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目 錄 摘 要 背景 測(cè)試應(yīng)用舉例 摘 要 現(xiàn)今，電子測(cè)試工程師面臨著大量多樣化的數(shù)字接口帶來(lái)的挑戰(zhàn)。軍事、航空、通信和汽車電子都同時(shí)使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和定制數(shù)字接口。專用特定接口的測(cè)試儀器和用于通用數(shù)字I/O接口的測(cè)試儀器可以支持以上大部分接口。專用測(cè)試儀器是非常昂貴的，通用數(shù)字I/O接口的測(cè)試儀器僅試用部分方案并且需要大量編程/調(diào)試工作，最終也會(huì)增加成本。然而，基于可編程FPGA的測(cè)試儀器可以提供成本合理的解決方案，并可選通用數(shù)字I/O接口還是專用特定接口。 本文將概述現(xiàn)代數(shù)字測(cè)試接口的需求，重點(diǎn)講解在電子模塊和系統(tǒng)的監(jiān)視和控制中應(yīng)用越來(lái)越普遍的串行數(shù)字接口。這些接口包括定制和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)版本，例如SPI、I2C、RapidIO、Ethernet和SpaceWire等。對(duì)于高速串行接口，帶有特定接口的SERDES的使用和功能邏輯可以提供創(chuàng)建滿足需求的測(cè)試儀器的基礎(chǔ)。本文將會(huì)講述當(dāng)結(jié)合可用的商用IP（Intellectual Property）或定制的邏輯單元時(shí)，基于可編程FPGA的測(cè)試儀器如何提供低成本、高靈活性的測(cè)試方案，此種測(cè)試儀器解決方案將實(shí)現(xiàn)單臺(tái)儀器支持多種應(yīng)用和多種接口。
關(guān)鍵字：FPGA 數(shù)字測(cè)試 接口 背 景 當(dāng)測(cè)試工程師考慮如何測(cè)試數(shù)字接口時(shí)，就必須在技術(shù)指標(biāo)需求和方案成本之間進(jìn)行權(quán)衡。有些公司會(huì)選擇為特定通信協(xié)議測(cè)試而設(shè)計(jì)的專用儀器�；蛘撸x擇通用數(shù)字I/O測(cè)試設(shè)備，只要測(cè)試工程師付出一些努力就可以用來(lái)測(cè)試大量協(xié)議。除了選擇測(cè)試儀器，測(cè)試工程師經(jīng)常通過(guò)自行設(shè)計(jì)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)與被測(cè)部件（UUT）的邏輯系列接口吻合。隨著可編程硬件的到來(lái)，尤其是FPGAs，測(cè)試工程師在測(cè)試設(shè)備的成本選擇方面有了新工具。基于FPGA的測(cè)試儀器使測(cè)試工程師可以通過(guò)使用商用IP內(nèi)核、自主開發(fā)或定制IP內(nèi)核構(gòu)建測(cè)試方案。通過(guò)對(duì)這些IP內(nèi)核與FPGA中額外的寄存器/邏輯的集成，并提供必要的邏輯系列接口（TTL、LVDS等），測(cè)試工程師可以實(shí)現(xiàn)使用單臺(tái)儀器測(cè)試多種接口。 很多公司支持軍方客戶發(fā)展可以測(cè)試多種產(chǎn)品的通用測(cè)試站。測(cè)試站被設(shè)計(jì)用于測(cè)試“大部分”UUTs。對(duì)于測(cè)試“大部分”以外的UUTs，隨著“大部分”以外的UUTs的數(shù)量和種類的增加，為了完成全部測(cè)試，需要使用的測(cè)試儀器的數(shù)量也會(huì)成直線彪升。在通用測(cè)試站中使用可編程儀器，可減少對(duì)測(cè)試“大部分”以外的UUTs的儀器數(shù)量甚至不再需要額外的測(cè)試儀器�；�PXI[1] FPGA板卡為測(cè)試站提供此種解決方案，如圖1。 圖1一個(gè)FPGA板卡可以替代多臺(tái)儀器
每一代新產(chǎn)品的電路復(fù)雜性、I/O密度和信號(hào)速率都在持續(xù)增高。工廠已經(jīng)采納將串行總線應(yīng)用在設(shè)計(jì)中作為一種減少需求最小化I/O密度和提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方法。這些串行總線應(yīng)用在PCBs布線中，用于連接微處理器和外設(shè)、傳感器和儲(chǔ)存器。在系統(tǒng)中，串行總線被用來(lái)控制設(shè)備和模塊。有很多串行總線可以應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，例如I2C、SPI、Rapid IO和PCI Express，PCI Express可以通過(guò)背板/線纜在板卡或模塊之間通信。其他串行總線，例如 RS-232、RS-485、Ethernet和USB，支持遠(yuǎn)距離通信。
可編程FPGA的靈活性 各式各樣的總線應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，在特殊行業(yè)會(huì)應(yīng)用特殊的總線接口。例如，汽車產(chǎn)業(yè)使用CAN總線，軍用飛機(jī)使用MIL-STD-1553總線，商用飛機(jī)使用ARINC-429總線，空間電子使用MIL-STD-1553總線、SpaceWire總線和RapidIO總線。測(cè)試系統(tǒng)為了支持這些總線接口，需要專用的測(cè)試儀器。但是，測(cè)試系統(tǒng)可能會(huì)需要使用一臺(tái)測(cè)試設(shè)備支持多種總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭褂脤Ｓ脺y(cè)試儀器會(huì)增加額外的系統(tǒng)空間、成本和測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜性。 若想采購(gòu)支持每種總線結(jié)構(gòu)的獨(dú)立儀器可以考慮可編程FPGA測(cè)試儀器，這種儀器可以通過(guò)合適的固件邏輯配置模擬指定的總線標(biāo)準(zhǔn)。有很多供應(yīng)商針對(duì)這些總線結(jié)構(gòu)提供IP內(nèi)核邏輯，甚至是開源的，例如opencores.org[2] 。一旦開始運(yùn)行，用于FPGA儀器的文件會(huì)被儲(chǔ)存在測(cè)試系統(tǒng)控制器的硬盤中。然后，當(dāng)技術(shù)人員使用測(cè)試程序欲對(duì)UUT進(jìn)行測(cè)試時(shí)，與接口IP有關(guān)的文件就會(huì)被加載到FPGA儀器中。最后，完成配置的FPGA板卡就可以用來(lái)測(cè)試UUT了。在測(cè)試完成后，F(xiàn)PGA板卡可以重置并用于不同的UUT測(cè)試，如圖2。 圖2 FPGA儀器功能 – 支持多種UUTs & 接口 除了使用指定的IP或IPs，測(cè)試工程師必須考慮不同總線對(duì)物理層（PHY）/電氣接口的要求，因?yàn)镕PGA本身不具備接口電路顧一般不支持總線PHY的要求。下表列出了一些總線和對(duì)應(yīng)的PHY接口。 表1 總線和對(duì)應(yīng)的物理層接口 Bus Interface |
Physical Interface / Characteristics
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MIL-STD 1553
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Tri-axial, transformer coupled,
18 -26 Vpp output
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ARINC 429
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Differential, high voltage
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RS-232
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Unbalanced, bi-polar
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RS-422 / RS-485
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Balanced, bi-polar
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CAN Bus
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Differential, CAN bus specific XCVR
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Ethernet
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Differential, transformer coupled
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USB
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Differential, logic levels
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I2C, SPI
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Buffered, logic levels
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SpaceWire
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LVDS
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SerDes
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LVDS
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如表中所列，每種總線都要求專用或緩沖物理層接口，這些要求都可以通過(guò)在FPGA模塊的子板卡上集成必須的接口實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镕PGA提供成百上千路I/O信號(hào)，所以構(gòu)建可支持多種接口類型的子板卡是可能的。使用特定的接口子板卡時(shí)，基于FPGA的板卡是如何編程的，如圖3。 圖3 在單板卡中集成多種類型接口 測(cè)試應(yīng)用舉例 FPGA儀器支持定制/自定義接口，促進(jìn)了測(cè)試行業(yè)的發(fā)展，為驗(yàn)證使用定制/自定義總線接口進(jìn)行內(nèi)部模塊通信的系統(tǒng)的內(nèi)部的多種組件/模塊提供了一種解決方案。例如，一個(gè)客戶搭建了一個(gè)新測(cè)試系統(tǒng)，這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)包括多個(gè)板卡或模塊。機(jī)箱采用定制/自定義的串行背板，可用于在主板卡和從板卡之間進(jìn)行通訊。板卡是使用FPGAs進(jìn)行設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)通信/控制功能并致辭串行接口邏輯，如圖4。 圖4基于FPGA的板卡和定制/自定義串行通信總線 這種測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要支持定制/自定義串行總線接口并考慮使用動(dòng)態(tài)數(shù)字I/O接口或基于可編程FPGA的PXI板卡。與FPGA/板卡設(shè)計(jì)者一起工作的測(cè)試工程師會(huì)選擇嘗試基于FPGA的測(cè)試方案，將串行背板VHDL[3] 內(nèi)核編入FPGA主板卡和FPGA從板卡中。使用安裝在子板卡中的電路限制并轉(zhuǎn)換FPGA信號(hào)電平以匹配UUT邏輯系列。通過(guò)PXI FPGA板卡的API訪問(wèn)寄存器從而實(shí)現(xiàn)在PXI FPGA板卡和ATE控制器之間發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)，這種訪問(wèn)方法非常簡(jiǎn)單。此外，F(xiàn)PGA板卡的結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)獨(dú)立的PCI總線接口，簡(jiǎn)化總體設(shè)計(jì)和User FPGA的實(shí)現(xiàn)，如圖5。這中測(cè)試方案被證明是非常成功的，結(jié)束了數(shù)字I/O解決方案的時(shí)代。 圖5FPGA儀器結(jié)構(gòu) 若要測(cè)試從板卡，主板卡必須將IP內(nèi)核加載到FPGA中，這樣就可以允許測(cè)試儀器與所有從板卡進(jìn)行通信和測(cè)試了，如圖6。 圖6FPGA儀器測(cè)試從板卡 同樣地，若要測(cè)試主板卡需要執(zhí)行類似的操作步驟，從板卡將IP內(nèi)核加載到FPGA中后，基于PXI的FPGA主板卡儀器將作為UUT被從板卡進(jìn)行測(cè)試，如圖7。 圖7 FPGA儀器測(cè)試主板卡 以上說(shuō)講述的測(cè)試方法可以應(yīng)用于機(jī)箱測(cè)試。對(duì)于這種應(yīng)用，使用商用總線接口與集成的系統(tǒng)或機(jī)箱進(jìn)行通信。通過(guò)加載商用IP內(nèi)核到PXI FPGA后，F(xiàn)PGA儀器就可以與機(jī)箱和機(jī)箱內(nèi)相關(guān)板卡進(jìn)行通信和監(jiān)測(cè)了，如圖8。 圖8 FPGA儀器支持系統(tǒng)/機(jī)箱級(jí)測(cè)試
總 結(jié) 現(xiàn)今，測(cè)試工程師面對(duì)這不同領(lǐng)域的數(shù)字接口帶來(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn) 。對(duì)于每種接口都要使用一臺(tái)相應(yīng)接口的測(cè)試儀器的傳統(tǒng)測(cè)試方案不僅成本高、空間利用率低，而且還極大地限制靈活性。然而，通過(guò)使用基于可編程FPGA儀器的可編程測(cè)試設(shè)備，測(cè)試工程師可以實(shí)現(xiàn)使用單臺(tái)測(cè)試儀器應(yīng)對(duì)現(xiàn)今和未來(lái)的多種數(shù)字接口帶來(lái)的挑戰(zhàn)。 參 考 [1] http://www.pxisa.org/specifications/ - PXI Hardware specification [2] http://www.opencores.org [3] IEEE 1076-2008 VHDL Standard
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發(fā)表于 2017-10-12 16:10:01
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