張春宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

在當(dāng)今社會，基于嵌入式技術(shù)的產(chǎn)品隨處可見，大到航空航天，小到家電設(shè)備。各行各業(yè)都提倡智能管理，這其中應(yīng)用最多的就是嵌入式技術(shù)。由于嵌入式技術(shù)具有可控制、可編程、成本低等優(yōu)點，所以近十年得到了空前高速發(fā)展[1-4]。應(yīng)用嵌入式技術(shù),可更加有效地完成數(shù)字指令驅(qū)動電路的測試[5]。

2 系統(tǒng)概要

數(shù)字指令驅(qū)動電路是一種ASIC 電路[6]。它的外圍端口有兩路串行輸入、一路串行輸出、九十六路并行輸出、控制端口若干，其工作過程為接收串行輸入的指令，內(nèi)部狀態(tài)機(jī)對串行指令進(jìn)行接收并解析，并將解析結(jié)果通過并行輸出。沒有指令執(zhí)行時九十六路輸出端口全為高電平，當(dāng)有指令執(zhí)行時，指令中指定的輸出端口輸出固定時間長度的低電平，其他端口輸出高電平。

ASIC 電路能夠接收的指令分為兩種，執(zhí)行指令和查詢指令，每種指令都由若干字節(jié)組成，執(zhí)行指令中包含輸出端口號和輸出端口保持時間，查詢指令用于查詢ASIC 電路內(nèi)部各寄存器狀態(tài)。ASIC 電路有四位地址編碼，當(dāng)多個ASIC 電路接到總線上時，只有指令中的地址編碼與ASIC 電路的地址編碼一致時，指令才會被執(zhí)行，否則被丟棄。

要實現(xiàn)對ASIC 電路指令的測試，必須按照電路指定的時序發(fā)送固定的指令，才會被ASIC 電路解析并正確的執(zhí)行。計算機(jī)程序可以實現(xiàn)指令發(fā)送工作。單片機(jī)具有檢測ASIC 電路輸出端口保持低電平時間的功能。這樣搭建計算機(jī)-單片機(jī)-ASIC 電路三級互連系統(tǒng)，相互聯(lián)系，協(xié)同工作，可完成ASIC電路的指令及功能測試工作[7-8]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括硬件電路設(shè)計、軟件程序設(shè)計和通訊協(xié)議設(shè)計三個方面。

3.1 硬件電路設(shè)計

根據(jù)ASIC 電路介紹，設(shè)計如圖1 所示電路來完成測試工作。

圖1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成示意圖

計算機(jī)采用普通PC 機(jī)，單片機(jī)采用飛利浦公司的P89C51RD2 型。計算機(jī)、單片機(jī)、ASIC 電路連接到RS422 總線上進(jìn)行通訊，ASIC 電路可以直接接到總線上，而計算機(jī)與單片機(jī)需要增加總線轉(zhuǎn)換器件。ASIC 電路的并行輸出信號，通過十二個八路的數(shù)據(jù)選擇電路和一個三線-八線譯碼電路構(gòu)成的組合邏輯，接到單片機(jī)的一個輸入口上。ASIC 電路的兩個串行輸入口通過一個數(shù)據(jù)分配器電路連接到系統(tǒng)總線上。在這個硬件系統(tǒng)里，計算機(jī)作為主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送指令給單片機(jī)或者ASIC 電路，并接收它們的返回信息。單片機(jī)作為第一個從機(jī)負(fù)責(zé)接收計算機(jī)的指令，根據(jù)不同指令，執(zhí)行占有總線、釋放總線和選擇測試通道等。ASIC 電路作為第二個從機(jī)負(fù)責(zé)接收計算機(jī)發(fā)送的指令并執(zhí)行。對于執(zhí)行指令，執(zhí)行結(jié)果被單片機(jī)采集并反饋給計算機(jī)，對于查詢指令，直接反饋給計算機(jī)。在這個一主機(jī)雙從機(jī)的系統(tǒng)里，主機(jī)和從機(jī)之間采用RS422 總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，雙從機(jī)采用分時占用總線的形式與主機(jī)進(jìn)行通訊。

3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括計算機(jī)軟件設(shè)計和單片機(jī)軟件設(shè)計兩部分。

3.2.1 計算機(jī)軟件設(shè)計

計算機(jī)軟件采用Visual Studio 2010 中的C#語言在Windows 7 環(huán)境下開發(fā)。C#是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，使得程序員可以快速地編寫各種基于Microsoft .NET 平臺的應(yīng)用程序[9]。在Visual Studio 2010 中編寫串口通訊程序非常方便，它提供了一個串口通訊類，所有與串口相關(guān)的操作都可以用此類的實例來完成。

ASIC 電路有執(zhí)行和查詢兩種指令，計算機(jī)機(jī)軟件設(shè)計了針對這兩種指令的測試程序。

測試執(zhí)行指令的程序執(zhí)行過程為：發(fā)送執(zhí)行指令之前，計算機(jī)先發(fā)送兩條指令給單片機(jī)，第一條指令告訴單片機(jī)將它的發(fā)送端接到系統(tǒng)總線上，這樣執(zhí)行指令執(zhí)行完的結(jié)果能及時反饋給計算機(jī)，第二條指令告訴單片機(jī)待測試指令中的通道號，單片機(jī)將此ASIC 電路的并行輸出端口連接到單片機(jī)的采集信號管腳上。兩條指令發(fā)送完畢后，計算機(jī)發(fā)送執(zhí)行指令給ASIC 電路，ASIC 電路的執(zhí)行結(jié)果被單片機(jī)采集到，并反饋給計算機(jī)。執(zhí)行指令中的通道執(zhí)行時間與單片機(jī)采集到的執(zhí)行時間一致時，計算機(jī)軟件顯示執(zhí)行指令執(zhí)行正確，否則顯示錯誤。

另外計算機(jī)軟件中可以設(shè)置四位的ID 號，即ASIC 電路的地址，地址一致的ASIC 電路才能接收執(zhí)行指令并執(zhí)行，計算機(jī)軟件可以對最多十六個ASIC 電路進(jìn)行測試。對于指令的執(zhí)行時間，可以設(shè)置1ms 到255ms。執(zhí)行指令測試界面如圖2 所示。

圖2 執(zhí)行指令測試界面

測試查詢指令的程序執(zhí)行過程為：發(fā)送查詢指令之前，計算機(jī)先發(fā)送一條指令給單片機(jī)，告訴單片機(jī)將其發(fā)送端從系統(tǒng)總線上斷開，將ASIC 電路的發(fā)送端連接到總線上，這樣查詢指令執(zhí)行完的結(jié)果能及時反饋給計算機(jī)[10-11]。待這條指令執(zhí)行完后系統(tǒng)做好了執(zhí)行查詢指令的準(zhǔn)備，這時計算機(jī)開始發(fā)送查詢指令，并接收ASIC 電路的返回信息。ASIC 電路執(zhí)行查詢指令后將內(nèi)部各寄存器的值按固定格式發(fā)送給計算機(jī)，計算機(jī)接收到查詢指令的返回信息，進(jìn)行解讀并顯示。查詢指令測試界面如圖3 所示。

圖3 查詢指令測試界面

3.2.2 單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件在Keil μVision5 環(huán)境下采用C 語言編寫。Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil 提供了包括C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。

在這里，單片機(jī)軟件負(fù)責(zé)接收計算機(jī)軟件發(fā)送的指令，執(zhí)行后將結(jié)果反饋給計算機(jī)軟件。單片機(jī)軟件主要會接收三個指令，第一個是關(guān)鍵字為“AA”或“AB”的指令，單片機(jī)接收到這個指令后，提取出指令中的待測試通道號，然后將這個通道接到單片機(jī)采集端口上，并開始監(jiān)視該端口的狀態(tài)，當(dāng)該端口出現(xiàn)一個正脈沖變化時，單片機(jī)記錄了脈沖保持的時間，然后把這個時間發(fā)送給計算機(jī)，并且關(guān)閉測試通道與單片機(jī)采集端口的連接，這就是第一個指令的完整執(zhí)行過程。第二個是關(guān)鍵字為“AC”的指令，單片機(jī)接收到這個指令后直接將其向計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的通路在系統(tǒng)總線上斷開，這是為了測試查詢指令做準(zhǔn)備。第三個是關(guān)鍵字為“AD”的指令，單片機(jī)接收到這個指令后將其向計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的通路連接到系統(tǒng)總線上，這是為了測試執(zhí)行指令做準(zhǔn)備。單片機(jī)串口中斷程序流程圖如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)串口中斷程序流程圖

單片機(jī)在執(zhí)行采集指令執(zhí)行時間之前, 要先將ASIC 電路的待測試并行輸出端口連接到單片機(jī)的采集端口上，實現(xiàn)方法是P2 口通過一系列組合邏輯器件將ASIC 電路的九十六路并行輸出端口進(jìn)行了編址，要測試哪個通道，P2 口輸出其地址即可。

單片機(jī)測試正脈沖保持時間的方法是采用定時器0 記錄待測試通道的正脈沖時間，硬件上將單片機(jī)的P3.2 端口，即外部中斷0 端口作為ASIC 電路并行輸出通道的采集端口，在單片機(jī)程序初始化中，設(shè)置定時器方式選擇寄存器（TMOD）的值為09H，當(dāng)執(zhí)行指令開始執(zhí)行后，P3.2 口由低電平變?yōu)楦唠娖剑〞r器0 啟動計時，當(dāng)執(zhí)行指令結(jié)束后，P3.2 口由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C(jī)外部中斷0 觸發(fā)。在中斷程序里，停止定時器0 工作，整個計時過程結(jié)束。最后將這個時間發(fā)送給計算機(jī)，和計算機(jī)發(fā)送的指令執(zhí)行時間對比，即完成了執(zhí)行指令的測試。為了保證測試精度，減小測試誤差，這里設(shè)置定時器0 的溢出時間為0.4ms。

執(zhí)行指令完整的測試過程為：計算機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字為“AD”的指令，單片機(jī)收到后，將其向計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的通路連接到系統(tǒng)總線上。計算機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字為“AA”或“AB”的指令，單片機(jī)收到后將待測試通道連接到采集端口上，并監(jiān)測端口上信號變化。計算機(jī)發(fā)送執(zhí)行指令給ASIC 電路，ASIC 電路接收并執(zhí)行，單片機(jī)將ASIC 電路執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給計算機(jī)。計算機(jī)收到執(zhí)行指令的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比對并顯示，執(zhí)行指令測試結(jié)束。

查詢指令的完整測試過程為：計算機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字為“AC”的指令，單片機(jī)收到后，將ASIC 電路向計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的通路連接到系統(tǒng)總線上。計算機(jī)發(fā)送查詢指令給ASIC 電路，ASIC 電路收到查詢指令后，讀取各寄存器狀態(tài)，將查詢結(jié)果發(fā)送給計算機(jī)，計算機(jī)收到查詢指令的結(jié)果后進(jìn)行顯示，查詢指令測試結(jié)束。

3.3 通訊協(xié)議設(shè)計

通訊協(xié)議是計算機(jī)與ASIC 電路或單片機(jī)之間能夠協(xié)同工作的重要依據(jù)，通常由一幀若干字節(jié)合在一起的數(shù)據(jù)組成，包括協(xié)議頭、協(xié)議尾、校驗位和有效數(shù)據(jù)位等。本系統(tǒng)所有通訊協(xié)議都以相同的協(xié)議頭開始，以相同的協(xié)議尾結(jié)束，每條協(xié)議的有效數(shù)據(jù)位中設(shè)置了一個字節(jié)的關(guān)鍵字，以便區(qū)分。

計算機(jī)和ASIC 電路之間的通訊協(xié)議包括：

執(zhí)行指令：長度為7 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位包括接收指令電路地址，待測試指令通道，執(zhí)行時間，協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAE”。

查詢指令：長度為7 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位包括接收指令電路地址，協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAF”。

查詢返回指令：長度為8 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位包括電路地址，包長，指令循環(huán)計數(shù)，接收錯誤指令條數(shù)，最后執(zhí)行指令通道號，協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAG”。

計算機(jī)與單片機(jī)之間的通訊協(xié)議包括：

打開單片機(jī)返回通路協(xié)議：長度為9 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位包括接收指令電路地址、協(xié)議長度、待測試通道號、執(zhí)行時間、數(shù)碼管顯示，協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAD”；

打開ASIC 電路返回通路協(xié)議：長度為9 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位中協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAC”，其他與打開單片機(jī)返回通路協(xié)議相同；

打開待測試通道協(xié)議：長度為9 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位中協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAA”或者“0xAB”，其他與打開單片機(jī)返回通路協(xié)議相同，當(dāng)計算機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字為“0xAA”的指令時，測試ASIC 電路串行輸入A 口，當(dāng)計算機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字為“0xAB”的指令時，測試ASIC 電路串行輸入B 口；

測試結(jié)果返回協(xié)議：長度為11 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)位包括ASIC 電路地址，指令長度，測試通道號，指令執(zhí)行時間，實際采集時間，協(xié)議關(guān)鍵字為“0xAH”。

通過以上制定的通訊協(xié)議：計算機(jī)與ASIC 電路，計算機(jī)與單片機(jī)之間協(xié)同工作，有效完成ASIC電路的測試工作。

4 結(jié) 束 語

所設(shè)計的測試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于ASIC 電路的測試工作中，達(dá)到了預(yù)期的效果。使用軟件的自動測試功能，縮短了測試時間，且實現(xiàn)無人值守。通過對ASIC 電路測試方法的研究與實際應(yīng)用，驗證了將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于集成電路測試工作的可行性與優(yōu)越性，對未來集成電路的測試工作提供了一條有效便捷的途徑。