摘要： 针对开放式通用ATS信号调理平台进行研究，提出了基于USB总线技术的信号调理平台设计方案。本系统采用Cypress公司推出的EZ-USB单片机中的AN2131QC芯片作为接口控制芯片，EZ-USB的软配置特性可以实现系统硬件的通用化，针对不同的被测对象编制不同的固件程序，当被测对象发生变化时，可以通过加载不同的固件来满足测试要求。针对复杂的信息控制与数据交换，采用了ALTERA公司推出的EPM7128SLC84芯片作为核心控制部分。系统具有可靠性高，可测试性好等优点。
关键词：信号调理；EZUSB；CPLD
1、引言
USB（通用串行总线）是由Intel，Compaq，Digital，IBM，MICroSOFt，NEC，Northern Telecom等七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的新一代总线接口标准。
作为一种PC机与外设之间的高速通讯接口，USB具有许多突出优点：连接灵活，可热插拔；最多可连接127个不同的外设；同时，具有传输速度高的优点，USB1.1协议支持12Mb/s，USB2.0协议支持480Mb/s。另外，可以自动配置，无需定位及运行安装程序，更无需在使用外设时重启系统。USB总线可为外设提供电源，最高可达500ｍＡ，并具有低功耗、低成本、可靠性高等优点。
Cypress公司推出的带有智能USB控制内核的51系列单片机EZ-USB，在单一芯片上集成了USB和改进的8051两个内核。具有设计简单灵活，易于系统集成的优点。另外，EZ-USB的软配置特性，即：外设的固件可以在设备枚举时，从主机上下载到EZ-USB的RAM中进行执行。这个特性为开发者提供了方便，开发过程中，当固件需要修改时，可以在PC机上修改然后下载到EZ-USB。本系统就是利用的EZ-USB软配置特性，来实现信号调理平台的硬件可重用性，从而使系统达到通用化水平。
2、信号调理平台概述
在自动测试系统中，很少把来自被测对象的待测信号直接接入测试仪器进行测量，因为在数据采集过程中产生的噪声干扰（包括传感器、电缆串音及Ａ/Ｄ转换等）都会严重影响信号质量从而导致测试失败，同时信号范围必须控制在测试资源的量程之内，以保护测试资源提高测试精度。总之，待测信号必须首先进行调理才能进行测量[1]。
信号调理平台设计是构建基于VXI/PXI总线技术ATS的重要环节，也是其硬件实现的首要任务。信号调理平台是连接测试资源与被测对象的纽带，其作用主要包括两个方面：一是对来自被测对象的待测信号进行转接、隔离、分配以及必要的预处理，提供给测试资源一个干净、稳定、安全的待测信号；二是将电源信号、测试激励信号分配给被测对象，可以按照测试需要实现信号的连接与切换，并且保持与测试资源最大程度的兼容性。信号调理平台的结构如图1所示。
3、信号调理平台的硬件实现
由图1可以知道，通用信号调理平台主要包括开关矩阵网络和适配器两个部分。在实现过程中，采用了从顶向下的设计思路，通过分析可知这两个部分分别包括接口部分、控制实现部分和电源。接口部分都是由UZUSB作为核心芯片来实现，完成分系统与中心控制计算机之间的信息交互；控制部分是由CPLD作为核心控制芯片，实现分系统内部的复杂控制与数据处理功能。电源就是为系统供电，系统所需电压主要有+5V、±15V、+3.3V。
3.1接口部分实现
接口部分的结构是一样的，主要框图如图2所示。
图2.接口框图
EEPROM（该系统选择24LC01B）主要存放设备的PID、VID数据，为了完成上电后设备的枚举。
看门狗电路由MAX708实现，主要监视单片机的电压，一旦电压发生异常，通过产生高电平使单片机复位。3.3V基准电压产生电路由MAX882完成，用于电路中3.3V供电。
采用单片机的PA、PB输入输出口作为单片机与CPLD之间数据传输的接口，由于PA、PB口自身带有数据缓存器，所以器件之间可以直接连接。PC2作为外部中断0的输入端口使用，PC6、PC7作为写信号、读信号的控制输出口使用。电路图如图3所示。
图3.接口电路图
3.2控制部分
根据不同的实现功能，控制部分的结构是不同的，作为开关矩阵模块，其主要任务是完成对信号的分配；而信号调理模块主要完成对信号的预处理。
3.2.1开关矩阵网络
开关矩阵网络组合是一个总线型继电器网络矩阵，其连接能力强大，可以利用测试软件通过控
制模型实现对矩阵网络的控制，达到测试资源的分配与重构。结构如图4所示[2]。
图4.开关网络结构
公共总线的数目n是由系统同时需要测量信号的路数决定，在一般的测试系统中，8路公共总线已经足够使用。连接到适配器的电缆数j是由被测对象测试过程中所需测量的最大路数决定。测试资源的路数k是由测试系统中资源的数目决定。通过对电缆线进行定义，按照统一的标准，使系统可以按照需要进行扩展。
本设计中，主要通过74LS273对IO进行扩展，对于连接测试资源端的寄存器和连接适配器端的寄存器分别进行控制，即：两者的控制通道是独立的，从而提高系统可靠性。
3.2.2适配器
图5.适配器电路结构
适配器是完成信号变换、信号隔离和预处理功能的关键部分。主要包括控制单元和信号调理部分。
控制单元按照测试需要通过CPLD实现对适配器组合的控制，包括加电控制和测试控制。
信号调理单元总体上分为三个通道：数字信号调理通道、模拟信号调理通道和DA转换通道。适配器的电路结构如图5所示。
（1）信号分配模块
其完成两个功能，一是对被测模拟、数字信号进行分类，使其进入对应通道进行预处理；二是对测试所需激励信号按照需要进行分配，加载到被测设备对应的输入端。
该模块主要由继电器组合完成，其实现思想与开关网络基本相同，但比开关网络简单。
（2）模拟信号处理通道
模拟信号所占比重较大，所以对模拟信号的调理直接影响到整个测试系统功能的发挥。模拟信号处理的过程主要包括：隔离放大电路、模拟滤波电路、自动增益控制电路、AD转换电路。
①隔离放大电路[6]
测试集系统中不合适的接地是造成测量问题和仪器损坏的最普遍原因，对信号进行电气隔离可以防止这些问题的发生。隔离破坏了接地环路，避免了高的共模电压，并且保护了价格不菲的测试仪器资源。
本系统采用了AD202作为隔离放大电路的核心。AD202是一种通用的、双端口的变压器耦合隔离放大器。作为一种符合工业标准的隔离放大器，它能够提供一整套隔离功能，包括信号隔离和电源隔离，而封装却十分紧凑。由于AD202是基于芯片内部的变压器耦合方式进行隔离的，所以，它不需要提供外部的DC/DC变换器，大大降低了设计成本。
②模拟滤波电路
根据设计需要，针对不同的波段信号设计不同截止频率的滤波器。本系统采用了一个六阶巴特沃斯低通滤波器，如下图6所示。
图6.六阶巴特沃斯低通滤波器
其截止频率等于一、二、三级的自然角频率。
③自动增益控制电路[7]
对模拟信号滤波后，按照AD转换的电平需要对信号进行放大或衰减处理，因此在设计过程中，我们参考了文献[7]的设计方法，采用了可以程控的自动增益控制子模块，由数字电位器和高频精密放大器构成。如图7所示。
图7.自动增益控制电路
增益为：
G= — 
④AD转换电路
本系统采用10位串行I/O的AD转换芯片LTC1091作为AD转换电路的核心芯片，其低电压供电、低功耗、快速转换等特性为系统实现提供方便。如图8所示。
图8.AD转换电路
（3）数字信号处理通道
数字信号处理通道实现起来相对简单，这里不再过多说明。
（4）DA转换通道
DA转换通道主要任务是完成对来自信号发生器单元的数字信号进行DA转换，加载到被测设备上，用以测试。
DA转换通道实际上与模拟信号处理通道是一个相反的工作过程。主要分为DA转换电路、滤波电路、自动增益控制电路和输出电路。
DA转换芯片选择高度DA转换芯片AD9762。它具有125MSPS速率、12位分辨率、良好的抗干扰性能。本系统采用DC差动耦合输出。
滤波电路与自动增益控制电路与模拟信号处理通道基本一样。
输出电路采用MAX4001为核心芯片，输出阻抗采用数字电位器可控，由CPLD控制可以更好的满足阻抗匹配要求。
适配器设计过程中，可以根据信号调理功能进行提取分类，将相似功能的适配器进行合并，创建通用适配器，在通用适配器基础上进行针对信号处理和特殊功能的专有适配器设计。在系统集成过程中，可以通过通用适配器与专有适配器的组合完成信号调理功能，从而提高系统硬件的可重用性。
4、结束语
基于USB总线技术的ATS通用信号调理平台，集成了USB设备的诸多优点，充分利用EZ-USB软配置特性和CPLD器件设计电路的灵活方便性，实现了系统硬件的重用性，最终达到通用性设计目标。系统可靠性高，可测试性好，并易于扩展。
目前系统硬件基本实现，软件部分正在进行调试。
