一种测试PA总线物理层信号及主从站设备的方法及系统与流程

一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的方法及系统
技术领域
1.本发明涉及现场总线技术领域，特别涉及pa总线通信系统的主站设备、从站设备及通讯物理信号质量的测试。


背景技术：

2.当前，pa现场总线应用越来越多，针对pa主站设备、从站设备、总线双绞线都有相关的标准，同时也有独立设备的测试标准，也即可以测试单个设备的各项指标，但是没有针对实际接线完备的pa全系统下的各个设备工作状态的测试方法，本发明弥补了相关的空白，针对完整pa总线系统中工作状态下的主站、从站及总线系统上的物理波形进行测试，且并不影响整体系统的运行状态。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的方法及系统,以解决通过分析总线数据信息获取主、从站各项信息；同时通过采集总线实际物理波形信号，来分析波形与标准波形的差异技术问题，且不影响整体系统的运行状态。
4.本发明的一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的方法，步骤如下：
5.通过分析总线数据信息获取主、从站各项信息；同时通过采集总线实际物理波形信号，来分析波形与标准波形的差异；总线数据信息和总线实际物理波形信号是通过接口模块接入到处于工作状态的pa总线上的方式采集的，接口模块接入到总线上后，处于静默状态时；接口模块接入总线后，即将总线电压信号进行交流耦合，再施加直流偏置
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，将此交变信号提升至vdd/2附近，范围控制于 vdd/2-1～vdd/2+1，然后将此信号分别送入模拟信号采集模块2和模拟转逻辑模块3；通过模拟信号采集模块2，对交流耦合后的物理信号进行高速采集，采集后的数据进入中央处理单元7进行后续处理；通过模拟转逻辑模块3，使在vdd/2 电平附近交变的信号变为“0”与“1”构成的ttl信号送入中央处理单元7；通过中央处理单元7对物理信号数据、逻辑信号分别进行处理；中央处理单元7处理模拟信号采集模块2提供的物理信号数据，根据数据，分析总线信号的物理层面信息，提供各项报告；报告内容包括信号幅值、信号波峰值与波谷值相对中值的对称性、信号上升时间、信号下降时间、信号的周期/频率、信号的位抖动、信号的过冲、信号的欠冲；中央处理单元7处理模拟转逻辑模块3提供的逻辑信号数据，根据数据，分析总线信号通讯层及应用层信息，提供各项报告；报告内容包括主站信息、从站信息；中央处理单元7控制逻辑输出模块6，输出带有通讯数据的逻辑信号，经过模拟信号输出模块4把逻辑信号变为模拟信号，模拟信号输出模块可以按需要输出幅值不同的模拟信号，然后通过总线接口模块1送出到总线上，参与整个pa系统通讯；中央处理单元7根据主站信息及从站信息，进行主站模拟，向任意从站发送通讯信号，此通讯信号可按测试规则要求进行改变，用于测试从站的信号识别能力；交互模块9通过通用串口与pc机进行通信，交互模块把总线信息发送到pc机上，交互模块接收pc机下发的配置命令，根据命令来确定中央处理单元7的运行功能。
6.所述的一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的方法，所述输出幅值的幅值设定为极低值155mv及70mv，用以测定从站对信号的分辨率150mv及抗扰能力70mv。
7.所述的一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的方法,所述通讯数据增加通讯数据前置码，测试从站对信号前置码及正常信号逻辑分辨。
8.所述的一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的方法,改变某两个逻辑信号的周期，测试从站对位抖动的耐受能力。
9.一种测试pa总线物理层信号及主从站设备的系统,包括：
10.电源处理模块8，对通用的12v或24v电源进行降压处理，变换出为本系统所有模块进行供电的vdd电源系统；
11.pa总线接口模块1，本系统通过pa总线接口模块接入到处于工作状态的pa 总线上，不受总线极性的影响；在接入时刻，pa总线接口模块及本系统的其他各部分模块不会从总线上吸收或者向总线上释放任意电流；本系统处于静默状态时，所有模块同样不会从总线上吸收或者向总线上释放任意电流；接口模块接入总线后，即将总线电压信号进行交流耦合，再施加直流偏置
10
，将此交变信号提升至vdd/2附近，范围控制于vdd/2-1～vdd/2+1，然后将此信号分别送入模拟信号采集模块2和模拟转逻辑模块3，在这个过程中对总线上的信号没有任何影响；
12.模拟信号采集模块2，由高阻跟随电路与高速ad采样构成，对交流耦合后的物理信号进行高速采集，采集后的数据进入中央处理单元7进行后续处理；
13.模拟转逻辑模块3，由带通滤波电路与信号比较电路构成，使在vdd/2电平附近交变的信号变为“0”与“1”构成的ttl信号送入中央处理单元7；
14.中央处理单元7，对物理信号数据、逻辑信号分别进行处理，根据处理后的结果再进行后续功能；中央处理单元7处理模拟信号采集模块2提供的物理信号数据，根据数据，分析总线信号的物理层面信息，提供各项报告；报告内容包括但不限于信号幅值、信号波峰值与波谷值相对中值的对称性、信号上升时间、信号下降时间、信号的周期/频率、信号的位抖动(不同信号的周期偏差)、信号的过冲(超过波峰值均值部分)、信号的欠冲(低于波谷值均值部分)；中央处理单元7处理模拟转逻辑模块3提供的逻辑信号数据，根据数据，分析总线信号通讯层及应用层信息，提供各项报告；报告内容包括但不限于主站信息、从站信息；
15.控制逻辑输出模块6，受中央处理单元7控制，该逻辑输出模块6输出带有通讯数据的逻辑信号；
16.模拟信号输出模块4，逻辑输出模块6输出带有通讯数据的逻辑信号经过该模拟信号输出模块4把逻辑信号变为模拟信号，模拟信号输出模块4按需要输出幅值不同的模拟信号，然后通过总线接口模块1送出到总线上，参与整个pa系统通讯；所述通讯数据增加通讯数据前置码，测试从站对信号前置码及正常信号逻辑分辨；所述输出幅值的幅值设定为极低值155mv及70mv，用以测定从站对信号的分辨率150mv及抗扰能力70mv；
17.其中，中央处理单元7根据主站信息及从站信息，进行主站模拟，向任意从站发送通讯信号，此通讯信号可按测试规则要求进行改变，用于测试从站的信号识别能力。
18.本发明的优点及积极效果：
19.本发明针对工业pa总线全系统提出了一种全新的、完整的测试方法，有利于所有pa总线应用场所，清晰地了解最底层的信号级别的总线信息，对比从总站或plc来了解的总
线信息，更直接、更准确，有利于对总线进行更合理地配置，有利于信号更标准，更准确、更平滑。
20.本发明在低成本基础上，可以作为总线接口，与pc进行数据交换，由pc 来进行更高级的数据解析与处理。甚至可以接收pc指令，对pa总线进行干扰，施加影响。
附图说明
21.图1是本发明的系统原理框图。
22.图2是本发明的总线接口模块原理框图。
23.图3是本发明的模拟信号采集模块原理框图。
24.图4是本发明的模拟转逻辑模块原理框图。
25.图5是本发明的模拟信号输出模块原理框图。
具体实施方式
26.本发明的具体工作步骤及原理如下：电源处理模块8，对通用的12v或24v 电源进行降压处理，变换出为本发明所有模块进行供电的vdd电源系统。
27.本发明提供pa总线接口模块1，本发明通过接口模块接入到处于工作状态的 pa总线上，可以不受总线极性的影响。在接入时刻，接口模块及本发明的其他各部分模块不会从总线上吸收或者向总线上释放任意电流，也即完全不影响总线上的电流状态，即不会对总线上的电压信号产生影响，从而做到完全的无扰接入。接口模块接入到总线上后，本发明处于静默状态时，本发明所有模块同样不会从总线上吸收或者向总线上释放任意电流，也即完全不影响总线上的电流状态，此时本发明同样对pa总线无任何影响。
28.接口模块接入总线后，即将总线电压信号进行交流耦合，再施加直流偏置
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，将此交变信号提升至vdd/2附近，范围控制于vdd/2-1～vdd/2+1，然后将此信号分别送入模拟信号采集模块2和模拟转逻辑模块3，根据前文，在这个过程中对总线上的信号没有任何影响。
29.模拟信号采集模块2，由高阻跟随电路与高速ad采样构成，对交流耦合后的物理信号进行高速采集，采集后的数据进入中央处理单元7进行后续处理。
30.模拟转逻辑模块3，由带通滤波电路与信号比较电路构成，使在vdd/2电平附近交变的信号变为“0”与“1”构成的ttl信号送入中央处理单元7。
31.中央处理单元7对物理信号数据、逻辑信号分别进行处理，根据处理后的结果再进行后续功能。
32.本发明中央处理单元7处理模拟信号采集模块2提供的物理信号数据，根据数据，分析总线信号的物理层面信息，提供各项报告。报告内容包括但不限于信号幅值，信号波峰值与波谷值相对中值的对称性，信号上升时间，信号下降时间，信号的周期/频率，信号的位抖动(不同信号的周期偏差)，信号的过冲(超过波峰值均值部分)，信号的欠冲(低于波谷值均值部分)等等。
33.本发明中央处理单元7处理模拟转逻辑模块3提供的逻辑信号数据，根据数据，分析总线信号通讯层及应用层信息，提供各项报告。报告内容包括但不限于主站信息，从站信息等等。
34.中央处理单元7控制逻辑输出模块6，输出带有通讯数据的逻辑信号，经过模拟信号
输出模块4把逻辑信号变为模拟信号，模拟信号输出模块可以按需要输出幅值不同的模拟信号，然后通过总线接口模块1送出到总线上，参与整个pa 系统通讯。中央处理单元7可以根据主站信息及从站信息，进行主站模拟，向任意从站发送通讯信号，此通讯信号可以进行改造，用于测试从站的信号识别能力。
35.通过三方面的改造，对所有的从站设备进行测试评定；
36.一、幅值设定，幅值可以设定为极低值(155mv及70mv)，用以测定从站对信号的分辨率(150mv)及抗扰能力(70mv)；
37.二、增加通讯数据前置码，测试从站对信号前置码及正常信号逻辑分辨；
38.三、改变某两个逻辑信号的周期(测试位抖动)，测试从站对位抖动的耐受能力。
39.本发明中交互模块9通过通用串口与pc机进行通信，本发明的交互模块把总线信息(主站信息、从站信息、物理信号数据、逻辑信号信息)发送到pc机上，可以进行更细致的分析；本发明的交互模块可以接收pc机下发的配置命令，根据命令来确定本发明的运行功能。
40.本发明的系统参见图1-图5所示，包括：总线接入模块、模拟信号采集模块、模拟转逻辑模块、逻辑信号分析模块、逻辑信号输出模块、模拟信号输出模块、中央处理单元、电源处理模块、交换模块(参见图1)；其工作原理参见上述工作方法及步骤。采用独立供电模式，可无扰接入pa总线上，能够静默监听总线上的信号，并可以受控地在数据间隔向总线上发送信号；仅通过总线接入模块接上pa总线，并无需区分pa总线极性，同时不会从总线上吸收或者放出电流，对总线上的信号不产生影响；可以模拟为pa总线系统上的从站设备，监听pa 总线上的信号，分析物理信号波形信息，分析数据信号的逻辑信息，来分析pa 总线系统上的主站设备信息及工作状态；可以模拟为pa总线系统上的主站设备，主动向pa总线上的所有从站设备发送特定信号，诱使从站设备回复响应报文，从而获取pa总线系统上的所有从站设备的各项信息；向pa总线上发送的信号幅值可控，用以测试所有从站的信号灵敏度及抗扰度；向pa总线上发送的信号前置码可变，用以测试所有从站的前置码分辨效果；通过交换模块接收通用电脑控制信号，输出各种需要发送的信号。
41.图2中，总线信号先经过整流桥，经高阻电路，再交流耦合后分别送入后续功能模块；图3中，pa总线信号经交流耦合后进行直流偏置，使信号处于 vdd/2-1～vdd/2+1之间；图4中，pa总线信号经交流耦合后，经过滤波，再经过比较器后成ttl信号进mcu；图5中，整个输出模块就是一个电流控制电路，通过运放的应用，使输出三极管发射极的电压u由模拟开关的输出电压决定，通过模拟开关的控制，使三极管射极电压可以变换，射极电压作用于对pa负极电阻r，形成通过电阻的电流i(射极电压/对地电阻)，这个电流基本就等于三极管的ib+ic电流，射极电压的改变，导致ic变动，也即导致pa总线电流变化，从而形成不同的信号值。r由一组并联的电阻构成，通过开关控制电阻的接入，通过接入不同的电阻组合，可以改变ic的值，这部分电阻主要改变信号的幅值。