，以在车载嵌入式系统中采集、存储和测量信号。

可以选择虹科数字化仪以匹配每个接口的数据速率和带宽要求，以及更常见的处理器和相关操作。

图1：获取来自转向角传感器的CANbus数据包，并使用虹科Spectrum M2p.5946-X4 4通道、80MS/s、16位数字化仪和SBench6软件测量信号的物理层属性。

考虑监控CANbus接口的任务。用于此测量的数字化仪具有可远程配置的输入，允许每个通道的单端或差分输入。在这种情况下，使用了差分输入。结果如图3所示。该采集使用虹科Spectrum的SBench6软件显示，该软件允许分析接口的物理层。可以验证信号的幅度和时序，以确保符合CANbus标准。

信号幅度的基本测量，包括峰峰值、最大值和最小值，可以表征数据包。对上升和下降时间进行额外的计时测量，以确保总线信号的完整性。

除了物理层之外，虹科Spectrum数字化仪还可以与第三方程序(如LabVIEW和MATLAB)连接，在这些程序中可以解码波形数据并探索协议层。经验丰富的程序员可以使用Windows和Linux驱动程序以C、C+、Python或类似语言创建自定义程序，以开发自定义解码操作。

04信号源仿真

在许多工程项目中，测试可能会因为缺少关键组件或进行物理测试太昂贵而被搁置。任意函数发生器(AWG)可用于创建几乎任何波形并模拟丢失的组件。任意波形发生器是数字信号源，其操作非常类似于反向数字化仪。在数字化仪对模拟波形进行采样、数字化然后将其存储在其采集存储器中的情况下，AWG具有存储在波形存储器中的波形的数字描述。选定的波形样本被发送到数模转换器(DAC)，然后通过适当的滤波和信号调理，作为模拟波形输出。

对于仿真，如果您可以访问由数字化仪获取的缺失部分的响应波形，或者可以通过分析创建，您可以使用AWG作为替代。一个常见问题是能够输出一系列波形，每个波形代表被测系统的不同状态。虽然这可以通过多个生成器和某种切换来完成，但有一种更有效的方法。

具有全功能序列模式的AWG，例如虹科Spectrum M4i.66xx-x8系列(如上图)，能够在波形之间实时切换，甚至无需重新加载不同波形的时间。AWG的波形存储器是分段的，可以存储测试所需的每个波形，每个波形都在自己的段中。AWG在计算机控制下，根据存储在单独的序列存储器中的指令逐步遍历波形。可以更新或更改序列存储器的内容，而不会影响AWG的输出状态。这种序列模式操作允许基于测试结果自适应地改变测试序列。这种能力大大减少了测试时间并提高了测试的彻底性。

图2 创建曼彻斯特编码数据包需要三个波形段

例如，AWG可用于替代PSI5传感器，产生一系列可编程输出代码。PSI5使用曼彻斯特编码。曼彻斯特码总是在每个位周期的中间放置一个转换。它也可能(取决于要传输的信息)在周期开始时有一个过渡。中间位转换的方向指示数据。周期边界的转换不携带信息。它们的存在只是为了将信号置于正确的状态以允许中间位转换。保证转换允许信号自计时。要生成PSI5数据包，需要三个波形段，如图2所示。逻辑“1”(段1)由高到低的转换指示。逻辑“0”(段0)由低到高的转换指示。

通过使用这些组件定义三个波形段，可以合成任何数据模式组合。这意味着通过重新排列这三个段的顺序，可以更改数据包的内容。图3显示了PSI5数据包的四个示例，每个数据包由三个段组成，但每个段具有不同的数据内容。

图3 重新排序序列存储器内容产生的四种不同数据模式

在此示例中，段设置为512个样本的长度，时钟速率为50MS/s，因此每个组件的持续时间(TBIT)将为10.24㎲。数据包由持续超过两个位时钟周期的基线信号分隔。AWG是使用MATLAB脚本控制的，该脚本从三个段组装了四种不同的数据模式，用于本次测试。数据包之间的切换无缝进行，没有间断。

05 电源排序

另一个需要关注的领域是上电或断电时电源轨的正确排序。嵌入式计算系统通常需要多个电源电压来为微处理器、存储器和其他板载设备供电。大多数微控制器都有一个规定的顺序，其中必须施加电压以防止出现锁定等问题。电源管理IC(PMC)或电源定序器执行许多定序任务。由于大多数处理器使用多个电压，因此具有多达8个输入的数字化仪是此类测量的理想仪器。此外，由于上电/断电序列需要毫秒级，因此还需要大型采集存储器。

图4：监控5、3.3和1.8伏电源轨以确定正确的上电顺序

图4是一个简单的电源序列测量示例。监控三个电源轨(5、3.3和1.8伏)。所期望的是电压电平应该以期望的顺序单调上升。在此示例中，5伏电源先于其他电源打开，然后是3.3伏和1.8伏线路。

可以使用光标测量时间延迟，如图所示，其中5伏和3.3伏总线之间的时间延迟测量为35.5㎲。

这种类型的功率测量可以扩展到测量纹波、调节和瞬态响应。

06Measurement机械测量

图5：使用转速计、加速度计和麦克风测量风扇的振动和声学特性。

模块化仪器还可以使用合适的传感器进行机械测量。图5显示了对风扇进行的一系列机械测量。

此SBench6屏幕图像显示了最左侧网格中的转速计输出。该波形由风扇每转一圈一个脉冲组成。通过测量此信号的频率来读取风扇速度。该图左侧中心信息窗格中的频率读数将此频率读取为27.8Hz(每秒转数)。将此频率读数乘以60可得出风扇的转速为1668转每分钟(RPM)。显示频率最小值、最大值和偏差的统计读数显示在频率读数下方。

加速度计输出显示在标有“加速度计输出”的上部中心网格中。已使用模拟通道设置设置自定义垂直刻度以直接读取g's。信号峰峰值和有效(rmS)幅度的测量值显示在信息窗格中。该信号的时域视图有点难以解释，因此计算该信号的快速傅里叶变换(FFT)并显示在右上角的显示网格中。

FFT显示了构成加速度信号的频率分量。FFT的频域或频谱视图提供了更容易的物理解释，因为它将各种频率分量分开。最左边的峰值出现在27.8Hz，即风扇电机的旋转频率。其他光谱分量对应于风扇的物理属性。

麦克风输出显示在中心底部网格中，按比例显示声压。该数据也已重新调整，以便以压力单位读取，即帕斯卡。信息窗格中的测量显示该信号的峰峰值和有效幅度。与振动信号的情况一样，声学的FFT提供了大量的物理洞察力。

07结论

虹科数字化仪非常适合车辆测试和测量应用，可以提供了大量分辨率从8位到16位的通道。高达5GS/s的数字化速率允许选择与应用相匹配的快速或慢速采样。任意波形发生器支持仿真场景。即使缺少组件，它们也允许进行测试。PCle、PXI或LXI配置的选择符合便携式或实验室测试的需求。

审核编辑：汤梓红