??? 摘 要： 介紹了一種采用單片機、PSD、CPLD和電壓調理電路等主要組件設計的一類針對安全關鍵系統的信息采集與控制裝置。實際測試表明，這種設計方法不僅是高效可行的，也是保證測試裝置" title="測試裝置">測試裝置小型化、集成化、智能化和提高測試系統可靠性的途徑之一。
??? 關鍵詞： 智能測試? 安全關鍵系統? 單片機? 集成測試
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??? 安全關鍵系統(Safety Critical Systems，SCS)是指系統功能一旦失效將引起生命財產的重大損失、環境可能遭到嚴重破壞的系統，在航天、能源、國防等許多領域中廣泛存在。許多安全關鍵系統具有多輸入-多輸出的強耦合性、參數時變性和非線性特性等。高速發展的電子技術使得SCS電子系統的集成度、復雜度越來越高，受控對象也日益復雜，這對系統的安全性、運行的正常性評估與決策提出了更高的要求，某些關鍵部件甚至需要使用期零故障。SCS的測試數據是對其進行全面、準確、智能評估、故障診斷和決策的基礎。此外，許多安全關鍵系統還具有嚴格的體積重量限制，要求運行其上的嵌入式測試系統體積小、重量輕，功能完善，同時必須具有較高的可靠性和智能化，以保證測試的正確性，提高測試的可信度。因此小型與可靠是對SCS檢測最基本的要求，而測試數據安全可靠地高速傳輸也是重點要求之一。
??? 本文介紹的這種小型高集成智能測試裝置，應用于一類安全關鍵系統電子學設備綜合測試系統中。其作用是對安全關鍵系統的重要狀態和參數進行實時控制和測量，完成大量的數據采集和處理以及控制信號的接收和發送等諸多功能。由于對系統的運算速度、接口資源、穩定性以及成本等有著非常高的要求，因此其測試數據、分析曲線、顯示圖表和指示結果是分析、判定安全關鍵系統性能和工作狀態的重要依據，同時為相關的決策、指揮、控制提供依據和手段。
1 系統設計與工作原理
1.1 系統構成
??? 小型高集成智能測試裝置采用80C196單片機＋PSD＋CPLD的結構[1]，再加上模擬信號的匹配電路，可完成模擬量及數字量的采集，使系統的電路設計簡單；PSD及CPLD均為在系統可編程" title="可編程">可編程器件，使大量的硬件設計轉換為軟件設計，I/O" title="I/O">I/O接口擴展方便。上位機主要通過標準接口對測試系統的測試數據進行傳輸和參數裝訂及控制。SCS電子學綜合測試主要包括SCS關鍵組件測試、地面外圍測控及其數據傳輸及處理。其功能框圖如圖1所示。
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1.2? 小型智能測控裝置" title="測控裝置">測控裝置的構成
??? 小型智能測控裝置主要包括數據采集模塊、靜態檢測模塊、遠程參數裝訂模塊及數據傳輸模塊。由于SCS對電子控制部件有嚴格的體積和重量要求，測控裝置應按照系統的要求設計，使得體積、重量盡量小且功能完善，以便確保系統的可行性。
??? 在測試裝置設計過程中進行了許多優化和改進。其基本體系采用微控制器加外圍接口模塊的結構。在設計數據采集系統的硬件時，采用高集成度的器件，包括80C196單片機、可編程外圍器件PSD以及復雜可編程邏輯陣列CPLD等，提高了系統集成度，并且還提高了系統硬件的可靠性及靈活性。
??? 外圍接口模塊采用復雜可編程門陣列CPLD-MAX7256[4]，硬件設計進一步軟件化。一片CPLD器件替代了多片74系列器件，如138譯碼器、多路" title="多路">多路開關、244驅動器、與門、或門等，大大減小了板卡體積。由于CPLD為可編程，使設計更為靈活。MAX7256有5000個門，256個宏單元，16個邏輯陣列塊，164個I/O口，支持多電壓I/O接口，滿足系統要求，并有一定冗余。在設計階段對CPLD的設計通過EDA工具進行仿真，包括功能、時序、EMC/EMI的模擬仿真，在完成PCB板之前，就做好了充分的測試驗證。
??? 另外，選用了集成度更高的單片機外圍接口器件PSD4235[2～5]。PSD4235芯片是WSI公司新推出的PSD4000系列產品，可以為16位和32位的微控制器以及DSP提供在系統可編程的并發閃速存儲器、SRAM、可編程邏輯和額外的I/O。其片內集成了４Ｍ位的閃速存儲器，256Kbit的用于引導數據的次閃速存儲器，256Kbit的SRAM，１６個輸出微單元、２４個輸入微單元的CPLD，譯碼PLD，52個可單獨配置的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芯片對外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件PSDSoft Express實現。PSD4000系列器件是在應用中可編程（In Application re-Programming，IAP）的，也就是說，它們可以在不影響系統運行的情況下，在現場遠程地進行再編程。這種功能對于需要在現場進行代碼/數據更新的系統特別有用，如全球定位系統（GPS）、汽車控制系統以及醫療儀器等。測控裝置電路原理圖如圖2所示。
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1.3? 信號采集
??? 在實時測量和控制系統中，對信號的采集要求可靠、準確、快速地完成。被測量的回路一般有幾十或上百個，而且采集信號種類多，包括模擬量信號和數字量信號，因此測試工作應具有很強的實時性，同時對數據采集的抗干擾能力也應用很高的要求。正是由于對數據采集系統的要求日益復雜，智能化的小型安全關鍵系統采集模塊才成為測控系統的核心。
??? 數據測試主要包括SCS各個關鍵組件的電壓、程序動作（延時時間或開關量）、振蕩波形及脈沖串的測試。設計的重點在于可靠性和實時性。數據采集的可靠性是至關重要的，只有具備了較高的可靠性，才能保證數據采集的正確性，因此設計中充分考慮測試過程的抗干擾能力，提高了測試的可信度。數據采集模塊結構如圖3所示。
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??? 模擬量的測量采用80C196單片機模擬量測量接口。80C196的A/D口共8個，需要利用多路開關輪流切換各被測回路的A/D轉換電路，以達到分時處理的目的。由于信號的強弱、幅值以及阻抗匹配電路不同，因此設計時進行了如下處理：
??? （1）對電壓信號進行分類，不需要放大器的屬于一類，在這類當中又進行細分——電壓值范圍分類。因為80C196單片機要求采集電平在5V以內，如果對每一路電壓進行分壓及阻容濾波設計，勢必使用大量的電阻及電容器件，不利于小型化，因此按電壓幅值進行分類。阻抗匹配也十分重要，同一類的阻容濾波網絡放到多路開關的輸出端，節省了大量電阻、電容器件。根據需要選擇4路、8路或16路的多路開關，如CD4051、CD5052、MAX396或MAX397等。
??? （2）對于小信號，每個通道應在多路開關前設置放大器。在多路開關后設置可編程放大器，利用單片機編程控制放大器的增益，以滿足各通道信號的不同增益要求。
??? （3）對于開關量及數字量，調到滿足CPLD輸入要求的電平即可，在CPLD內部設計多路開關，進行測量路數轉換，一次8路分時輸入到80C196單片機端口。
??? （4）對于頻率信號，調到滿足單片機輸入要求的TTL電平即可直接輸入單片機端口進行測量。
????（5）對于信號強且干擾大的信號，需要進行光電隔離，以免影響單片機測試電路。
1.4? CPLD電路設計
??? PSD器件已有少量CPLD宏單元，在測試系統不復雜、I/O端口夠用的情況下，PSD+CPU的兩片式系統能夠很好完成任務，當然就不必再外加CPLD器件。當測試及控制的外部通道多，需大量的數字I/O端口、片選、數字多路開關、三態門及譯碼電路時，僅添加一片CPLD器件就可解決問題，提高了系統集成度。
??? FPGA和CPLD都是可編程ASIC元件，由于FPGA和CPLD結構上的差異，彼此之間存在各自的特點：
??? （1）CPLD適合實現各種運算和組合邏輯， FPGA則適用于實現時序邏輯。
??? （2）CPLD的時間特性比FPGA穩定。CPLD的布線結構決定了它的時序延遲是穩定和可以預測的，而FPGA的分段式布線結構使得對其時間延遲的預測困難，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部聯線的邏輯功能來編程，而FPGA主要是通過改變內部線路布線來編程。
??? （4）FPGA的集成度比CPLD高，適合于較復雜的布線結構和邏輯實現，所以FPGA元件的可編程邏輯數比CPLD大得多。
??? （5）CPLD使用比FPGA方便。CPLD的編程采用E2PROM或Flash技術，而且可以加密，使用時外部不需要另外的存儲元件；而FPGA的編程采用SRAM技術，使用外部存儲元件來存放程序，使用方法較復雜。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。
??? （6）在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或Flash
??? 存儲編程，可編程次數大于1萬次，優點是系統斷電時編程信息不會消失。FPGA大部分是基于SRAM編程，編程信息會在系統斷電時消失，所以每次上電時系統都要重新將編程信息從外部記憶裝置讀入FPGA的SRAM中。其優點是可編程次數不限，并且在開發過程中可以很方便地隨時更改程序，其缺點是系統上電時程序容易受到干擾。
??? 設計時應綜合考慮以上各因素，來確定選擇CPLD還是FPGA。根據測試功能需求，本系統設計的CPLD芯片內部結構如圖4所示。
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??? 在CPLD的設計中，采用VHDL語言作為主要的設計手段，是當前ASIC設計的主流方法之一。VHDL語言實現相關的設計過程具有高效、方便、易于移植的特點，而單純的硬件電路設計缺乏靈活性，修改不方便，動輒印制版報廢。這種硬件設計軟件化，使得被測對象接入點發生改變或增減時，僅需相應電路的部分軟件作適應性修改，底層硬件電路及上層應用軟件都不需作大的改動甚至可以不改，大大節約了系統維護成本。在CPLD的設計過程當中，一邊設計，一邊在計算機上完成軟件仿真工作，使得仿真測試與功能行為的檢驗貫穿設計始終，保證了各項功能的正確性及可靠性，確保了最終產品的設計質量。
??? 在系統設計中可以根據需要讓CPLD完成更多的功能，如將80C196單片機的部分功能用CPLD完成，其中主要是測試部分，包括串行接口、數據編碼/校驗、幀構造、定時發送、與外圍測試計算機的數據交換。通過長期的積累，擁有大量的可復用IP模塊，使系統開發設計更為快捷。
2 智能化與可靠性設計
??? 系統信息的智能化測控主要體現在兩個方面：一是要具備學習記憶功能，能夠根據信息通道的初始值或實測值自動調整其控制參數；二是可以根據接收的命令，對其通道號、通道數、采集時間、傳輸字節以及控制方式等進行調整。
??? 本文介紹的小型智能化測試裝置不僅可以根據需求快速進行測試內容的調整，還具有靜檢、裝訂參數、提供數據的功能。其測試得到的數據可通過RS-485串行通信總線或無線手段發送到外圍測試接收設備中。由于數據傳輸、測試數據封裝、因而通道選擇等均由軟件來實現，因而智能化程度高，使用方便。
??? 在測控數據傳送過程中，針對不同的任務，使用的信息格式各不相同，要采用不同的數據處理程序。應根據外圍測控系統與SCS智能測試裝置的通信內容，構造通信協議、數據處理協議，依據不同的信息類別（控制命令）處理不同的數據，信息幀的打包傳送則由傳輸模塊進行處理。
??? 通常在試驗場所有很強的電磁干擾，這些干擾以傳導和輻射的形式從動力線和信號線進入系統。為了保證系統正常可靠運行，采用軟、硬件相結合的抗干擾技術，輸入通道中采用RC濾波、高低電平嵌位、隔離技術，很好地抑制了各種高頻干擾，并實現瞬間過壓保護；部分輸入輸出信號采用光電耦合器，隔斷外部信號與控制系統的聯系；軟件上采用中值和算術平均值相結合的方法，剔除信號的瞬間干擾，同時軟件設計采用多種優化手段提高系統的健壯性。為了防止電路因公共阻抗而引起信號交叉耦合，系統采用并聯單點接地設計，系統內模擬地和數字地分開，只在一點處匯合。
3? 測試裝置的軟件設計
??? 測控軟件采用PL/M196語言編制[3]，用WAVE6000調試編譯完成。軟件流程圖如圖5所示。
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??? 測控軟件主要包含兩個分支：信號測試分支和參數裝訂分支。其工作分支的判斷依據是地面提供的一路測試與否的電壓信號。裝訂參數電壓大于給定值，系統進入參數裝訂分支，單片機等待接收裝訂數據，進行數據正確性判定，并將各數據通過I2C接口分類存放到共享的幾片Flash ROM中。如無裝訂電壓，則進入測試分支，單片機開始測試各路信號，并將測試數據打包成幀，同時計算全部數據的CRC校驗，發送到接收設備，并對測試數據進行判斷，確定系統工作流程。由于數據量較大，需要測試的信號路數、種類較多，需要打包發送的數據幀長70多字節，每10ms以115.2k的波特率發送，除去測量、控制及組幀時間，數據傳送的時間就要仔細計算了。采用查詢及標準的中斷方式，10ms時間就遠遠不夠了，通過示波器測量，一幀數據測試加傳輸需70ms。本系統采用PTS（外設事物服務器）中斷方式，由微代碼硬件中斷處理器控制，占用很少的CPU時間，類似于PC機的DMA，不用修改堆棧和保存程序狀態字。本系統采用PTS塊傳遞方式，只需給定PTS控制字、數據塊的起始地址及數據長度，定義中斷屏蔽寄存器，最后開放PTS中斷和標準中斷,這樣一幀數據測試加傳輸需6.5ms。
??? 經過測試實驗表明，采用單片機、PSD、CPLD和電壓調理電路等主要組件設計完成SCS相關信息的采集與控制不僅是高效可行的，也是使得SCS測試裝置小型化、智能化、提高測試系統可靠性卓有成效的途徑之一。單片機與可編程邏輯器件有很強的互補性。單片機具有性能價格比高、功能靈活、易于人機對話、良好的數據處理能力特點，CPLD和PSD等可編程器件則具有高速、高可靠性以及開發便捷、規范、易于維護等優點。這種單片機加外部可編程器件的電路結構在許多高性能儀器儀表和電子產品中有廣泛的應用前景。
參考文獻
1 孫涵芳. inter 16位單片機. 北京：北京航空航天大學出版社，1995
2 孫涵芳.單片機現場可編程外圍芯片PSD原理極其應用.北京：北京航空航天大學出版社，1998
3 袁 清，孫騰湛. PL/M程序設計語言及其應用.北京：清華大學出版社，1996
4 徐志軍，徐光輝.CPLD/FPGA的開發與應用. 北京：電子工業出版社，2002
5 PSD4000 Series Product Brief，http://www.st.com