基于TRACE32 的航空電路板測試維修應用

2022-01-06 12:32:58李金猛張子明顧正偉

電子設計工程 2021年24期

李金猛，張子明，顧正偉

（1.中國人民解放軍第5720 工廠，安徽蕪湖 241000；2.中國人民解放軍第5720 工廠航空設備測控與逆向工程實驗室，安徽蕪湖 241000；3.安徽天航科創發展（集團）有限公司研發中心，安徽蕪湖 241000）

伴隨電子技術的飛速發展，印制電路板的功能日益強大，印制電路板在民用領域和軍用領域發揮著舉足輕重的作用[1]。在航空領域，作為機載設備核心的電路板已高度集成化、復雜化，其維修保障的難度急劇增加。如何對航空電路板進行準確的測試和故障診斷已經成為裝備維修企業當前亟需解決的問題之一[2]。

傳統電路板測試采用人工方式，通過示波器和萬用表對元器件進行測試，該方式測試周期長，對人員理論和技能要求高，另外對比較復雜特別是含處理器類板件的測試難度很大[3-5]。

文中采用基于TRACE32 平臺調試技術研究了對某型航空通用處理平臺電路板的測試方式和維修應用，該方法不需要拆卸電路板上的器件，便可以實現對器件在應用期間的故障進行準確判斷；同時可以快速、精準地完成相應的檢測作業，能夠完成對復雜數字電路板的精準、快速檢測[6-8]。

1 TRACE32簡介

1.1 平臺概述

TRACE32 是由德國Lauterbach 公司研制開發的一款仿真測試工具。TRACE32 作為一種真正集成化、通用性系統仿真器可以組合成多種方案。無論是選用網絡、單機、光纖方案，TRACE32 系列工具作為一種通用、模塊化的仿真與測試都有很強的優越性。TRACE32 采用了很多領先技術，如雙端口存儲技術、實時多任務處理機制，以太網、光纖通信技術、多CPU 調試技術、軟件代碼覆蓋技術、基于斷點系統的存儲技術、多級觸發單元技術、時鐘處理單元技術、動態存儲技術等[9-10]。該系列工具的軟件支持接口豐富，并支持60 多種編譯器、20 多種實時多任務操作系統、十幾種操作平臺，因此具有非常強大的通用性。

1.2 常用模塊

TRACE32 目前一般應用于PowerPC 等含處理器航空電路板件的測試維修中，使用的模塊為Power Debug（調試器）及對應的Debug Cable（調試電纜）。

1.2.1 Power Debug調試器

TRACE32 在線測試時的常用調試器為Power Debug，用于對各型處理器進行在線調試，文中選用的型號為LA-3505 POWER-DEBUG-PRO，其具體特點是：①具有通用BDM 調試和JTAG 控制器，可以兼容所有BDM 和JTAG 調試器；②具有USB2.0 接口、1 Gbit/100 Mbit/10 Mbit 速率以太網接口以及測試總線擴展接口；③速率高達1 000 DMIPS/500 MHz。

1.2.2 Debug Cable調試電纜

為了調試不同的處理器，TRACE32 調試器需要與測試電纜配合使用，不同的處理器對應其相應的測試電纜，調試器通過測試電纜與處理器的JTAG口相連。支持的處理器系列包括ARM/XCALE、POWER 架構、MIPS32/64、Intel/x86、AVR32、MSP430等多種市面常見的CPU。

2 測試方法步驟

2.1 目標板件介紹

某型航空通用處理平臺電路板基于Power PC7447A 處理器和Tsi109-200IL 橋接芯片，以PCI 總線通信為主要架構，可以用于完成飛機航電系統中如任務管理、顯示控制、數據融合和數據計算等功能。該平臺符合VME 底板總線標準，配備PMC 標準接口，易于擴展，是一種高性能的航空電子商用貨架產品[11]。

該處理平臺包括兩個獨立的處理單元。處理器選用飛思卡爾的PowerPC，型號為7447A，主從節點通過PCI 總線交互，每個處理器外圍電路完全相同，灌入不同的軟件即可實現相應的功能。這兩個處理器通過Tsi109 橋接芯片完成對串口、網口、存儲器以及PCI 總線的功能擴展，FPGA 負責對內存SDRAM、系統FLASH、用戶FLASH、NVSRAM 等地址區域控制端的控制，PCI 總線和VME 總線之間通過Tsi148芯片再次進行橋接。平臺通過VME 總線與航電系統的其他設備連接。平臺可以按應用需求提供豐富的擴展功能。圖1 所示為安裝MBI 子卡提供1553B總線接口的電路板框架圖。

圖1 通用處理平臺電路板框架

使用TRACE32 進行測試需要密切關注其各類資源的地址分配，存儲器控制器由Tsi109 分配實現，系統地址空間分為4 個區：局部存儲器、PCI 存儲器空間、PCI IO 空間、FLASH 存儲器空間。Tsi109 實現對所有空間的控制訪問。系統資源地址分配見表1。

表1 系統資源地址分配

2.2 處理器的連接

首先，通過測試電纜連接調試器與電路板處理器JTAG 口，通過USB 線連接調試器與調試計算機，連接調試器電源適配器，打開電路板電源，可以看到電路板電源指示燈燃亮，調試器電源適配器電源指示燈和TRACE32 調試器所有指示燈均不亮。打開TRACE32 軟件，在界面的右下角位置顯示“power down”狀態。此時將調試器電源適配器打開，調試器上電，可以看到適配器電源指示燈燃亮，同時調試器電源燈（POWER）和設置燈（SELECT）燃亮，另外界面右下角的軟件狀態由“power down”變為“system down”。

在菜單欄點擊CPU，選擇SYSTEM 菜單，彈出處理器設置框，點擊CPU 按鈕，選擇目標處理器，這里選擇MPC7447A。

選擇好處理器后，要連接相應板件，在Mode 框中點擊“up”選項，該操作可以連接處理器并由TRACE32 調試器全面接管處理器，此時將IP 指針拉到處理器的起始入口地址。等待片刻后可以看到軟件右下角地址為FFF00100（PowerPC 的入口地址），狀態由“system down”變為“system ready”。此時處理器已經由TRACE32 接管，連接工作完成。

3 存儲空間查看與監控

一般含處理器電路板的模塊將模塊中的各種資源按照不同的地址進行訪問和使用，因此對內存空間進行監控可以反映板件各資源的運行情況，對于板件的測試及排故具有很大幫助。

可以查看處理器內存空間的具體內容，點擊View 菜單，選擇“Dump..”。此時跳出地址查看設置框，在Adderss/Expression 框中輸入查看的地址。

3.1 內存空間

SDRAM 具有較高的讀寫速率以及較高的精度，存儲容量大、可支持突發模式等優點[12]，因此內存選擇SDRAM。處理器運行時要把用到的數據和程序從FLASH 調用到內存里，這樣調用時更加快速高效。該板件的SDRAM 地址從0x00000000 開始，因此在Adderss/Expression 框中輸入0x00000000，就可以顯示SDRAM 內容。

由于內存所用的SDRAM 存儲器是隨機讀寫機制，因此可以靈活修改這個區域的數據。只需要雙擊軟件中的地址，在下方顯示的命令欄中輸入所要修改的內容，就可以把這個地址的內容修改。如圖2所示，位于0x00000064 地址的數據由圖2（a）中的0xEFFE7FEF 修改為圖2（b）中的0x00000000。

圖2 SDRAM內容的修改

3.2 FLASH空間

FALSH 相當于電路板件計算機系統的硬盤，存放需要運行的軟件代碼，掉電不丟失。因為PowerPC 的入口地址為0xFFF00100，因此訪問該地址就可以查看相應FLASH 空間的內容，如圖3 所示。

圖3 查看PowerPC入口地址的FLASH內容

需要注意的是，FLASH 是只讀存儲器，不能輕易按照3.1 節的方法進行內容的修改。具體的FLASH操作方法將結合實例在第4 節介紹。

4 應用實例

隨著航空電子技術的迅猛發展，我國軍用飛機的數字化、集成化水平取得了長足的發展，FLASH 等存儲器在航空電路板中得到了廣泛的應用[13]。在航空電路板的使用中，FLASH 脫焊是十分常見的故障之一，因此需要對電路板上的FLASH 芯片進行讀、寫、擦等操作，通過觀察FLASH 空間內容的異常、配合示波器等觀察時序波形的異常等分析故障原因并確定故障位置。

在一次修理過程中經過初步觀察，懷疑某型航空通用處理平臺電路板的FLASH 芯片存在故障，以下通過在TRACE32 中編寫CMM 文件作為FLASH 擦除和寫入腳本，從而實現操作FLASH 的方法來確認故障點。

4.1 原理分析

4.1.1 橋接芯片格式

首先確定分配地址的具體映射關系，PCI 總線作為一種高性能32 位或64 位地址數據復用的總線,具有性能強、成本低、適應性強、數據完整性和軟件兼容性好等特點,可實現處理器和存儲器系統以及各種接口系統的連接[14-15]。根據2.1 節的介紹可以分析出該電路板使用的就是以Tsi109-200IL 橋接芯片為樞紐的PCI 總線結構，根據對橋接芯片Tsi109-200IL的芯片手冊進行查詢可以得出，該模塊使用32 位模式的HLP 格式，HLP 格式中每一位與地址、數據位的對應關系如表2 所示。

表2 Tsi109的32位模式HLP格式

4.1.2 FLASH操作時序

不同的FLASH 芯片操作時序和指令存在差異，該航空通用處理平臺電路板使用的FLASH 型號為S29GL256GP11TFI010，其操作指令如表3 所示。

表3 S29GL256GP11TFI010的操作指令

以編程操作為例。根據電路邏輯圖，FPGA 的LATCH_AD_6～LATCH_AD_29 端口分別連接FLASH地址線A0～A23；FPGA 的AD0～AD15 端口分別連接FLASH 數據線DQ0～DQ15。表1 中HLP_AD[6:29]可看作LATCH_AD_6～LATCH_AD_29，對應系統總線的A2～A25；數據線則仍為D31～D0。所以可得到表4所示的映射關系。

表4 地址映射關系

需要注意的是，表3 中最右邊一列是從下向上排序的十六進制表示，因此可以看到，編程指令的第一個地址就由0x555 變成了系統總線的0x1554，另外還要加上需要操作的FLASH 基地址，如航空通用處理平臺電路板的用戶FLASH 基地址0xF8000000。所以第一個指令的地址變為0xF8001554，數據不變，仍為0xAAAAAAAA（航空通用處理平臺電路板中的用戶FLASH 為4 片并聯的形式，數據線擴展為32 位，所以數據擴展為0xAAAAAAAA）。以此類推，第二個指令地址為0xF8000AA8，數據為0x55 555555；第三個指令地址為0xF8001554，數據為0xA0A0A0A0。

因為PowerPC 架構下應按照大端模式32 位尋址，所以CMM 文件中應該注明相應的“%BE”（大端模式）和“%LONG”（32 位模式）控制字。