?1、控制器

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍從玩具到先進(jìn)的飛機(jī)，它使用微控制器在更復(fù)雜的系統(tǒng)中執(zhí)行專門的操作。大多數(shù)微控制器都是混合信號(hào)設(shè)備，使用模擬和數(shù)字信號(hào)組合。這些嵌入式控制器需要使用復(fù)雜的串行接口和協(xié)議與其他系統(tǒng)組件通信，雖然這些接口和協(xié)議很常見，但卻很難驗(yàn)證和排除故障。驗(yàn)證、排除故障和調(diào)試這些微控制器可能需要多種儀器，包括測(cè)量和確認(rèn)物理層信號(hào)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容的儀器。嵌入式微控制器還可能包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，需要模擬信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試。使用模塊化儀器可以執(zhí)行所有必要的測(cè)試，降低測(cè)試成本，減少所需的臺(tái)面空間。它們可以將測(cè)量模擬信號(hào)的數(shù)字化儀、提供真實(shí)信號(hào)的任意波形發(fā)生器以及激勵(lì)和測(cè)量數(shù)字信號(hào)的數(shù)字輸入/輸出模塊結(jié)合起來(lái)。

以冰箱中使用的微控制器為例。這些嵌入式控制器必須處理控制面板用戶界面、控制冷卻壓縮機(jī)以及制冰機(jī)、解凍加熱器和風(fēng)扇等功能的一般操作。設(shè)計(jì)中甚至可能包括Wi-Fi接口。典型的冰箱嵌入式控制系統(tǒng)示例如圖1所示。

圖1：控制子處理器。一個(gè)用于控制冰箱的嵌入式系統(tǒng)示例。該系統(tǒng)包括一個(gè)用戶界面、主控制器以及壓縮機(jī)

從測(cè)試角度來(lái)看，該系統(tǒng)使用并行和串行數(shù)據(jù)鏈路、模擬傳感器、電機(jī)控制和直流電源。

圖2：M2p系列卡非常適合嵌入式系統(tǒng)測(cè)量

測(cè)試該系統(tǒng)需要多臺(tái)模塊化儀器。模擬信號(hào)分析需要數(shù)字化儀。采集、模擬和分析數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要數(shù)字I/O模塊。模擬傳感器信號(hào)和物理層串行通信波形可使用任意波形發(fā)生器（AWG）完成。

冰箱嵌入式控制器信號(hào)的信號(hào)帶寬適中。圖2所示的型號(hào)為TS-M2p.5968-x4（八通道數(shù)字化儀）、TS-M2p.6568-x4（八通道任意波形發(fā)生器）和TS-M2p.7515-x4的數(shù)字波形/模式發(fā)生器（帶32個(gè)輸入/輸出通道）非常適合所需的測(cè)試。

這三個(gè)模塊化儀器可通過(guò)Star-Hub模塊連接在一起，實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定同步。這些都是PCI Expressx4卡，數(shù)據(jù)流速度高達(dá)每秒700Mbytes。它們由德思特SBench6軟件或各種第三方軟件包和編程語(yǔ)言提供支持。

2、電源完整性測(cè)量

測(cè)試通常從電源開始。一般來(lái)說(shuō)，要測(cè)量每個(gè)電源軌的標(biāo)稱值及其相關(guān)的負(fù)載電流。此外，微控制器一般都有規(guī)定的開機(jī)順序。在監(jiān)控電源總線的同時(shí)啟動(dòng)設(shè)備，可以了解電源電壓總線達(dá)到指定電壓的順序。類似的測(cè)試還包括監(jiān)控關(guān)機(jī)電源順序。圖3顯示了使用TS-M2p.5968-x4型數(shù)字化儀和SBench6軟件控制和顯示數(shù)字化儀信號(hào)的此類測(cè)試示例。電壓超過(guò)10V時(shí)可能需要探頭或衰減器。

圖3：具有+3.3、+5、+12和-12V電源軌的電源的上電和斷電序列的電源時(shí)序測(cè)試。

還可通過(guò)評(píng)估每個(gè)電源軌上的紋波來(lái)測(cè)量電源質(zhì)量。圖4是+12V電源軌紋波測(cè)量的示例。紋波的峰峰值幅度為27.5mV，記錄在顯示網(wǎng)格左側(cè)信息面板的峰峰值讀數(shù)中。軌道的平均電壓也記錄為11.95V。使用±10V量程，偏移量為10V；數(shù)字化儀的16位高分辨率仍可測(cè)量幾十mV的紋波。

圖4：+12V電源軌上的紋波分析，以及顯示紋波信號(hào)頻率成分的FFT

紋波信號(hào)的快速傅立葉變換(FFT)顯示了其頻率組成。圖中右側(cè)的兩個(gè)網(wǎng)格顯示，紋波信號(hào)的頻率主要低于10kHz。上部網(wǎng)格是跨度為20MHz的FFT，而下部網(wǎng)格是水平展開的，可以看到100kHz以下的頻譜細(xì)節(jié)，包括40kHz的電源開關(guān)頻率。FFT是一種分析工具，是用于模塊化儀器控制、分析和測(cè)量的SBench軟件的一部分。FFT的寬動(dòng)態(tài)范圍顯示了TS-M2p.5968-x4數(shù)字化儀的16位幅度分辨率。FFT中的信號(hào)峰值均在低于滿量程信號(hào)-120dB的范圍內(nèi)。

3、數(shù)字信號(hào)測(cè)量

嵌入式系統(tǒng)既使用單獨(dú)的數(shù)字控制線，也使用包含多個(gè)數(shù)字信號(hào)的總線結(jié)構(gòu)。在示例嵌入式系統(tǒng)中，連接LCD顯示屏和存儲(chǔ)器的是并行總線。數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)數(shù)字I/O卡（如TS-M2p.7515-x4，具有32個(gè)I/O通道）采集。圖5顯示了八位總線的數(shù)字采集。

圖5：從并行總線采集8個(gè)數(shù)字信號(hào)，執(zhí)行二進(jìn)制計(jì)數(shù)。每個(gè)bit都顯示為logicstate與時(shí)間的關(guān)系。

TS-M2p.7515-x4提供32位數(shù)字輸入或輸出，時(shí)鐘速率最高可達(dá)125Mb/s。其數(shù)字閾值兼容3.3V和5.0VTTL數(shù)字輸入。每個(gè)輸入端的輸入阻抗可由用戶選擇為110Ohm或50kOhm，輸入端可訪問(wèn)1GB的板載內(nèi)存。如果數(shù)字信號(hào)超過(guò)32個(gè)，可連接多個(gè)I/O卡?？墒褂肧Bench6實(shí)用程序顯示數(shù)字信號(hào)。多個(gè)數(shù)字信號(hào)可在SBench6中以線形視圖或梯形圖的形式單獨(dú)顯示，也可在總線視圖中捆綁顯示，如圖6所示。

左側(cè)網(wǎng)格顯示的是總線視圖展開后的總線值與時(shí)間的關(guān)系?？偩€值可以以十六進(jìn)制（如圖所示）、八進(jìn)制、二進(jìn)制或有符號(hào)或無(wú)符號(hào)十進(jìn)制值顯示。

圖6：在總線視圖（左側(cè)）或位視圖（右側(cè)）中顯示的相同數(shù)字總線?？偩€讀數(shù)可以格式化為二進(jìn)制、十六進(jìn)制（顯示）、八進(jìn)制或有符號(hào)或無(wú)符號(hào)十進(jìn)制數(shù)。

如圖7所示，可以獲取串行數(shù)據(jù)總線產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)（如嵌入式系統(tǒng)功能圖示例所示），并以模擬或數(shù)字格式顯示。

數(shù)字波形顯示邏輯狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系。邏輯狀態(tài)由比較器確定，比較器確定輸入波形是高于（數(shù)字1）還是低于（數(shù)字0）邏輯電壓閾值。過(guò)渡非常敏銳，持續(xù)時(shí)間只有一個(gè)采樣時(shí)鐘周期。圖7右下方網(wǎng)格中的示例顯示了垂直過(guò)渡且無(wú)噪聲。相比之下，右上角網(wǎng)格中的模擬信號(hào)顯示了模擬域的所有瞬時(shí)擾動(dòng)情況，包括噪聲、過(guò)沖以及有限的過(guò)渡時(shí)間。

圖7：數(shù)字（左網(wǎng)格）和模擬信號(hào)（中心網(wǎng)格）可以在任一域中獲取和顯示。比較數(shù)字波形（右下角）顯示邏輯狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系，模擬信號(hào)顯示電壓與時(shí)間的關(guān)系。

數(shù)字波形只能作為單線或總線顯示，用于確定邏輯數(shù)據(jù)內(nèi)容和時(shí)序。模擬波形可測(cè)量瞬時(shí)振幅值和定時(shí)。過(guò)渡時(shí)間、過(guò)沖、欠沖和噪聲電平等信號(hào)特性應(yīng)根據(jù)模擬信號(hào)的測(cè)量結(jié)果來(lái)確定。

4、測(cè)試串行數(shù)據(jù)接口的響應(yīng)

微控制器有三個(gè)子組件，它們通過(guò)串行數(shù)據(jù)接口交換信息?？梢允褂肁WG測(cè)試這些接口中接收器的性能。AWG可產(chǎn)生模擬波形，提供所需的數(shù)據(jù)模式，但也可改變信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、幅度和時(shí)序，以及添加干擾（如噪聲）。

本示例中使用的AWG具有功能齊全的序列模式，能夠近乎實(shí)時(shí)地在不同波形之間進(jìn)行切換，甚至無(wú)需重新加載不同的波形。AWG的波形存儲(chǔ)器是分段式的，測(cè)試所需的每個(gè)波形都可以存儲(chǔ)在各自的段中。AWG根據(jù)存儲(chǔ)在單獨(dú)序列存儲(chǔ)器中的指令逐步處理波形。序列存儲(chǔ)器的內(nèi)容可以更新或更改，而不影響AWG的輸出狀態(tài)。這種序列模式操作允許根據(jù)測(cè)試結(jié)果自適應(yīng)地更改測(cè)試序列。這樣就可以根據(jù)其他測(cè)量結(jié)果對(duì)波形進(jìn)行自適應(yīng)修改。這種功能大大縮短了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試的徹底性。

例如，串行數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)內(nèi)容可以更改，如圖8所示。

圖8：AWG序列模式操作示例。這些串行數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)內(nèi)容各不相同，均存儲(chǔ)在AWG的波形存儲(chǔ)器中。寫入序列存儲(chǔ)器的更改可根據(jù)外部命令改變數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖中的每個(gè)串行數(shù)據(jù)流都有不同的內(nèi)容。它們存儲(chǔ)在AWG的波形存儲(chǔ)器中，并按照單獨(dú)的序列存儲(chǔ)器指定的順序輸出。序列存儲(chǔ)器的內(nèi)容可以在不停止正在進(jìn)行的輸出的情況下進(jìn)行更改，從而跳轉(zhuǎn)到不同的數(shù)據(jù)段。這樣就可以自適應(yīng)地改變AWG輸出。因此，舉例來(lái)說(shuō)，AWG可用來(lái)取代控制面板，模擬前面板的開關(guān)操作。例如，可以模擬冰箱溫度設(shè)置的變化并監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的反應(yīng)。

5、機(jī)電子系統(tǒng)

冰箱有一些機(jī)電子系統(tǒng)，如制冰機(jī)、無(wú)霜通風(fēng)設(shè)備和主制冷壓縮機(jī)。無(wú)霜通風(fēng)扇使用一個(gè)由單一數(shù)字線驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單開關(guān)控制裝置。無(wú)霜功能和制冰機(jī)還使用加熱器，這些加熱器由交流電源供電，并通過(guò)一條數(shù)字線路進(jìn)行控制，通過(guò)一個(gè)隔離光耦合器進(jìn)行開/關(guān)控制。制冷壓縮機(jī)由一塊單獨(dú)的控制板控制。壓縮機(jī)是一種變速裝置，使用三相脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)控制壓縮機(jī)的電機(jī)速度和扭矩。脈寬調(diào)制信號(hào)使用固定的時(shí)鐘頻率，并根據(jù)調(diào)制輸入改變脈沖寬度。圖9顯示了三個(gè)PWM信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都有兩個(gè)水平展開視圖。

圖9：頂部三個(gè)網(wǎng)格中的三相PWM信號(hào)。下面的網(wǎng)格包含相同信號(hào)的水平展開視圖。底部網(wǎng)格顯示PWM時(shí)鐘頻率。

底部網(wǎng)格中的視圖顯示PWM時(shí)鐘周期為50μs（20kHz）。PWM周期約為27ms或37Hz。用低于PWM時(shí)鐘頻率的截止頻率對(duì)上述任何波形進(jìn)行低通濾波，都會(huì)產(chǎn)生正弦波形。這種周期性決定了壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在本例中約為1100RPM。與所有三相電源系統(tǒng)一樣，單相波形的相位差為120度。

PWM控制器取代了老式的單相開關(guān)壓縮機(jī)，以提高冰箱效率、降低功耗和噪音。

壓縮機(jī)的電源是整流線電壓，因此測(cè)量控制器的這一部分需要使用衰減器或探頭。數(shù)字化儀的1MΩ輸入終端與許多探頭或衰減器完全兼容。對(duì)于這種測(cè)量，探頭衰減需要100:1。

壓縮機(jī)控制是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度傳感器是主要參考，但電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸位置是通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)感應(yīng)的，電機(jī)相電流是通過(guò)電流分流器感應(yīng)的。這些次級(jí)傳感器集成在變頻器驅(qū)動(dòng)控制器中。

在電路開發(fā)過(guò)程中，可以使用TS-M2p.6568-x4八通道AWG等任意波形發(fā)生器來(lái)替代溫度傳感器、轉(zhuǎn)速計(jì)和電流檢測(cè)信號(hào)，以便對(duì)回路動(dòng)態(tài)進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。這些替代信號(hào)可以單獨(dú)或同時(shí)進(jìn)行。

制冰機(jī)也是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，但它的運(yùn)行周期很長(zhǎng)。在循環(huán)開始時(shí)，“加水”控制被執(zhí)行，向冰盤加水。注水操作由計(jì)時(shí)器監(jiān)控，約7秒鐘后停止。水被允許凍結(jié)，這一過(guò)程由溫度傳感器監(jiān)控。當(dāng)冰盤溫度下降到約-13°C時(shí)，冰盤旋轉(zhuǎn)，冰塊落入冰桶。整個(gè)過(guò)程重新開始。當(dāng)冰倉(cāng)滿時(shí)，感應(yīng)臂會(huì)感應(yīng)到，并停止處理過(guò)程，直到有空位為止?；咎幚碇芷谛枰坏絻蓚€(gè)小時(shí)。

對(duì)緩慢的處理過(guò)程進(jìn)行故障排除需要大量的數(shù)字化儀內(nèi)存。TS-M2p.5968-x4的總內(nèi)存為512MS樣本。即使以10kS/s的速度采樣，它也能使用72MS樣本捕捉到2小時(shí)的周期時(shí)間。這樣，整個(gè)兩小時(shí)周期的時(shí)間分辨率為100μs。

6、結(jié)論

該示例提供了多種不同的信號(hào)類型，表明數(shù)字化儀、AWG和數(shù)字輸入/輸出卡等多個(gè)模塊化儀器可用于測(cè)試微控制器等設(shè)備，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、邏輯狀態(tài)分析和信號(hào)模擬。這些完全同步的模塊組成了一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的測(cè)試系統(tǒng)，用于微控制器開發(fā)和故障診斷。它們還包括各種可用于加快自動(dòng)測(cè)試程序的功能。

?審核編輯 黃宇