摘要：介紹了一種采用單片機(jī)、PSD、CPLD和電壓調(diào)理電路等主要組件設(shè)計(jì)的一類針對(duì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)的信息采集與控制裝置。實(shí)際測(cè)試表明，這種設(shè)計(jì)方法不僅是高效可行的，也是保證測(cè)試裝置小型化、集成化、智能化和提高測(cè)試系統(tǒng)可靠性的途徑之一。 關(guān)鍵詞：智能測(cè)試 安全關(guān)鍵系統(tǒng) 單片機(jī) 集成測(cè)試 安全關(guān)鍵系統(tǒng)（Safety Critical Systems,SCS）是指系統(tǒng)功能一旦失效將引起生命財(cái)產(chǎn)的重大損失、環(huán)境可能遭到嚴(yán)重破壞的系統(tǒng)，在航天、能源、國(guó)防等許多領(lǐng)域中廣泛存在。許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)具有多輸入-多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時(shí)變性和非線性特性等。高速發(fā)展的電子技術(shù)使得SCS電子系統(tǒng)的集成度、復(fù)雜度越來越高，受控對(duì)象也日益復(fù)雜，這對(duì)系統(tǒng)的安全性、運(yùn)行的正常性評(píng)估與決策提出了更高的要求，某些關(guān)鍵部件甚至需要使用期零故障。SCS的測(cè)試數(shù)據(jù)是對(duì)其進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、智能評(píng)估、故障診斷和決策的基礎(chǔ)。此外，許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)還具有嚴(yán)格的體積重量限制，要求運(yùn)行其上的嵌入式測(cè)試系統(tǒng)體積小、重量輕，功能完善，同時(shí)必須具有較高的可靠性和智能化，以保證測(cè)試的正確性，提高測(cè)試的可信度。因此小型與可靠是對(duì)SCS檢測(cè)最基本的要求，而測(cè)試數(shù)據(jù)安全可靠地高速傳輸也是重點(diǎn)要求之一。 本文介紹的這種小型高集成智能測(cè)試裝置，應(yīng)用于一類安全關(guān)鍵系統(tǒng)電子學(xué)設(shè)備綜合測(cè)試系統(tǒng)中。其作用是對(duì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)的重要狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和測(cè)量，完成大量的數(shù)據(jù)采集和處理以及控制信號(hào)的接收和發(fā)送等諸多功能。由于對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算速度、接口資源、穩(wěn)定性以及成本等有著非常高的要求，因此其測(cè)試數(shù)據(jù)、分析曲線、顯示圖表和指示結(jié)果是分析、判定安全關(guān)鍵系統(tǒng)性能和工作狀態(tài)的重要依據(jù)，同時(shí)為相關(guān)的決策、指揮、控制提供依據(jù)和手段。 1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理 1．1 系統(tǒng)構(gòu)成 小型高集成智能測(cè)試裝置采用80C196單片機(jī)+PSD+CPLD的結(jié)構(gòu)，再加上模擬信號(hào)的匹配電路，可完成模擬量及數(shù)字量的采集，使系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；PSD及CPLD均為在系統(tǒng)可編程器件，使大量的硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為軟件設(shè)計(jì)，I/O接口擴(kuò)展方便 。上位機(jī)主要通過標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和參數(shù)裝訂及控制。SCS電子學(xué)綜合測(cè)試主要包括SCS關(guān)鍵組件測(cè)試、地面外圍測(cè)控及其數(shù)據(jù)傳輸及處理。其功能框圖如圖1所示。 1．2 小型智能測(cè)控裝置的構(gòu)成 小型智能測(cè)控裝置主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、靜態(tài)檢測(cè)模塊、遠(yuǎn)程參數(shù)裝訂模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊。由于SCS對(duì)電子控制部件有嚴(yán)格的體積和重量要求，測(cè)控裝置應(yīng)按照系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)，使得體積、重量盡量小且功能完善，以便確何系統(tǒng)的可行性。 在測(cè)試裝置設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了許多優(yōu)化和改進(jìn)。其基本體系采用微控制器加外圍接口模塊的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件時(shí)，采用高集成度的器件，包括80C196單片機(jī)、可編程外圍器件PSD以及復(fù)雜可編程邏輯陣列CPLD等，提高了系統(tǒng)集成度，并且還提高了系統(tǒng)硬件的可靠性及靈活性。 外圍接口模塊采用復(fù)雜可編程門陣列CPLDMAX7256，硬件設(shè)計(jì)進(jìn)一步軟件化。一片CPLD器件替代了多片74系列器件，如138譯碼器、多路開關(guān)、244驅(qū)動(dòng)器、與門、或門等，大大減小了板卡體積。由于CPLD為可編程，使設(shè)計(jì)更為靈活。MAX7256有5000個(gè)門，256個(gè)宏單元，16個(gè)邏輯陣列塊，164個(gè)I/O口，支持多電壓I/O接口，滿足系統(tǒng)要求，并有一定冗余。在設(shè)計(jì)階段對(duì)CPLD的設(shè)計(jì)通過EDA工具進(jìn)行仿真，包括功能、時(shí)序、EMC/EMI的模擬仿真，在完成PCB板之前，就做好了充分的測(cè)試驗(yàn)證。 另外，選用了集成度更高的單片機(jī)外圍接口器件PSD4235。PSD4235芯片是WSI公司新推出的PSD4000系列產(chǎn)品，可以為16位和32位的微控制器以及DSP提供在系統(tǒng)可編程的并發(fā)閃速存儲(chǔ)器、SRAM、可編程邏輯和額外的I/O。其片內(nèi)集成了4M位的閃存存儲(chǔ)器，256Kbit的用于引導(dǎo)數(shù)據(jù)的次閃速存儲(chǔ)器，256Kbit的SRAM，16個(gè)輸出微單元、24個(gè)輸入微單元的CPLD，譯碼PLD，52個(gè)可單獨(dú)配置的I/O端口，JTAG串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元。PSD芯片對(duì)地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件PSDSoft Express實(shí)現(xiàn)。PSD4000系列器件是在應(yīng)用中可編程（In Application re-Programming，IAP）的，也就是說，它們可以在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，在現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程地進(jìn)行再編程。這種功能對(duì)于需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行代碼/數(shù)據(jù)更新的系統(tǒng)特別有用，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、汽車控制系統(tǒng)以及醫(yī)療儀器等。測(cè)控裝置電路原理圖如圖2所示。 1．3 信號(hào)采集 在實(shí)時(shí)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)的采集要求可靠、準(zhǔn)確、快速地完成。被測(cè)量的回路一般有幾十或上百個(gè)，而且采集信號(hào)種類多，包括模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，因此測(cè)試工作應(yīng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集的抗干擾能力也應(yīng)用很高的要求。正是由于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求日益復(fù)雜，智能化的小型安全關(guān)鍵系統(tǒng)采集模塊才能為測(cè)控系統(tǒng)的核心。 數(shù)據(jù)測(cè)試主要包括SCS各個(gè)關(guān)鍵組件的電壓、程序動(dòng)作（延時(shí)時(shí)間或天關(guān)量）、振蕩波形及脈沖串的測(cè)試。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于可靠性和實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)采集的可靠性是至關(guān)重要的，只有具備了較高的可靠性，才能保證數(shù)據(jù)采集的正確性，因此設(shè)計(jì)中充分考慮測(cè)試過程的抗干擾能力。提高了測(cè)試的可信度。數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。 模擬量的測(cè)量采用80C196單片機(jī)模擬量測(cè)量接口。80C196的A/D口共8個(gè)，需要利用多路開關(guān)輪流切換各被測(cè)回路的A/D轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到分時(shí)處理的目的。由于信號(hào)的強(qiáng)弱、幅值以及阻抗匹配電路不同，因此設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了如下處理： （1）對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分類，不需要放大器的屬于一類，在這類當(dāng)中又進(jìn)行細(xì)分——電壓值范圍分類。因?yàn)?0C196單片機(jī)要求采集電平在5V以內(nèi)，如果對(duì)每一路電壓進(jìn)行分壓及阻容濾波設(shè)計(jì)，勢(shì)必使用大量的電阻及電容器件，不利于小型化，因此按電壓幅值進(jìn)行分類。阻抗匹配也十分重要，同一類的阻容濾波網(wǎng)絡(luò)放到多路開關(guān)的輸出端，節(jié)省了大量電阻、電容器件。根據(jù)需要選擇4路、8路或16路的多路開關(guān)，如CD4051、CD5052、MAX396或MAX397等。 （2）對(duì)于小信號(hào)，每個(gè)通道應(yīng)在多路開關(guān)前設(shè)置放大器。在多路開關(guān)后設(shè)置可編程放大器，利用單片機(jī)編程控制放大器的增益，以滿足各通道信號(hào)的不同增益要求。 （3）對(duì)于開關(guān)量及數(shù)字量，調(diào)到滿足CPLD輸入要求的電平即可，在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)多路開關(guān)，進(jìn)行測(cè)量路數(shù)轉(zhuǎn)換，一次8路分時(shí)輸入到80C196單片機(jī)端口。 （4）對(duì)于頻率信號(hào)，調(diào)到滿足單片機(jī)輸入要求的TTL電平即可直接輸入單片機(jī)端口進(jìn)行測(cè)量。 （5）對(duì)于信號(hào)強(qiáng)且干擾大的信號(hào)，需要進(jìn)行光電隔離，以免影響單片機(jī)測(cè)試電路。 1．4 CPLD電路設(shè)計(jì) PSD器件已有少量CPLD宏單元，在測(cè)試系統(tǒng)不復(fù)雜、I/O端口夠用的情況下，PSD+CPU的兩片式系統(tǒng)能夠很好完成任務(wù)，當(dāng)然就不必再外加CPLD器件。當(dāng)測(cè)試及控制的外部通道多，需大量的數(shù)字I/O端口、片選、數(shù)字多路開關(guān)、三態(tài)門及譯碼電路時(shí)，僅添加一片CPLD器件就可解決問題，提高了系統(tǒng)集成度。 FPGA和CPLD都是可編程ASIC元件，由于FPGA和CPLD結(jié)構(gòu)上的差異，彼此之間存在各自的特點(diǎn)： （1）CPLD適合實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算和組合邏輯，F(xiàn)PGA則適用于實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯。 （2）CPLD的時(shí)間特性比FPGA穩(wěn)定。CPLD的布線結(jié)構(gòu)決定了它的時(shí)序延遲是穩(wěn)定和可以預(yù)測(cè)的，而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)使得對(duì)其時(shí)間延遲的預(yù)測(cè)困難，因而CPLD的速度比FPGA快。 （3）在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。CPLD通過修改具有固定內(nèi)部聯(lián)線的邏輯功能來編程，而FPGA主要是通過改變內(nèi)部線路布線來編程。 （4）FPGA的集成度比CPLD高，適合于較復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)，所以FPGA元件的可編程邏輯數(shù)比CPLD大得多。 （5）CPLD使用比FPGA方便。CPLD的編程采用E2PROM或Flash技術(shù)，而且可以加密，使用時(shí)外部不需要另外的存儲(chǔ)元件；而FPGA的編程采用SRAM技術(shù)，使用外部存儲(chǔ)元件來存存程序，使用方法較復(fù)雜。另外，電路信息存放在外部芯片中，使得FPGA的保密性較CPLD差，電路資料容易被他人讀取，電路容易被剽竊，不適合保密程度要求較高的系統(tǒng)。 （6）在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或Flash存儲(chǔ)編程，可編程次數(shù)大于1萬次，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)斷電時(shí)編程信息不會(huì)消失。FPGA大部分是基于SRAM編程，編程信息會(huì)在系統(tǒng)斷電時(shí)消失，所以每次上電時(shí)系統(tǒng)要重新將編程信息從外部記憶裝置讀入FPGA的SRAM中。其優(yōu)點(diǎn)是可編程次數(shù)不限，并且在開發(fā)過程中可以很方便地隨時(shí)更改程序，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)上電時(shí)程序容易受到干擾。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以上各因素，來確定選擇CPLD還是FPGA。根據(jù)測(cè)試功能需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CPLD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。 在CPLD的設(shè)計(jì)中，采用VHDL語言作為主要的設(shè)計(jì)手段，是當(dāng)前ASIC設(shè)計(jì)的主流方式之一。VHDL語言實(shí)現(xiàn)相關(guān)的設(shè)計(jì)過程具有高效、方便、易于移植的特點(diǎn)，而單純的硬件電路設(shè)計(jì)缺乏靈活性，修改不方便，動(dòng)輒印制版報(bào)廢。這種硬件設(shè)計(jì)軟件化，使得被測(cè)對(duì)象接入點(diǎn)發(fā)生改變或增減時(shí)，僅需相應(yīng)電路的部分軟件作適應(yīng)性修改，底層硬件電路及上層應(yīng)用軟件都不需要作大的改動(dòng)甚至可以不改，大大節(jié)約了系統(tǒng)維護(hù)成本。在CPLD的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，一邊設(shè)計(jì)，一邊在計(jì)算機(jī)上完成軟件仿真工作，使得仿真測(cè)試與功能行為的檢驗(yàn)貫穿設(shè)計(jì)始終，保證了各項(xiàng)功能的正確性及可靠性，確保了最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要讓CPLD完成更多的功能，如將80C196單片見票后部分功能和CPLD完成，其中主要是測(cè)試部分，包括串行接口、數(shù)據(jù)編碼/校驗(yàn)、幀構(gòu)造、定時(shí)發(fā)送、與外圍測(cè)試計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通過長(zhǎng)期的積累，擁有大量的可復(fù)用IP模塊，使系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)更為快捷。 2、智能化與可靠性設(shè)計(jì) 系統(tǒng)信息的智能化測(cè)控主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是要具備學(xué)習(xí)記錄功能，能夠根據(jù)信息通道的初始化或?qū)崪y(cè)值自動(dòng)調(diào)整其控制參數(shù)；二是可以根據(jù)接收的命令，對(duì)其通道號(hào)、通道數(shù)、采集時(shí)間、傳輸字節(jié)以及控制方式等進(jìn)行調(diào)整。 本文介紹的小型智能化測(cè)試裝置不僅可以根據(jù)需求快速進(jìn)行測(cè)試內(nèi)容的調(diào)整，還具有靜檢、裝訂參數(shù)、提供數(shù)據(jù)的功能。其測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可通過RS-485串行通信總線或無線手段發(fā)送到外圍測(cè)試接收設(shè)備中。由于數(shù)據(jù)傳輸、測(cè)試數(shù)據(jù)封裝、因而通道選擇等均由軟件來實(shí)現(xiàn)，因而智能化程度高，使用方便。 在測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳送過程中，針對(duì)不同的任務(wù)，使用的信息格式各不相同，要采用不同的數(shù)據(jù)處理程序。應(yīng)根據(jù)外圍測(cè)控系統(tǒng)與SCS智能測(cè)試裝置的通信內(nèi)容，構(gòu)造通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理協(xié)議，依據(jù)不同的信息類型（控制命令）處理不同的數(shù)據(jù)，信息幀的打包傳送則由傳輸模塊進(jìn)行處理。 通常在試驗(yàn)場(chǎng)所有很強(qiáng)的電磁干擾，這些干擾以傳導(dǎo)和輻射的形式從動(dòng)力線和信號(hào)線進(jìn)入系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，采用軟、硬件相結(jié)合的抗干擾技術(shù)，輸入通道中采用RC濾波、高低電平嵌位、隔離技術(shù)，很好地抑制了各種高頻干擾，并實(shí)現(xiàn)瞬間過壓保護(hù)；部分輸入輸出信號(hào)采用光耦合器，隔斷外部信號(hào)與控制系統(tǒng)的聯(lián)系；軟件上采用中值和算術(shù)平均值相結(jié)合的方法，剔除信號(hào)的瞬間干擾，同時(shí)軟件設(shè)計(jì)采用多種優(yōu)化手段提高系統(tǒng)的健壯性。為了防止電路因公共阻抗而引起信號(hào)交叉耦合，系統(tǒng)采用并聯(lián)單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)模擬地和數(shù)據(jù)地分開，只在一點(diǎn)處匯合。 3、測(cè)試裝置的軟件設(shè)計(jì) 測(cè)控軟件采用PL/M196語言編制，用WAVE6000調(diào)試編譯完成。軟件流程圖如圖5所示。 測(cè)控軟件主要包含兩個(gè)分支：信號(hào)測(cè)試分支和參數(shù)裝訂分支。其工作分支的判斷依據(jù)是地面提供的一路測(cè)試與否的電壓信號(hào)。裝訂參數(shù)電壓大于給定值，系統(tǒng)進(jìn)入?yún)⒀b訂分支，單片機(jī)等待接收裝訂數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)正確性判定，并將各數(shù)據(jù)通過I2C接口分類存放到共享的幾片F(xiàn)lash ROM中。如無裝訂電壓，則進(jìn)入測(cè)試分支，單片機(jī)開始測(cè)試各路信號(hào)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)打包成幀，同時(shí)計(jì)算全部數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)，發(fā)送到接收設(shè)備，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定系統(tǒng)工作流程。由于數(shù)據(jù)量較大，需要測(cè)試的信號(hào)路數(shù)、種類較多，需要打包發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)70多字節(jié)，每10ms以115.2k的波特率發(fā)送，除去測(cè)量、控制及組幀時(shí)間，數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間就要仔細(xì)計(jì)算了。采用查詢及標(biāo)準(zhǔn)的中斷試，10ms時(shí)間就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，通過示波器測(cè)量，一幀數(shù)據(jù)測(cè)試加傳輸需70ms。本系統(tǒng)采用PTS（外設(shè)事件服務(wù)器）中斷方式，由微代碼硬件中斷處理器控制，占用很少的CPU時(shí)間 ，類似于PC機(jī)的DMA，不用修改堆棧和保存狀態(tài)字。本系統(tǒng)采用PTS塊傳遞方式，只需給定PTS控制字、數(shù)據(jù)塊的起始地址及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，定義中斷屏蔽寄存器，最后開放PTS中斷和標(biāo)準(zhǔn)中斷，這樣一幀數(shù)據(jù)測(cè)試加傳輸需6.5ms。 經(jīng)過測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，采用單片機(jī)、PSD、CPLD和電壓調(diào)理電路等主要組件設(shè)計(jì)完成SCS相關(guān)信息的采集與控制不僅是高效可行的，也是使得SCS測(cè)試裝置小型化、智能化、提高測(cè)試系統(tǒng)可靠性卓有成效的途徑之一。單片機(jī)與可編程邏輯器件有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。單片機(jī)具有性能價(jià)格比高、功能靈活、易于人機(jī)對(duì)話、良好的數(shù)據(jù)處理能力特點(diǎn)，CPLD和PSD等可編程器件則具有高速、高可靠性以及開發(fā)便捷、規(guī)范、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。這種單牒同加外部可編程器件的電路結(jié)構(gòu)在許多高性能儀器儀表和電子產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用前景。