基于CC3220SF 的电子设备检测系统设计

林益锋，褚衍超，何浩，黄晓虎，李兴勇

（上海航天控制技术研究所，上海 201101）

传统测试方法中激励生成、响应采集都由工控机端的测试板卡来实现，所有信号均通过线缆与被测电子设备连接。若试验需要电子设备旋转，如进行角速度测试或加速度测试，则信号必须通过实验设备的滑环进行转接。然而实验设备的可转接点数有限，若所需测试的信号点数超出该上限则会造成测试覆盖不全。

将激励生成、响应采集功能移至被测设备端，测试命令、状态反馈通过无线方式传输，则可避免大量信号的转接。文献[1]采用Zigbee 网络实现测试数据的交互，然而Zigbee 的数据率较低，数据传输扩展能力有限。文献[2]设计的测试系统采用ESP8266 来实现WiFi 传输，然而该模块仅能实现通信功能，无法进行功能扩展。文献[3]设计的振动终端测试节点，采用集成无线通信功能的主控芯片实现了传感器的WiFi 传输，但该设计没有激励生成的功能。结合前述方案，文中设计了一种通过WLAN(Wireless Local Area Network)通信、在被测设备端生成激励并采集响应的测试系统，可对某型电子设备的10 路DO、16路DI、9 路UART 进行测试。

1 系统设计

文中设计的测试系统构架如图1 所示。该系统分为3 部分：工控机、检测器AP 及检测器STA，其中工控机作为人机界面，通过UART 与检测器AP 进行通信；检测器AP 负责建立WLAN，并转发工控机的测试命令；检测器STA 与被测设备直连，并转接被测设备的28 V 电源，当WLAN 发来数据时根据内容对被测设备施加激励和采集响应，随后在WLAN 中反馈信息。由于激励与响应均在检测器STA 端进行处理，信息采用无线传输，因此，在进行旋转类试验时仅需转接电源，仍能保证100%测试覆盖。

图1 系统框图

检测器采用TI公司的CC3220SF作为核心，该芯片集成了Arm Cortex-M4微处理器MCU(Micro Controller Unit)和WiFi 网络处理器NwP(Network Processor)，最高运行频率可达80 MHz，具备SPI、UART、GPIO，兼容IEEE802.11b/g/n 协议，可同时实现主控和WLAN通信。该芯片既可作为检测器AP(Access Point)又可作为终端STA(Station)，在AP 模式下可同时接入4 个STA[4]，具备多测试并行的扩展性。

检测器AP 与检测器STA 的硬件设计完全相同，根据GPIO30 的电平值加载不同的应用程序，低电平时为检测器AP，高电平时为检测器STA。检测系统WLAN 的服务集标识符SSId(Service Set Identifier)并设置为“Lin-AP-CC”，启用保护访问WPA(WiFi Protected Access)，模式为WPA2，并设置接入密码。采用TCP 保证数据传输的准确性和可靠性，该协议保证数据包不丢失或者出现乱序[5-6]。将检测器AP的IP 地址固定为10.123.45.1，检测器STA 连接成功后向该地址发起TCP 连接请求。

当建立TCP 连接后，工控机可通过检测器AP 的UART 输入测试命令，该命令经WLAN 传输到检测器STA，检测器STA 再通过其与被测设备的UART 转发该命令，同时启动相应的检测电路施加激励、采集响应，将所得信息反馈至WLAN，检测器AP 再将反馈信息转发到工控机形成闭环。

2 硬件设计

2.1 电源

检测器STA 与被测设备共用一次电源+28 V。为实现电气隔离，采用隔离型DCDC 模块[7]实现电源转换，使用两个同型号模块分别输出两组+5 V 电源，标识为UA及UB，参考地分别为GNDA 与GNDB。CC3220SF 系统由UA电源供电，检测电路由UB电源供电，GND1 与被测设备共地。

2.2 CC3220SF处理系统

CC3220SF的电源为+3.3 V，另需外配晶振、电源滤波及射频电路，CC3220SF处理系统电路如图2所示。

图2 中TPS74401 输出+3.3 V 电源，当电源输出低于门限时，PG 引脚为0 V，当输出达到门限时，PG引脚输出高阻态[8]，该引脚用于输出CC3220SF 的复位信号；FL1 是带通滤波器DEA202450BT-1294C1-H，频带范围是2 412～2 484 MHz，E1 是螺旋式单极陶瓷天线AH316M245001-T[9]，通过这两个器件实现了射频信号的收发；应用程序通过烧写软件，使其固化在CC3220SF 内置的1 MB Flash 中。

图2 CC3220SF处理系统电路图

CC3220SF 的GPIO00～GPIO17 用于检测电路控制；GPIO30 作为模式配置引脚，默认为高电平，系统在STA 模式下工作。若要配置为AP 模式，可使用跳线将GPIO30 短接至地。

2.3 DO检测电路

被测设备的DO 输出TTL 信号，需要检测电压和电流，要求高电平大于3.8 V、低电平小于0.8 V，电流输出需大于10 mA。采用5 V 供电、单通道、16 位、高速串行接口，且转换率可以进行配置的模数转换器AD7680 完成电压采集[10]；采用较大关断电阻、较小导通电阻的多路模拟开关ADG706[11]进行通道选择；采用ADuM 系列器件进行数字信号的隔离与传输[12]。DO 检测电路原理图如图3 所示。

图3 DO检测电路原理图

CC3220SF 的GPIO1 输出为0时，DO 检测电路开始工作；GPIO4～GPIO8 经电平转换、隔离后得到DO_P4_O～DO_P8_O，该组信号控制ADG706 选择DO 通道；GPIO0、GPIO14、GPIO15 对应的DO_P0_O、DO_P14_O、DO_P15_I 作为AD7680 的SPI，时钟频率为1 MHz；用AD7680 测得的电压除以各通道的负载电阻即得输出电流。

2.4 DI检测电路

DI 检测电路采用与DO 检测电路相同的设计方法。当CC3220SF 的GPIO2 输出为0时，DI 检测电路开始工作；GPIO4～GPIO9 经电平转换、隔离后控制ADG706 选择DI 通道，并控制输出电平；由UART 查询测试结果。

2.5 UART检测电路

被测设备共9 路UART，采用RS-422 标准，要求各通道的误码率小于10-6。将其中的一路用作命令口，与CC3220SF 的UART0 进行通信，其余8 路采用轮询方式分别与其UART1 进行通信。

命令口采用单通道的MAX490 进行差分转换；其余8 路UART 由两组DS26C31 和DS26C32 差分转换器[13]实现信号转换，转换后的收、发信号由两片四通道双信号选择器CD4052[14]进行切换，分别与UART1 进行通信。

CC3220SF 的GPIO3输出为0时，UART 检测电路开始工作；GPIO4～GPIO7 经电平转换、隔离后控制两片CD4052 的使能和通道选择；GPIO12、GPIO13 收发UART0的数据；GPIO16、GPIO17收发UART1的数据。

UART 误码率的测试采用回声检测法，即CC3220SF 发送一帧数据，被测设备收到后原样返回，由CC3220SF 对返回的数据帧进行逐字节比对得到误码数，累计一定测试帧数后计算误码率。

3 软件设计

检测器的软件流程如图4 所示，当上电检测到GPIO30 为1时，进入左支路STA 模式；否则进入右支路AP 模式。

图4 软件流程图

3.1 AP模式软件流程

检测器以AP 模式运行时，先设置SSId、WPA2 模式和接入密码，随后启动NwP 建立WLAN，等待接入请求；当检测器STA 请求接入时要认证密码，认证通过后为其分配IP 地址；监听TCP 连接请求，将端口号设置为5002；当TCP 连接建立后，检测器AP 通过UART0 向工控机发送连接：已建立消息，此时工控机可输入测试命令、接收测试反馈；当检测器AP 接收到UART0 的测试命令时，将其转发给检测器STA，并等待反馈信息；若接收到测试完成消息，则结束流程，否则向工控机反馈测试结果，继续下一轮测试。

工控机根据UART0 的数据判断被测设备功能是否完好，以决定是否继续进行测试。

3.2 STA模式软件流程

检测器以STA 模式运行时，先设置SSId、WPA2模式和接入密码，随后启动NwP，尝试接入WLAN；当检测器STA成功连入网络并获得IP地址后，请求建立TCP 连接；若TCP 连接成功，则等待WLAN 数据包；接收到测试命令后，按内容启动检测电路、采集响应；将反馈信息发送到WLAN；若收到结束测试命令，则关闭TCP 连接，程序结束，否则继续等待测试命令。

4 功能验证

4.1 验证方法

系统验证分为检测器单机功能验证和系统联调验证两部分。检测器单机验证时，工控机通过连接无线路由器[15]接入WiFi 网络，采用TCP/UDP Socket调试工具分别作为TCP Client、TCP Server[16]可模拟通信的两端。系统联调时采用串口软件Tera Term[17]作为人机界面。

4.2 检测器AP功能验证

检测器AP完成建立网络、转发命令和收发WLAN数据的功能，图5 为检测器AP 的WLAN 通信测试结果。工控机模拟检测器运行在STA 模式，设置为TCP Client，自身地址为10.123.45.4，端口为4461，当收到测试命令后通过数据发送窗口手动反馈一包模拟测试数据，模拟测试闭环。

4.3 检测器STA功能验证

检测器STA 完成接入网络、收发WLAN 数据、启动检测电路的功能，图6 为检测器STA 接收到命令后的响应结果。工控机端模拟检测器AP，设置为TCP Server，检测器STA 的地址为10.123.45.101，端口为53872，在数据发送窗口发送各测试命令，观察检测器STA 的测试结果。

图6 检测器STA验证结果

4.4 系统联调验证

系统联调时测试命令及结果均通过工控机端的Tera Term 进行显示，测试结果如图7 所示。对DO_CH0～DO_CH9 各进行3 次高低电平测试，各通道电压、电流均满足要求；测试DI_CH0～DI_CH15的0、1状态，各通道均能正确识别高低电平；分别对UART1～UART8 进行了1 000 帧收发测试，每帧260 字节，每字节11 bit，共2 860 000 bit，均无误码。

图7 系统联调验证结果

测试命令、测试通道、测试次数等内容均可任意设置。

5 结论

该文从整体构架、硬件设计、软件设计、功能验证四方面介绍了基于CC3220SF 的电子设备检测系统，其中，CC3220SF 作为主控器同时完成WLAN 的连接，各检测电路实现激励的输出和响应的采集，通过无线传输避免大量信号的转接。在电子设备进行旋转类试验时，仅需转接电源仍能保证100%测试覆盖。