基于CAN 和FPGA 的自動測試系統設計

梁一峰，曲一萍，余懷秦，薛磊

（西南電子設備研究所，四川成都 610036）

數字接收模塊用于機載電子信息系統設備中，主要完成某頻段寬帶信號的截獲，為系統對敵偵察與干擾提供支撐，其故障或失效不僅會導致直接的經濟損失，還可能對電子信息系統裝備效能的發揮產生災難性的后果，因此數字接收模塊PCBA 測試非常重要。在以往生產的模塊中，技術人員針對某一部分硬件開發單獨的FPGA 測試程序，測試人員需要分別加載相應的測試程序進行測試。這樣完成一個數字接收模塊的PCBA 檢測往往需要耗費較長的時間，而且檢測功能覆蓋不全。文中充分借鑒了一些行業內的PCBA檢測系統設計經驗[1-5]，設計了一種基于CAN 單片機和FPGA 的數字接收模塊PCBA 自動測試系統，實現了通過上位機一鍵操作，完成指令的下發和檢測結果的收集。實驗表明，該系統設計靈活，可靠性高，檢測覆蓋全面，完善后系統故障檢測效率可提高90%。

1 系統方案設計

1.1 數字接收模塊組成

在機載電子信息系統[6～9]設備中，數字接收模塊主要用于某頻段的寬帶截獲。該模塊主要由一個單比特轉接板（以下簡稱轉接板）、兩個SOC 模塊、柔性板組成。其中，SOC 模塊主要由單比特組件板（以下簡稱組件板）和變頻模塊組成。模塊主要功能完成某頻段寬帶信號的截獲，SOC 模塊完成信號的采集與PDW 計算，轉接板負責將兩個通道的PDW 信息上報。

1.1.1 轉接板

轉接板使用某系列FPGA(U1)作為主控芯片，FPGA 外掛三片MLVDS 驅動芯片（D5-D7），分別引出四對、四對、三對MLVDS 信號到LRM 連接器，FPGA 引出五對GTX 收發信號到LRM 連接器。FPGA 直接引出11 對LVDS 信號到LRM 連接器，其中八對LVDS 信號在可通過母板形成回環。FPGA直接引出四對LVTTL 信號到LRM 連接器，其中三對LVTTL 信號在可通過母板形成回環。CAN 單片機(D39)集成了電壓檢測、溫度監控等功能，兩組CAN信號通過LRM 連接器引出，CAN 和FPGA 的通信使用SPI 協議，通過九根普通I/O 連接。

1.1.2 組件板

組件板使用某系列FPGA (U11)作為主控芯片，FPGA 外掛四片AD 芯片（U5-U8)，四個AD 采集的信號送到四個協處理器（U1-U4），經過協處理器處理后的結果報送給FPGA。FPGA 外掛一片視頻AD 芯片D13，采集視頻AD 信號。FPGA 直接引出15 對LVDS 信號到柔性連接器(X1 或X10)，上報粗測碼、精測碼及同步時鐘等信息。

1.1.3 柔性板

柔性板的主要作用是接收來自轉接板的電壓信號，為組件板供電，同時將組件板的粗測碼、精測碼及同步時鐘等信息上報給轉接板的FPGA（U1）。

1.2 整體方案設計

數字接收模塊整體方案如圖1 所示，轉接板接收上位機通過CAN 下發的指令，對指令要求的檢測項進行檢測，檢測完成后將檢測結果通過CAN 總線上報給上位機。

圖1 數字接收模塊測試整體方案

1.2.1 CAN、FPGA通信檢測

CAN 的檢測由上位機軟件和CAN 單片機共同完成，上位機發送CAN 程序版本讀取命令給CAN 單片機并回讀，版本正確說明CAN 通信正常。FPGA的檢測由上位機、CAN 單片機、FPGA 共同完成，上位機發送FPGA 檢測指令和數據，CAN 單片機轉發給FPGA，FPGA 收到后將數據回傳，上位機收到下發數據說明FPGA 通信正常。

1.2.2 GTX、MLVDS、LVDS、LVTTL的檢測

GTX、MLVDS、LVDS、LVTTL 的檢測由轉接板上的FPGA(U1)和上位機軟件共同完成，轉接板U1 接收上位機通過CAN 總線下發的對GTX、MLVDS、LVDS、LVTTL 的指令，將上位機下發的數據發出，數據經過母板的GTX、MLVDS、LVDS、LVTTL 環路回讀后，將數據發回給上位機。上位機負責比對下發的數據和收到的數據是否一致，如果不一致則說明通信鏈路異常。

1.2.3 U1-U4、U5-U8的檢測

U1-U4、U5-U8 的檢測主要由組件板上的FPGA(U11)完成，U11 接收轉接板轉發過來的由上位機通過CAN 下發的對U1-U4、U5-U8 進行檢測的指令后，獨立完成相應的檢測，并通過轉接板的U1 轉發上報給CAN 總線，上報到上位機。

1.2.4 柔性板的檢測

柔性板的檢測由轉接板和組件板上的FPGA 配合完成，轉接板U1 接收上位機。通過CAN 下發的檢測指令，配合組件板FPGA(U11)共同完成柔性板的檢測，并將檢測結果通過CAN 總線上報給上位機。

2 檢測邏輯設計

2.1 通信鏈路設計

為完成一個轉接板、兩個組件板及柔性板的檢測，使得所有檢測指令都可通過上位機進行下發并回讀檢測結果，需要設計完整的通信鏈路，負責整個檢測系統指令和數據的下發及檢測結果的回讀。

通信鏈路各節點職責描述表1 所示。

表1 通信鏈路各節點職責

2.2 檢測指令設計

檢測指令由上位機發送給CAN 單片機，CAN 單片機解析后發送給U1，如果是要求U1 檢測的指令則U1 完成檢測，如果是要求U11 完成的指令則會由U1 轉發給U11，所有檢測的結果沿指令下發鏈路反向上傳。指令的報文類型是擴展幀共96 位，讀寫指令為32 位，檢測指令和下發數據各占32 位。

具體幀結構如圖2 所示，其中“4000”指令是要求U1 完成GTX 通信測試。

圖2 檢測指令幀結構

2.2.1 讀寫控制命令

寫命令用于將檢測指令和數據通過CAN 下發到FPGA。讀命令，配合寫命令使用，先下發寫命令，FPGA 收到指令和數據后進行相應的檢測和數據發送。在完成寫指令后下發讀命令，FPGA 收到讀命令后將檢測的結果和收到的數據一同發回上位機。

2.2.2 下發數據位

在下發數據位的設計中，對于一些檢測需要下發數據，通過收回的數據與下發的數據對比，判斷相應鏈路是否存在故障。在檢測八位LVDS 通信時，需要先后兩次下發0x55 和0xAA，確保LVDS 引腳能夠正常完成數據的收發，而不是因為電性能故障導致某個引腳持續被拉高或置低。同時，GTX 的檢測需要攜帶數據。

2.2.3 CAN尋址

上位機下發指令，需要指明接收指令的CAN 單片機地址。

2.2.4 檢測指令

對不同的檢測項的檢測指令進行編碼，如“4000”為GTX 檢測，“1000”為轉接板LVDS 檢測等。

2.3 檢測方法設計

系統需要完成CAN 單片機、U1、U11 的通信測試，確保檢測指令和數據能夠正常下發和回讀，完成LVDS、MLVDS、GTX 測試確保收發接口工作正常，完成U5-U8、U1-U4 測試確保兩種AD 芯片初始化正常，完成柔性板的檢測，確保轉接板與組建板之間數據傳輸通道正常。

2.3.1 通信環路

CAN、FPGA 的通信檢測采用環路檢測的方法。CAN 的通信檢測是上位機下發CAN 通信檢測指令，CAN 收到指令后回復，上位機完成解析的CAN 通信環路。FPGA 的通信檢測則是由上位機下發FPGA通信檢測指令，CAN 單片機解析并轉發給U1、U11，U1、U11 收到指令后回復，報文經過單片機轉發給上位機，上位機解析完成檢測。

2.3.2 數據環路

GTX、LVDS、MLVDS、LVTTL 的檢測由上位機和FPGA 共同完成。通過對PCBA 板的LRM 連接器的母版進行設計，使這些接口在硬件連接上形成環路。在需要檢測時，上位機下發檢測指令，下發到FPGA 經過環路后收回，根據上位機檢測收到的數據與下發數據是否一致即可判斷GTX、LVDS、MLVDS、LVTTL 的硬件是否工作正常。

2.3.3 高頻器件

U1-U4、U5-U8 為高頻模-數轉換的器件，其檢測由FPGA 完成，U11 接收到檢測指令后，通過SPI 接口配置U1-U4、U5-U8 的Built-In SelfTest 寄存器，將U1-U4、U5-U8 的輸出配置為用戶自定義的測試數據。U11 的LVDS 口接收數據并解析，將解析所得的數據與用戶自定義數據進行對比，若保持一致則表明U1-U4、U5-U8 芯片工作正常。

2.3.4 數據透傳

與數據環路檢測的方法不同，柔性板之間雖然也是LVDS 信號，但是該PCBA 板的硬件設計導致了通過柔性版的信號只有少部分可以雙向收發，大部分只能單向發送。因此，對柔性版的檢測通過組件板U11 實現，該FPGA 收到檢測指令后，將預設的數據通過LVDS 總線發送給轉接板U1，再通過CAN 單片機轉發給上位機。上位機接收數據并與預期數據進行比對，如果一致則判斷柔性板工作正常。

3 效果評估

在完成CAN 程序、U1、U11 程序編寫后，通過上位機下發檢測指令對系統進行原型驗證。以GTX 通信檢測為例，首先下發寫控制命令10100CAA，寫數據55555555，寫地址及檢測指令，03FE4000。寫命令下發完成后，再次下發讀控制命令10100CBB，數據位可以任意填寫XXXXXXXX，讀地址及檢測指令03FE4000，如圖3 所示。

圖3 指令下發與結果回讀

指令下發后通過chipscope 在線調試查看（如圖4所示），U1 已正確收到檢測指令，上位機能夠收到模塊回復的CAN 報文，接收數據與發送數據一致說明模塊GTX 工作正常[14-17]。

圖4 U1接收并解析檢測指令

4 結束語

文中針對需要互相協作通信的多個PCBA 板故障定位檢測的復雜性，提出了基于CAN 單片機和FPGA 的數字接收模塊PCBA 自動測試系統，完整闡述了系統的設計方案及檢測方法。經初步驗證，證明了該自動測試系統的可行性，與以往需要加載bit文件及cdc 文件抓取信號的方式相比，檢測效率提高了90%以上。下一步的工作是完善上位機測試軟件，使檢測系統可以做到一鍵檢測，屆時檢測效率可進一步提升。