復(fù)雜嵌入式檢測系統(tǒng)的設(shè)計與驗證

張博洋

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

當(dāng)前是半導(dǎo)體技術(shù)和納米技術(shù)高速發(fā)展的時代；同時，國內(nèi)IT 技術(shù)也在不斷地發(fā)展。目前，在各個領(lǐng)域已經(jīng)逐步引入越發(fā)復(fù)雜的由固件和硬件組成的嵌入式系統(tǒng)，服務(wù)于民生行業(yè)的關(guān)鍵領(lǐng)域。所引入的復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中包括有多個處理器和控制器，從而能夠滿足應(yīng)用領(lǐng)域的實時控制要求。鑒于嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性和多功能型，進(jìn)而對嵌入式系統(tǒng)檢測的可控性、直觀性等方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)針對嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)在可靠性和維修性方面存在不足；因此，設(shè)計一款可對復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的快速處理、分析和控制能力的檢測系統(tǒng)對于系統(tǒng)的性能尤為重要。

本文針對復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的檢測需求，以CPCI 總線架構(gòu)為基礎(chǔ)，融合DSP+FPGA 處理器的架構(gòu)，采用多標(biāo)準(zhǔn)的總線和模擬數(shù)字信號結(jié)構(gòu)技術(shù)，設(shè)計一款針對嵌入式系統(tǒng)高可靠性、智能化以及通用的檢測系統(tǒng)。具體闡述為：

1 復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的測試需求分析

本節(jié)將從復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的概述，對復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的測試需求進(jìn)行分析。

1.1 復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)概述

在當(dāng)前計算機技術(shù)高度發(fā)展的時代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、消費產(chǎn)品等各個領(lǐng)域中。在現(xiàn)代科學(xué)中，首個嵌入式系統(tǒng)為阿波羅導(dǎo)航計算機，該基于嵌入式系統(tǒng)的計算機主要用于對月球的探測。復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)與普通嵌入式系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、通信、信號處理、監(jiān)控以及用戶界面顯示等功能外還具備以下特點：

（1）復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)的嵌入式操作系統(tǒng)和專用的硬件架構(gòu)所組成，其具備執(zhí)行特殊任務(wù)的應(yīng)用程序。

（2）根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用功能的不同，嵌入式操作系統(tǒng)可視情況而定；但是，嵌入式系統(tǒng)中固件是必需的，其主要承擔(dān)嵌入式系統(tǒng)的預(yù)變成功能。

（3）對于復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)而言，除了滿足基礎(chǔ)的性能、內(nèi)存以及功能需求外，尤其關(guān)乎系統(tǒng)的響應(yīng)時間；即保證系統(tǒng)的硬實時系統(tǒng)是屬于確定性的。

1.2 復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的測試需求分析

復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的測試型設(shè)計技術(shù)可歸納為測試性、內(nèi)部測試、外部測試以及人工測試等技術(shù)。各項測試技術(shù)闡述為：

固有測試性需求：主要是對復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的固有性能進(jìn)行測試，其與響應(yīng)數(shù)據(jù)和測試機理無直接關(guān)系。

內(nèi)部測試需求：需要對復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部檢測，并實現(xiàn)對其內(nèi)部故障的自動隔離；測試結(jié)果與系統(tǒng)的資源利用和功耗相關(guān)。

人工測試需求：需要對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行人工測試，該項測試一般效率偏低，而且測試精度容易受到影響。

彈載計算機為典型的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，其主要功能是對導(dǎo)彈的控制，包括導(dǎo)航、慣導(dǎo)以及通信等功能。一般彈載計算機嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 彈載嵌入式計算機系統(tǒng)

以圖1 的彈載計算機嵌入式系統(tǒng)為測試對象，根據(jù)測試任務(wù)和要求，需要對嵌入式系統(tǒng)的供電電壓、數(shù)字信號、模擬信號、物理效應(yīng)信號以及各類總線的信號進(jìn)行監(jiān)測。對于一般的嵌入式系統(tǒng)而言，除了具備對上述信號的準(zhǔn)確監(jiān)測功能外，還需具備以下功能：

（1）檢測系統(tǒng)可模擬彈載計算機嵌入式系統(tǒng)的外部環(huán)境以及被測對象的各個功能模塊。

（2）檢測系統(tǒng)可采用軟件分析手段對被測設(shè)備的硬件接口和軟件性能進(jìn)行綜合評價。

（3）檢測系統(tǒng)能夠與被測對象（彈載計算機嵌入式系統(tǒng)）進(jìn)行實時通信，以確保能夠?qū)崟r記錄、分析以及顯示測試結(jié)果。

（4）檢測系統(tǒng)具備半實物仿真測試的功能，可對彈載計算機嵌入式系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行評估。

2 嵌入式自動檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

為保證所設(shè)計的針對嵌入式系統(tǒng)的自動檢測系統(tǒng)能夠滿足“1.2”中的測試需求，需要突破自動檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計、主從式通信總線以及可靠性等關(guān)鍵技術(shù)。下面進(jìn)行具體闡述。

2.1 嵌入式自動檢測總體設(shè)計技術(shù)

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的自動檢測需求，采用自頂而下的設(shè)計思路和模塊化的設(shè)計理念；根據(jù)需求確定軟硬件模型；最后，將所設(shè)計的各個模塊有機結(jié)合為嵌入式系統(tǒng)的自動檢測系統(tǒng)。為保證所設(shè)計的嵌入式自動檢測系統(tǒng)滿足應(yīng)用需求，在總體和模塊化設(shè)計時需遵循成熟性、通用性、擴展性、便攜性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等原則。

基于上述設(shè)計總原則，針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的自動檢測系統(tǒng)的基本檢測原路如圖2 所示。

根據(jù)圖2 中的自動檢測系統(tǒng)的基本原理并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的測試需求，需要為自動檢測系統(tǒng)配套微型計算機模塊、測試所需激勵信號產(chǎn)生模塊、測試響應(yīng)信號的采集模塊以及相關(guān)的各類接口等。基于自動檢測系統(tǒng)的檢測原理和各模塊的需求，將各個模塊有機結(jié)合形成嵌入式檢測系統(tǒng)。嵌入式自動檢測系統(tǒng)主要模塊包括有通用計算機主板、功能接口板、供電系統(tǒng)、開關(guān)子系統(tǒng)等。

圖2 自動檢測系統(tǒng)基本原理圖

2.2 主從式通信總線技術(shù)

主從式通信總線技術(shù)實現(xiàn)上位機與下位機的通信。本系統(tǒng)采用緊密型或密集型的PCI 總線實現(xiàn)通信功能。針對自動檢測系統(tǒng)上位機與下位機的通信需求，可采用ASIC+CORE、FPGA內(nèi)部的PCI硬核、FPGA內(nèi)部的PCI軟核、DSP+PCI 協(xié)議芯片、FPGA+PCI 協(xié)議芯片等幾種方式實現(xiàn)通信功能。以下為各種通信方式的特點說明。

ASIC+CORE 通信方式對應(yīng)模塊的編程量大、不便于后期的維護(hù)，其技術(shù)實現(xiàn)難度較大。

FPGA 內(nèi)部的PCI 硬核通信方式具有調(diào)用方便、靈活性較差、不容易被移植等特點；而且該種通信方式對應(yīng)可選擇的芯片種較少。

FPGA 內(nèi)部的PCI 軟核通信方式支持多個版本的PCI 通信協(xié)議，靈活性相對于硬核較好；但是軟核通信方式的處理速度較慢且價格較高，同時其還需要一些物理元器件做支撐才能實現(xiàn)功能。

DSP+PCI 協(xié)議芯片的通信方式操作簡單，但是其在通信中所占據(jù)的引腳資源較多，通信效率偏低。

PGA+PCI 協(xié)議芯片的通信方式技術(shù)成熟度高且功能實現(xiàn)的難度較低，通信的穩(wěn)定性較好，具有較好的靈活性。

綜合上述幾種通信方式的類型，從通信穩(wěn)定性、成本以及可靠性層面對比，最終確定采用PGA+PCI 協(xié)議芯片通信方式實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)上位機與下位機的通信，以滿足自動檢測通信需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)通信的靈活性。

3 嵌入式檢測系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的檢測需求以及總體設(shè)計基礎(chǔ)和通信關(guān)鍵技術(shù)的選擇，本節(jié)完成嵌入式系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。以下為具體闡述。

3.1 嵌入式檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)嵌入式自動檢測系統(tǒng)的功能需求，本小節(jié)對檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件包括有功能接口、供電系統(tǒng)以及開關(guān)子系統(tǒng)模塊進(jìn)行設(shè)計。

（1）功能接口模塊的設(shè)計。功能接口模塊作為嵌入式系統(tǒng)的自動檢測系統(tǒng)的核心模塊，其主要任務(wù)是實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)底層模塊的模擬控制。為了提升功能接口模塊的通用性，為嵌入式自動檢測系統(tǒng)配置多種功能的接口模塊。

（2）自動檢測系統(tǒng)供電模塊的設(shè)計。嵌入式自動檢測系統(tǒng)所外接的電源為220 V 的市電；但是，自動檢測系統(tǒng)中各個模塊的額定電壓遠(yuǎn)低于220 V。因此，需要對市電進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才能為自動檢測系統(tǒng)中的各個模塊進(jìn)行供電。根據(jù)自動檢測系統(tǒng)中各個模塊的額定電壓，設(shè)計電源轉(zhuǎn)換模塊。

（3）CPCI 總線接口模塊的設(shè)計。CPCI 總線接口模塊的主要功能是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的自動檢測系統(tǒng)中各個模塊之間的數(shù)據(jù)通信；同時，還需時間檢測系統(tǒng)與上位機的通信。總的來講，CPCI 總線接口模塊是整個自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。本系統(tǒng)選用PLX 公司研發(fā)的CPCI 橋接芯片為總線接口模塊，該芯片支持CI2.2 協(xié)議。

3.2 嵌入式檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在上述核心硬件做支撐的基礎(chǔ)上，根據(jù)自動檢測系統(tǒng)的功能需求設(shè)計相應(yīng)的軟件控制流程才能夠正常、高效發(fā)揮自動檢測系統(tǒng)的功能。針對嵌入式檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計需求，采用分層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其各個模塊的功能，包括用應(yīng)用層、管理層和物理接口層。其中，應(yīng)用層和管理層主要指的是的自動檢測系統(tǒng)的主控制計算機對應(yīng)的上位機軟件；而物理接口層主要面對的下位機軟件。

根據(jù)自動檢測系統(tǒng)的功能接口模塊完成相關(guān)的功能接口模塊初始化、PCI 總線接口、數(shù)字開關(guān)量接口、串行總線接口、模擬量接口等軟件。根據(jù)自動檢測需求，設(shè)計如圖3 所示的驅(qū)動程序。

圖3 自動檢測系統(tǒng)驅(qū)動流程圖

4 嵌入式檢測系統(tǒng)的驗證

為保證所設(shè)計的嵌入式檢測系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計需求，正常發(fā)揮其檢測功能。本節(jié)對所設(shè)計嵌入式檢測系統(tǒng)功能接口模塊進(jìn)行安裝測試，并對其功能進(jìn)行驗證，測試界面如圖4所示。

圖4 測試界面

測試結(jié)果為：

（1）系統(tǒng)能夠正確識別各個硬件模塊單元，說明功能接口模塊可滿足應(yīng)用要求。

（2）所設(shè)計的嵌入式自動檢測系統(tǒng)可以滿足彈載計算機嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)測需求，尤其是檢測系統(tǒng)的功能接口模塊、開關(guān)子系統(tǒng)以及供電模塊等均可正常發(fā)揮功能。

5 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)對復(fù)雜嵌入式檢測時存在精度低、效率低等問題。本文結(jié)合復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的檢測需求為出發(fā)點，設(shè)計一款高效率、高精度以及高可靠型的自動檢測系統(tǒng)，為提升復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的可靠性，指導(dǎo)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計提供支撐，并總結(jié)為：

（1）根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的自動檢測需求，采用自頂而下的設(shè)計思路和模塊化的設(shè)計理念，確定復(fù)雜嵌入式自動檢測系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成。

（2）本系統(tǒng)選用PLX 公司研發(fā)的CPCI 橋接芯片為總線接口模塊。

（3）采用PGA+PCI 協(xié)議芯片通信方式實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)上位機與下位機的通信，可在滿足自動檢測通信需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)通信的靈活性。

（4）經(jīng)驗證表明：所設(shè)計的嵌入式自動檢測系統(tǒng)可以滿足彈載計算機嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)測需求，檢測系統(tǒng)的功能接口模塊、開關(guān)子系統(tǒng)以及供電模塊等均可正常發(fā)揮功能。