基于多MCU的自動測試診斷系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：詳細介紹了基于多P89C668單片機的組合邏輯電路自動測試診斷系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)計。該自動測試診斷系統(tǒng)采用USB接口實現(xiàn)計算機與診斷平臺的通信，其移動式結(jié)構(gòu)便于在現(xiàn)場進行測試，且設(shè)備成本低、操作簡單。 關(guān)鍵詞：自動測試診斷系統(tǒng) 多單片機 P89C668 USB 隨著IT產(chǎn)業(yè)和通信技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的高速發(fā)展，大量的生產(chǎn)裝備和產(chǎn)品的電子化、數(shù)字化、自動化、智能化的程度越來越高，與之配套的電子測量設(shè)備必須適應(yīng)這種形勢。因此，綜合測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的自動測試系統(tǒng)發(fā)展日益完善，在一些高度電子化產(chǎn)品、航空航天和軍用武器裝備中以及工業(yè)自動化、通信、光學(xué)、能源等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 一般意義的自動測試系統(tǒng)是指采用計算機控制，能實現(xiàn)自動化測試的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通常是在標準的測控總線或儀器總線(CAMAC、GPIB、VXI、 PXI、CAN等)的基礎(chǔ)上組建而成的。目前，通用串行總線(Universal SerialBus，即USB)以其方便的即插即用和熱插拔特性及較高的傳輸速率，成為PC機領(lǐng)域廣為應(yīng)用的外設(shè)連接規(guī)范。本文介紹的自動測試診斷系統(tǒng)是以五片P89C668單片機為核心組成故障診斷平臺，采用基于FT245BM USB芯片的通信卡建立計算機與測試診斷平臺通信的橋梁，使其能對需要檢測的組合邏輯數(shù)字電路板進行測試，并可以根據(jù)標準診斷數(shù)據(jù)庫對產(chǎn)生故障的電路板進行自動故障定位。目前該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N不含有不受控制的部件如CPU、存儲元件、晶振、阻容式單穩(wěn)態(tài)等的數(shù)字電路板進行自動測試及故障診斷，可測試的電路板邊緣連接器的最大引腳數(shù)為96個。 1 硬件結(jié)構(gòu) 該測試診斷系統(tǒng)的硬件主要由以下部分組成： %26;#183;計算機 %26;#183;USB通信電纜 %26;#183;USB通信卡 %26;#183;多MCU系統(tǒng)測試診斷平臺 %26;#183;微型開關(guān)電源 %26;#183;散熱風(fēng)扇 %26;#183;通道連接適配器板等

1.1 計算機 計算機的主要功能是通過USB接口控制測試診斷平臺，進而完成測試平臺系統(tǒng)自檢、通道輸入/輸出的定義、發(fā)送測試激勵數(shù)據(jù)、接收響應(yīng)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計算與分析等工作。 1.2 USB通信卡 USB通道卡是連接計算機與測試平臺的橋梁。它的主要功能一方面是將計算機發(fā)送的控制命令、數(shù)據(jù)送到測試平臺的主MCU，使測試平臺完成各種測試任務(wù);另一方面是將測試平臺中多MCU系統(tǒng)的自檢信息和測試結(jié)果送往計算機，以供計算機進行判斷與分析。 USB通信卡是基于FTDI公司的FT8U245BM芯片組成的，具有數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)高(達8Mb/s)和即插即用等優(yōu)點。 1.3 多MCU系統(tǒng)構(gòu)成的測試平臺 多MCU系統(tǒng)由一個MCU和四個從MCU組成。所有的MCU均采用PHILIPS公司的P89C668單片機芯片，其內(nèi)部有可ISP/IAP編程的 64KB Flash程序存儲器和8KB RAM，每個機器周期可采用六個時鐘周期，是傳統(tǒng)單片機(80C51)的兩倍。在其余雙工增強型UART中具有幀錯誤檢測和自動地址識別功能，另外還具有可編程的時鐘輸出功能及可編程的計數(shù)器陣列(PCA)等，是PHILIPS公司MCU家庭中較為高端的產(chǎn)品。多MCU系統(tǒng)構(gòu)成的測試平臺如圖1所示。 在本設(shè)計的多MCU系統(tǒng)中，各個MCU的功能如下： (1)主機MCU的功能 %26;#183;負責(zé)與PC機的通信。通信采用目前流行的USB總線通訊方式，一方面接收來自于PC機的命令與數(shù)據(jù)，另一方面向PC機發(fā)送測試數(shù)據(jù)和自檢信息。 %26;#183;解釋來自PC機的命令，并向所有從機或者相應(yīng)的從機發(fā)送。對來自PC機的數(shù)據(jù)進行分類，并發(fā)送給相應(yīng)的從機。對自身的RAM進行自檢。 %26;#183;負責(zé)與四個從機的通信。通信為多機主-從方式，利用MCU的RxD和TxD端以全雙工UART串行模式進行通信，并使用幀錯誤檢測和自動地址識別功能。 %26;#183;管理四個從機進行同步測試。主MCU利用P1口的低四位(1.4、P1.5、P1.6、P1.7)向四個從機發(fā)送同步控制信號，使得多個從機在測試過程中能夠保持同步性。 (2)從機MCU1～MCU4的功能 %26;#183;通過RxD端口，以串行通信方式接收來自主MCU的與自己相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)。 %26;#183;每個從機的24路I/O端口P0.0～P0.7、P1.0～P1.7和P2.0～P2.7共計96路分別與測試通道 Port1～Port96相連接。根據(jù)I/O端口的設(shè)備情況，向定義的輸出通道輸出測試激勵信號，從相應(yīng)的輸入通道讀入測試結(jié)果并存入 相應(yīng)的RAM單元。

%26;#183;在被測試電路板的一個輸出通道測試完畢后，將測試的結(jié)果發(fā)送到主MCU的RAM存儲區(qū)，并由主MCU發(fā)往計算機。 %26;#183;負責(zé)自身數(shù)據(jù)存儲區(qū)RAM的自檢工作。當接收到主MCU的自檢命令時，對自身的RAM進行自檢，并將自檢結(jié)果發(fā)送到主MCU。 1.4 測試通道適配接口卡 普通的被測數(shù)字電路板是不能直接插到測試平臺的測試接口上的，需要有特制的測試通道適配接口卡才能進行連接。本系統(tǒng)提供的接口卡是96路通道的總線結(jié)構(gòu)的接口卡，可與適用了本設(shè)計的數(shù)字電路板進行連接。如果要測試其它類型的數(shù)字電路板，則需要專門定做與其配套的測試通道適配接口卡。 2 軟件設(shè)計 2.1 測試平臺程序設(shè)計 本系統(tǒng)測試平臺程序采用模塊化設(shè)計，是基于Keil系統(tǒng)開發(fā)軟件和TKS-668開發(fā)硬件，采用C語言與匯編語言編寫的。模塊化程序設(shè)計的思想就是要把一個復(fù)雜的程序按整體功能劃分成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設(shè)計、編程、測試和查錯，然后裝配起來進行聯(lián)調(diào)，最終成為一個有實用價值的程序。本系統(tǒng)的測試平臺軟件主要由系統(tǒng)的主程序、通信程序、測試程序和自檢程序等模塊組成。 2.1.1 主程序設(shè)計 主、從MCU的主程序設(shè)計流程圖分別如圖2、圖3所示。本系統(tǒng)中的四個從MCU具有相同的功能，因此其主程序設(shè)計是一樣的。主、從MCU在初始化中要設(shè)置的相關(guān)參數(shù)包括：串行口的方式、波特率、定時器的方式、中斷等。 2.1.2 自檢程序設(shè)計 主從MCU的自檢是為了保證每個單片機都能正常工作，即USB和主MCU、主MCU和從MCU之間的通訊正常，并且保證每個單片機的RAM沒有損壞。 主MCU和從MCU之間的通訊是否正常的自檢是：先由主單片機向從單片機發(fā)一串數(shù)據(jù)，然后再由從單片機把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)回主單處機，判斷兩串數(shù)據(jù)的個數(shù)和內(nèi)容是否一致，一致的話則說明通訊正常。同理，USB和主MCU之間通訊自檢的原理也是如此。 MCU的RAM自檢的原理是：對于每一個RAM的存儲單元，先把一個數(shù)據(jù)寫入該RAM的單元，然后再從該單元里讀出一個數(shù)據(jù)，判斷兩者是否一致，如果一致則說明該RAM單元沒有損壞。 2.1.3 通訊程序設(shè)計 系統(tǒng)的通訊程序包括：主MCU與USB之間的通訊程序、主MCU與從MCU之間的通訊程序以及從MCU對被檢測電路板的掃描程序。 主MCU的USB是通過USB的管腳D0～D7和主MCU的管腳P0.0～P0.7傳遞數(shù)據(jù)的?？刂浦饕峭ㄟ^USB的四個管腳：RXF、TXE、WR、 /RD和主MCU的四個管腳：P1.4、P1.5、P1.6、P1.7進行的。當TXE為低且WR從0變?yōu)?時，數(shù)據(jù)寫入USB;當RXF為低且/RD從 1變?yōu)?時，數(shù)據(jù)從USB讀到主MCU。主MCU通過P1.4和P1.5對USB的RXF和TXE進行判斷，然后通過P1.6和P1.7對USB的WR和 /RD進行控制傳遞數(shù)據(jù)。 主MCU與從MCU之間利用MCU的RxD和RxD端以全雙工UART串行模式進行通信，串行通訊通過中斷實現(xiàn)，使用了幀錯誤檢測和自動地址識別功能。本系統(tǒng)的主MCU采用廣播通訊方式，由特殊寄存器SADEN和SADDR邏輯或產(chǎn)生從機的廣播地址，利用地址自動識別功能，通過發(fā)送廣播地址，同時發(fā)命令與四個從MCU進行通訊。當主MCU只和單個從MCU通訊時，采用點點通訊方式，由SADEN和SADDR相與產(chǎn)生的特定地址來確認哪些從機被選中與主機進行通訊，不需要再進行軟件查詢。 從MCU對被檢測電路板的掃描程序采用的是功能測試技術(shù)。為了檢測某一組合邏輯電路板是否存在故障，首先把電路板插到診斷插槽上，由于每個輸出端口只是與該電路板所有端口中的幾個有邏輯關(guān)系，所以掃描程序只需對某個輸出端口有邏輯關(guān)系的電路板的輸入端口進行從全0到全1的電平激勵(比如有五個輸入端口，一共有2 5=32組激勵)。對于有邏輯關(guān)系的輸入超過七個以上時，由于工作量很大，不實行從全0到全1的激勵，而是從中選擇128組激勵進行類似抽查的檢測，然后讀取輸出端口，把輸出結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)，和標準數(shù)據(jù)庫的仿真結(jié)果進行分析與比較，判斷是否一致，如果出現(xiàn)不一致的情況，則說明電路板存在故障。 2.2 應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計 安裝在計算機上的自動測試診斷系統(tǒng)軟件采用Visual 6.0語言編程，其主要作用是使計算機向USB接口通信卡發(fā)送測試激勵數(shù)據(jù)、接收響應(yīng)數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)計算與分析等。

2.3 標準診斷數(shù)據(jù)庫的軟件產(chǎn)生方法 建立標準診斷數(shù)據(jù)庫的目的是為了進行自動故障定位。本系統(tǒng)可用兩種方法建立標準診斷數(shù)據(jù)庫：第一種方法是根據(jù)被測數(shù)字電路板的原理圖，在一些EDA軟件環(huán)境如Protel、Foudation、Maxplus II中通過仿真功能生成標準診斷數(shù)據(jù)庫。第二種是測試功能正常的數(shù)字電路板，在特定的激勵下記錄該電路板的響應(yīng)數(shù)據(jù)，由軟件自動追加到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，作為今后測試該電路板的標準診斷數(shù)據(jù)庫。 由于本系統(tǒng)所要測試診斷的電路板端口數(shù)較多，采用第二種方法不但工作量非常大，而且還要確保所測數(shù)字電路板在測試過程中功能正常，因此本系統(tǒng)采用第一種方法?？紤]到所測的電路板為組合邏輯數(shù)字電路板，所以本系統(tǒng)采用Xilinx公司的Foundation F3.1i軟件環(huán)境，在原理圖編輯器(Schematic Editor)中輸入被測數(shù)字電路板的原理圖，然后在功能仿真器(Functional Simulation)r Script Editor中利用軟件自帶的仿真命令自動生成標準診斷數(shù)據(jù)文件，再由應(yīng)用系統(tǒng)軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。 目前一般的自動測試診斷系統(tǒng)通常是在標準的測控總線或儀器總線(CAMAC、GPIB、VXI、PXI、CAN等)的基礎(chǔ)上組建而成的，其成本較高、體積龐大、操作復(fù)雜，基礎(chǔ)上組建而成的，其成本較高、體積龐大、操作復(fù)雜，在測試過程中顯得非常不方便，難以滿足現(xiàn)代科技工作者的需要。本文介紹的自動測試診斷系統(tǒng)是以五片P89C668單片機為核心組成故障診斷平臺，采用基于FT245BM USB芯片的通信卡實現(xiàn)計算機與測試診斷平臺的通信。該系統(tǒng)的便攜式結(jié)構(gòu)特別適合于現(xiàn)場測試，具有成本低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高等優(yōu)點;系統(tǒng)的操作比較簡單，只要掌握計算機的一般操作，具有一定的數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)，能夠看懂一般的數(shù)字電路原理的，經(jīng)過簡單的技術(shù)培訓(xùn)，詳細閱讀并理解本系統(tǒng)的使用說明后就可以進行操作;系統(tǒng)硬件模塊的標準化和軟件模塊的可復(fù)用性使系統(tǒng)具有很強的擴展能力。目前該測試診斷系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，效果良好，完全達到了預(yù)期的設(shè)計目的。