一種數(shù)字圖像板測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 石，劉亞斌，周 強(qiáng)

（北京航空航天大學(xué) 北京 100191）

當(dāng)今的航空領(lǐng)域，對(duì)航空電子設(shè)備的可靠性、保障性和可維修性有了更高的要求，因此對(duì)目標(biāo)設(shè)備的全面測(cè)試成了航空電子設(shè)備制造過(guò)程中必不可少的重要一環(huán)。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建合適的外部環(huán)境以及施加一定的激勵(lì)達(dá)到模擬航電設(shè)備正常工作的狀態(tài)，同時(shí)測(cè)試設(shè)備接收目標(biāo)航電設(shè)備的反饋信號(hào)并進(jìn)行分析，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備運(yùn)行性能、實(shí)時(shí)性以及可靠性的分析。測(cè)試系統(tǒng)一般使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為核心，并通過(guò)在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝各種通信擴(kuò)展卡、信號(hào)采集卡、數(shù)字量輸入輸出卡來(lái)完成激勵(lì)信號(hào)的輸出以及反饋信息的采集[1]。

論文以數(shù)字圖像板的測(cè)試為背景，提出一種基于PCI總線，以RS422接口卡和DSP通信轉(zhuǎn)換卡為數(shù)據(jù)通信卡，以LVDS接口卡和AD采集卡作為數(shù)據(jù)接收卡的設(shè)計(jì)方案。該方案符合設(shè)計(jì)要求，滿足用戶需求。

1 測(cè)試系統(tǒng)需求分析

被測(cè)的圖像板為某型空空導(dǎo)彈里的部件，主要完成圖像采集及圖像處理的工作。該圖像板以DSP+FPGA為核心，以CPLD為時(shí)序輔助控制器，外圍電路包括DSP的McBSP接口電路、高速AD采集電路、LVDS接口電路、串行DA接口電路、SPI接口、DSP程序加載 FLASH以及 FPGA程序配置FLASH。被測(cè)圖像板的CPLD已經(jīng)固化，不能更改，而DSP及FPGA需自行編寫(xiě)，該測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)DSP、FPGA以及所有外圍電路進(jìn)行功能測(cè)試并且進(jìn)行可視化處理。

該測(cè)試系統(tǒng)難點(diǎn)主要在于如何對(duì)被測(cè)圖像板各個(gè)待測(cè)硬件電路進(jìn)行控制并將結(jié)果通過(guò)上位機(jī)顯示出來(lái)。針對(duì)該難點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)需要做好以下幾個(gè)方面。首先，需要編寫(xiě)合適的被測(cè)圖像板底層程序，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)外圍電路的功能；其次，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)圖像板的功能控制和測(cè)試結(jié)果顯示，需要設(shè)計(jì)穩(wěn)定的通信模塊以實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)算機(jī)和被測(cè)圖像板之間的通信；最后測(cè)試系統(tǒng)能夠正確地顯示出各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果[2]。

2 總體設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先通過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)控制被測(cè)圖像板上電；接著測(cè)試計(jì)算機(jī)通過(guò)DSP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡向被測(cè)圖像板發(fā)出不同的激勵(lì)并接受其響應(yīng)，不同的激勵(lì)將觸發(fā)不同的測(cè)試模塊；最后將不同的響應(yīng)通過(guò)軟件進(jìn)行可視化處理，以完成測(cè)試。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the test system

3 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，主要由測(cè)試計(jì)算機(jī)單元、信號(hào)源、電源調(diào)理板、DSP通訊轉(zhuǎn)接卡及被測(cè)圖像板組成，其中測(cè)試計(jì)算機(jī)采用PCI總線測(cè)試計(jì)算機(jī)，包含全長(zhǎng)CPU卡、GPIB卡、LVDS接口卡、RS422接口卡、電源控制及AD采集卡等。所有組成部分互相配合，完成被測(cè)圖像板各個(gè)模塊的測(cè)試。下面將分測(cè)試模塊對(duì)該系統(tǒng)各個(gè)組成部分的功能進(jìn)行分析。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

3.1 McBSP接口模塊測(cè)試

McBSP （Multichannel Buffered Serial Port）是 TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片的多通道緩沖串行接口，以和其他DSP器件、編碼器等其他串口器件通信[3]。本系統(tǒng)采用RS422接口卡與DSP通訊轉(zhuǎn)接卡相結(jié)合的方式，完成計(jì)算機(jī)與被測(cè)圖像卡之間的通訊。如圖3為其中DSP通訊轉(zhuǎn)接卡的原理框圖。本轉(zhuǎn)接卡以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型DSP為核心，使用McBSP模塊和SCI模塊，其中McBSP模塊通過(guò)寄存器設(shè)置可實(shí)現(xiàn)與被測(cè)圖像板McBSP通道直接通訊，而SCI模塊需要外圍芯片MAX3077E實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分功能，以達(dá)到與RS422接口卡通信的功能。

SCI是Serial Communication Interface的簡(jiǎn)稱，即串行通信接口，具有接受和發(fā)送兩根信號(hào)線，一般可看做UART（通用異步接受/發(fā)送裝置）。SCI模塊的波特率是可調(diào)的，為了與RS422接口卡相匹配，選定SCI模塊的波特率為19 200 bps。

圖3 DSP通訊轉(zhuǎn)接卡的原理框圖Fig.3 Functional block diagram of communication swich card based on DSP

3.2 高速AD采集電路測(cè)試

被測(cè)圖像板的高速AD采集電路采用差分運(yùn)放和AD芯片組合而成，采集結(jié)果使用FPGA和DSP進(jìn)行處理。本測(cè)試系統(tǒng)的AD采集電路測(cè)試，使用GPIB卡控制信號(hào)源輸出幅值和頻率固定的正弦波，同時(shí)編寫(xiě)被測(cè)圖像卡的FPGA和DSP程序，其中為了保證采集準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在FPGA內(nèi)部開(kāi)啟一個(gè)深度為8192、位寬16位的FIFO，采集時(shí)鐘使用FPGA內(nèi)部DCM模塊生成的10 MHz時(shí)鐘，在FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，F(xiàn)PGA將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給DSP，DSP將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)McBSP模塊傳給DSP通訊轉(zhuǎn)接卡，以此實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)算機(jī)對(duì)于AD數(shù)據(jù)的讀取。需要注意的是，為保證傳輸期間不丟數(shù)，要保證FPGA進(jìn)行AD采集的速度V1、FPGA與DSP通訊的速度V2之間滿足V1

3.3 LVDS接口電路測(cè)試

LVDS接口卡是該項(xiàng)測(cè)試的核心，圖5為該接口卡的原理框圖。LVDS接口卡被設(shè)計(jì)為接收和發(fā)送同時(shí)進(jìn)行，分別采用一片SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，與PCI總線接口部分采用PLX公司推出的PCI9054芯片，該接口卡的FPGA主要完成時(shí)序控制并實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的編碼和解碼。

被測(cè)圖像板LVDS接口電路直接集成在FPGA上，用于將圖像信息以LVDS信號(hào)進(jìn)行傳輸[5]。本測(cè)試系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部開(kāi)啟了一個(gè)LVDS圖像發(fā)送模塊，存儲(chǔ)了一個(gè)形狀固定但是灰度可調(diào)的圖像。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)算機(jī)對(duì)于灰度的控制和圖形的顯示，需要完成以下幾個(gè)步驟。首先，測(cè)試計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422接口卡將可調(diào)的32位灰度數(shù)據(jù)傳輸給DSP通訊轉(zhuǎn)接卡，然后經(jīng)由被測(cè)圖像板的DSP傳給FPGA，F(xiàn)PGA接收到該灰度數(shù)據(jù)后，LVDS圖像發(fā)送模塊開(kāi)始工作，輸出LVDS信號(hào)的圖像數(shù)據(jù)，最后圖像數(shù)據(jù)由LVDS接口卡進(jìn)行解碼，并可以通過(guò)軟件顯示出相應(yīng)圖形。不同的灰度數(shù)據(jù)顯示出不同的灰度圖形，達(dá)到良好的可視性效果。圖6為兩個(gè)不同的灰度顯示結(jié)果。

圖4 信號(hào)源發(fā)出的波形以及AD采集后顯示的波形Fig.4 Waveform output by signal generator and waveform displayed after AD acquisition

3.4 串行DA接口電路測(cè)試

圖5 LVDS接口卡原理框圖Fig.5 Functional block diagram of LVDSinterface card

圖6 LVDS接口卡接收到的不同灰度的圖像Fig.6 Images with different grayscale received by LVDSbus card

被測(cè)圖像板串行DA芯片與FPGA相連接，可將16位數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓值并輸出。本測(cè)試系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部開(kāi)啟了一個(gè)串行DA接口模塊，用以將可變數(shù)據(jù)以符合DA芯片協(xié)議的方式發(fā)送給DA芯片。以下為該項(xiàng)測(cè)試流程。首先，測(cè)試計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422將16位數(shù)字量下發(fā)給DSP通訊轉(zhuǎn)接卡；然后經(jīng)由被測(cè)圖像板的DSP傳給FPGA，F(xiàn)PGA接收到該數(shù)字量后，DA接口模塊開(kāi)始工作，將所接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合DA芯片協(xié)議要求的串行數(shù)據(jù)并輸出給DA芯片，隨后DA芯片進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，所得模擬電壓量經(jīng)AD采集卡采集并最終在測(cè)試計(jì)算機(jī)軟件界面中顯示出來(lái)，以形成一個(gè)閉合的環(huán)路，實(shí)現(xiàn)對(duì)DA接口電路的測(cè)試。

3.5 SPI接口電路測(cè)試

SPI（Serial Peripheral Interface）接口是一種同步串行外設(shè)接口。被測(cè)圖像板SPI接口集成在DSP中，與板上的串行FLASH相連，用于數(shù)據(jù)暫存和讀取。本測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)對(duì)串行FLASH任意地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)并讀取，比較寫(xiě)入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)是否相同來(lái)判斷該模塊是否正常工作。寫(xiě)入數(shù)據(jù)流程如下：首先，測(cè)試計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422接口卡將需要寫(xiě)入FLASH的數(shù)據(jù)以及存放的地址下發(fā)給DSP通訊轉(zhuǎn)接卡；然后，被測(cè)圖像板的DSP接收到該信息并進(jìn)行編碼，使之滿足SPI接口協(xié)議，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入串行FLASH的相應(yīng)地址中。讀取數(shù)據(jù)流程如下：測(cè)試計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422接口卡發(fā)出讀取串口FLASH相應(yīng)地址的命令給DSP通訊轉(zhuǎn)接卡，隨后被測(cè)圖像板的DSP接到該命令并進(jìn)行編碼，并讀取串行FLASH的相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過(guò)DSP通訊轉(zhuǎn)接卡和RSS422接口卡傳輸?shù)綔y(cè)試計(jì)算機(jī)。將寫(xiě)入數(shù)據(jù)與讀取數(shù)據(jù)相對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SPI接口電路的測(cè)試。

4 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)的軟件采用Microsoft Visual C++編程，Microsoft Visual C++是美國(guó)微軟公司推出的基于Windows XP平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具。具有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可提供編輯C語(yǔ)言，C++以及C++/CLI等編程語(yǔ)言[6]。為了日后的更新、維護(hù)與拓展，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的思想，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生模塊、PCU輸出控制信號(hào)檢測(cè)模塊、通信模塊和系統(tǒng)幫助模塊等組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Schematic diagram of the software test system

圖8 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.8 Flow chart the software design

在軟件設(shè)計(jì)中，電源控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于被測(cè)圖像板供電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，保證其正常運(yùn)行以及故障時(shí)及時(shí)斷電保護(hù)；RS422通信模塊主要實(shí)現(xiàn)RS422信號(hào)的產(chǎn)生與接收，通過(guò)產(chǎn)生RS422信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測(cè)試項(xiàng)的控制，同時(shí)可以接收測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)；LVDS數(shù)據(jù)接收模塊用于實(shí)現(xiàn)LVDS圖像信號(hào)的接收以及顯示；GBIP通信模塊控制信號(hào)源產(chǎn)生用戶需求的各種模擬量信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。測(cè)試過(guò)程中，在完成數(shù)據(jù)采集后，顯示測(cè)試結(jié)果，并完成報(bào)表打印。

5 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某型號(hào)數(shù)字圖像板的功能測(cè)試，本文提出了以PCI總線測(cè)試計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并完成了軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件主要包括PCI總線測(cè)試計(jì)算機(jī)、多塊PCI總線接口板卡、基于DSP的通信轉(zhuǎn)接卡、信號(hào)發(fā)生器、電源調(diào)理板卡以及被測(cè)圖像板。該系統(tǒng)軟件部分以Windows XP為平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了圖像板各項(xiàng)功能的測(cè)試和結(jié)果顯示。實(shí)際應(yīng)用表明：該測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，滿足了用戶需求。

該測(cè)試系統(tǒng)采用具有多塊PCI總線接口板卡的PCI總線測(cè)試計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該測(cè)試系統(tǒng)已用于某型導(dǎo)彈的圖像板進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用表明該測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、便于操作等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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