劉建中

長(zhǎng)園創(chuàng)新研究院測(cè)控所 廣東珠海 519100

隨著新技術(shù)的不斷注入，現(xiàn)代3C電子設(shè)備的高集成化、高智能化，以及分析處理問題的高效化特征日益增強(qiáng)，隨之而來是系統(tǒng)故障診斷、故障隔離的難度也越來越大，因此，提升3C電子設(shè)備的故障診斷能力，實(shí)現(xiàn)快速診斷和故障準(zhǔn)確定位成為了3C電子設(shè)備設(shè)計(jì)的新需求[1]。

1 嵌入式測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計(jì)電子設(shè)備根據(jù)組成的單元特點(diǎn)，其嵌入式測(cè)試系統(tǒng)可采用集中式、分布式或分布-集中式的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。通常，復(fù)雜的電子設(shè)備優(yōu)選分布-集中式的架構(gòu)。在分布-集中式的架構(gòu)中，除了系統(tǒng)具有嵌入式測(cè)試控制處理單元以外，系統(tǒng)各組成模塊內(nèi)部也設(shè)計(jì)有嵌入式測(cè)試控制處理單元，系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制處理單元和各組成模塊的嵌入式測(cè)試控制處理單元之間通過系統(tǒng)測(cè)試總線連接，各部分的主要功能如下。

（1）系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制單元系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制單元包括測(cè)試控制單元和綜合診斷單元，主要完成全系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元的嵌入式測(cè)試控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合分析等功能。

（2）模塊層嵌入式測(cè)試控制處理單元接收系統(tǒng)層測(cè)試控制單元的控制，完成模塊內(nèi)部電路測(cè)試信號(hào)的調(diào)理、采集及數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。

（3）系統(tǒng)測(cè)試總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層嵌入式測(cè)試控制單元和各模塊嵌入式測(cè)試控制處理單元之間測(cè)試控制指令、測(cè)試數(shù)據(jù)的傳遞等功能。這種分層集成的組織結(jié)構(gòu)，可以綜合利用模塊層較強(qiáng)的信息獲取能力和系統(tǒng)層強(qiáng)大的信息處理能力，從而提高全系統(tǒng)的測(cè)試性能。而且，這種嵌入式系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)，既有利于實(shí)現(xiàn)橫向各模塊的并行測(cè)試，又便于實(shí)現(xiàn)縱向各級(jí)測(cè)試的復(fù)用，從而既提高測(cè)試效率，又降低測(cè)試成本[2]。

2 嵌入式測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按照電子設(shè)備嵌入式測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)布局，對(duì)嵌入式測(cè)試系統(tǒng)開展硬件設(shè)計(jì)時(shí)，也主要從三個(gè)部分來進(jìn)行。

2.1 系統(tǒng)測(cè)試控制單元的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試控制單元需要完成系統(tǒng)測(cè)試模式的切換控制，并對(duì)來自模塊層的大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，給出最終的診斷結(jié)果，因此對(duì)控制的時(shí)效性、運(yùn)算處理速度有一定要求，在工程應(yīng)用中，通常采用嵌入式計(jì)算機(jī)來作為系統(tǒng)測(cè)試控制單元。

2.2 系統(tǒng)測(cè)試總線的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，我們優(yōu)選了UARTSPII2C總線作為系統(tǒng)內(nèi)通訊總線，系統(tǒng)的嵌入式測(cè)試控制和數(shù)據(jù)傳輸均采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。采用多種總線并行應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，支持端到端，或多主發(fā)送，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和廣播數(shù)據(jù)傳輸，不需要系統(tǒng)啟動(dòng)過程，避免了由于主站的失敗而導(dǎo)致的危險(xiǎn)情況。

（2）增加了對(duì)系統(tǒng)冗余的支持。

（3）是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，其總線調(diào)度可以在一定的限制之內(nèi)變化，并支持節(jié)點(diǎn)的熱插拔。

（4）完全開放，便于擴(kuò)展，允許用戶實(shí)現(xiàn)自定義的報(bào)文類型和協(xié)議。

（5）完全公開，免費(fèi)發(fā)布全部技術(shù)資料，簡(jiǎn)單易用，便于實(shí)現(xiàn)[3]。

2.3 模塊測(cè)試控制處理單元的設(shè)計(jì)

模塊測(cè)試控制處理單元的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，控制處理單元是一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其外圍模塊有電源、存儲(chǔ)器、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能電路以及各種測(cè)試信號(hào)的調(diào)理功能電路。

測(cè)試處理電路的選型和設(shè)計(jì)是模塊測(cè)試控制處理單元的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中，我們選用美國(guó)賽靈思公司的XC7Z020-2CLG400I單片機(jī)作為控制處理器。XC7Z020-2CLG400I是采用雙核ARM cortex A9+FPGA結(jié)構(gòu)，工作頻率高達(dá)667MHZ，外圍設(shè)備豐富，包括2個(gè)千兆網(wǎng)口MAC控制器，支持2個(gè)USB2.0OTG，2個(gè)CAN2.0B總線接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)UART接口，速率最高可達(dá)1Mb/S，2個(gè)I2C接口，118個(gè)GPIO，其中54個(gè)連接到ARM核（PS端），64個(gè)連接到FPGA（PL端）。

XC7Z020-2CLG400I有118個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入/輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使得功能口和通用I/O口復(fù)用，在對(duì)同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。除此之外，該芯片還具有以下優(yōu)點(diǎn)，PS端主頻800MHz，單核運(yùn)算能力高達(dá)2.5DMIPS/MHz，內(nèi)部集成8通道DMA控制器，通過外部存儲(chǔ)接口可連接各種存儲(chǔ)設(shè)備；PL端擁有350K/444K支持PS端配置的可編程邏輯單元，擁有19.2/26.5Mbit Block RAM，具備16對(duì)GTX高速串行收發(fā)器，每通道通信速率高達(dá)12.5Gbit/s；PL端引出121pin單端IO，80對(duì)通用差分對(duì)，40對(duì)GTX專用差分對(duì)（8對(duì)為時(shí)鐘），可在底板連接FMC、SFP+、PCIe等高速接口，實(shí)現(xiàn)功能拓展；PS端擁有多達(dá)54個(gè)MIO引腳，也可驅(qū)動(dòng)EMIO控制PL端最多64個(gè)GPIO引腳，靈活配置各種外設(shè)接口；內(nèi)部集成兩路12bitADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1MSPS轉(zhuǎn)換率，17個(gè)差分輸入通道，滿足廣泛模擬數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控需求，所以選用其作為模塊測(cè)試控制處理單元的控制處理器芯片。

3 結(jié)語

本文從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和主芯片選用流程三個(gè)方面闡述了3C電子設(shè)備嵌入式測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該嵌入式測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、智能化程度高和測(cè)試效率高等特點(diǎn)，大大增強(qiáng)3C電子設(shè)備的檢測(cè)診斷能力，對(duì)提升3C電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率提升有著重要的意義。