高速数据建造、仿真及过程监控集成测试系统设计

王晓伟,相 毅,王梦凡

(航空工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

随着航空航天领域电子系统信息化和集成度的不断提高,电子产品的交付量也与日俱增,这对产品的测试系统和测试覆盖率提出了更高的要求。测试系统是每个星载、机载计算机测试必备的设备之一,其主要用来测试产品的功能和性能,确定出产品的运行状态,产品在出现故障时具备故障隔离的能力。测试系统的好坏往往决定计算机产品能否在真实应用环境中更好地工作,其重要性不言而喻。

测试系统是一种用于检测系统或产品中性能、可用性、功能以及安全性等关键特性的系统。由于技术进步,实施测试系统变得非常困难,因为它需要复杂而全面的测试计划,其中包括各种测试类型,如功能测试、可用性测试、性能测试等。目前,所有的测试系统都是通过硬件电路来模拟外设,测试机制比较简单,只是针对性地测试计算机产品各个功能的正确性。经常存在星载、机载计算机在真实环境中应用时,产品性能不能满足用户的要求以及与载荷联调出现问题时,无法快速进行问题定位,需要消耗大量的人力物力以及时间。这些问题的根源在于目前的测试系统过于简单,和产品的真实应用环境相差较大,从而导致星载、机载计算机产品的测试覆盖性不全面。

本文针对星载、机载高可靠应用场景,提出了一种集数据建造、仿真、过程监控于一体的测试系统架构。该测试系统能够模拟计算机产品真实的测试环境产生测试数据以提高产品测试的真实性,并且在系统测试中监控计算机产品和外设之间的整个测试过程,能够快速定位系统级测试中出现的故障。

1 测试系统设计

本文提出的测试系统由地面控制计算机和单元测试仪组成,相互间的数据交换采用百兆以太网总线,以减少数据传输延迟对测试系统的影响。为了使测试系统具有较快的数据处理能力和信息交换能力,单元测试仪在设计中采用了TMS320C6713 DSP作为处理器,设计了基于DSP+FPGA的硬件架构。测试系统框架如图1所示。

图1 测试系统

该测试系统有2种工作模式,分别为模拟测试工作模式和监控测试过程工作模式,2种模式可以切换工作。

2 测试系统原理及机制

测试系统工作原理:模拟测试工作模式是通过地面计算机对计算机产品的真实应用环境进行仿真,例如MATLAB,把仿真得到的数据通过高速以太网总线传输给单元测试仪,利用DSP强大的数据处理能力,使得测试系统输出较为逼真的测试数据,从而对星载、机载计算机产品进行测试;监控测试过程工作模式是单元测试仪采集实际外设的数据,通过高速以太网总线把数据传给另一套电路,最后通过接口电路输出给星载、机载计算机,在这过程中地面控制计算机接收以太网总线上的数据由测试人员观察,使得测试过程变得透明化、可视化。

本文针对这2种模式分别设计了不同的测试机制,模拟测试工作模式数据交换和监控测试过程工作模式数据交换。

第一种模式主要应用于没有载荷的情况。由地面控制计算机利用软件模型对实际的应用环境进行仿真,产生较为逼真的外设数据,采用高速以太网总线把数据传给单元测试仪,由DSP进行处理后,通过FPGA控制接口电路输出给星载计算机;星载机载计算机采到数据后,根据软件算法输出相应的控制信号,又通过单元测试仪传给地面控制计算机,从而形成闭环测试,测试星载机载计算机功能、性能的正确性。这种模式可以有效地解决测试环境简单导致的测试覆盖性不全面问题,提高测试真实性。第二种模式主要应用于有载荷的情况下,监控测试过程,由单元测试仪第一部分采集真实载荷的数据,经过高速以太网传给第二部分,再输出给星载计算机,星载计算机输出的信息也可由单元测试仪传给负载,形成闭环测试。同时,地面控制计算机接收以太网总线上的数据,由测试人员监控测试过程。如果发生故障,可以快速定位问题所在。这种模式可以使得测试过程可视化,提高测试效率。

3 测试系统硬件方案设计

测试系统中的地面控制计算机采用性能较好的成品计算机,单元测试仪部分,由2套架构相同的电路构成。

3.1 DSP最小系统

为了同时满足实时性和运算能力的要求,测试系统选用高性能DSP,型号规格为TMSC320C6713,工作主频可以达到200 MHz。外置SDRAM和FLASH存储器以及时钟电路,从而构成DSP最小系统。

TMSC320C6713是由TI公司生产的高精度浮点型DSP芯片,它是32位高速浮点型DSP。TMS320C6713主要特点有:体系结构采用超长指令字结构,单指令字长为32位,指今包里有8个指令,总字长达到256位,最大处理能力可达2 400 MIPS;采用二级缓冲处理,4Kbyte直接匹配的程序缓冲L1P,4Kbyte可匹配的数据缓冲L1D,256Kbyte L2额外匹配内存,32位外部存储器接口,可无缝连接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和SDRAM;丰富的外设,包括DMA、EDMA、多通道缓冲串口等。采用TMS320C6713作为单元测试仪的处理器是最佳选择,能够满足测试系统的需求。

TMSC320C6713内部未带内部程序存储区,RAM区容量较小,需外置存储器资源来完成采集控制板的程序及数据的存储。因此,采用外置SDRAM,存储容量为128 Mb,型号规格为MT48LC4M32B2P-6AIT,FLASH存储容量为128 Mb,型号规格为S29GL128P10TF1010[1]。

3.2 FPGA设计

FPGA主要实现接口电路控制功能,其包括离散量输出和采集、转速输出和采集、模拟量输出和采集、串口输入、输出功能,离散量输出使能、模拟量输出使能、通信接口发送使能、串口通信协议等。FPGA功能如图2所示。

图2 FPGA功能模块

3.3 接口电路设计

目前,航空航天电子产品普遍采用的接口主要分为模拟量、离散量、串口等。本设计对外实现各8路模拟量输入输出、各48路离散量输入输出、30路输入输出串行通信。

(1)模拟量输入设计。

模拟量输入完成8路模拟量采集功能,以AD公司的AD1674为核心,外围配置模拟开关,可以实现多路模拟量采集[2]。AD1674是一种单通道12位模数转换器(ADC)芯片,该芯片采用逐次逼近寄存器(SAR)架构,具有高速、高精度、低功耗等特点[3]。

(2)模拟量输出设计。

模拟量输出包含8路模拟量输出。模拟量输出芯片选用AD5724,该芯片是通过SPI总线控制的DA转换器,每片AD5724包含4路DA通道。模拟量输出接口需要进行受控输出设计,在AD5724后端通过模拟开关HI-201控制模拟量输出的使能开关控制。为减小模拟量输出阻抗,输出接口端设计跟随器。

(3)离散量输入设计。

离散量输入包含48路离散量输入。采集芯片选用HI8435,该芯片通过SPI总线控制,每片HI8435可实现32路离散量采集。HI8435是一款高度集成的离散量信号采集处理电路,用于开关离散信号的转换,该电路共集成了32 路离散量处理通道,支持 28V开和地/开2种离散量输入形式,芯片提供上电自检、错误监测和数据校验等功能。

(4)离散量输出设计。

离散量输出包含48路离散量输出。采集芯片选用光控继电器。光耦继电器可以起到很好的隔离作用,如信号隔离或光电的隔离,并且比普通光耦驱动能力强,可以很好地满足离散量输出需求。

(5)串口通信。

RS422/RS232/RS485串行控制器实现本机异步串行通信功能,由FPGA实现。其包含串并转换输入、并串转换输出、收发缓存、中断产生逻辑及串口配置逻辑等模块。

并串转换根据配置的串口波特率完成发送缓冲区中数据的串行转换输出;串并转换将外部接收的串行数据转换为并行数据,自动存入接收缓存。时钟分频与串口配置用于进行波特率配置及中断产生逻辑的配置,中断产生条件可进行配置,包括发送、接收缓存空、满及半满标志中断,半满标志可通过软件配置,确定缓存的半满位置。对于发送缓冲区,可以配置为非空,即自动发送及软件启动一次发送这2种状态。每路串行通道具有独立的发送缓存、独立的接收缓存,并且缓存区大小可以配置。

3.4 以太网设计

标准以太网总线具有传输距离长和速度高的优点,方便系统中设备之间的互联,在以太网接口电路中,网络协议控制芯片选用MICREL公司的KSZ8851-32 MQL,采用3.3V供电系统,电接口变压器选用PULSE公司的100B-1003X。设计速率为100 Mbps,符合IEEE 100BASE-TX规范。KSZ8851-32 MQL是美国MICREL 公司研制的单端口嵌入式控制芯片,它包括一个高速以太网的MAC控制器、一个8/16/32的普通主机处理器接口以及在RXQ(12KB)和TXQ(6KB)之间进行共享的18KB内部缓冲存储器,可以有效地满足快速以太网总线传输的应用。该芯片可以支持以太网物理层协议,包括支持大端(Big-Endian)和小端(Little-Endian)模式、多帧数据传输和接收、IPv4/IPv6校验和生成与校验以及32bit的CRC生成与校验。此外,该网络控制器还提供了强大的功率管理功能。

4 结语

本文设计了一种集数据建造、仿真、过程监控于一体的测试系统架构,该测试系统目前已工程实现,并应用于星载、机载等型号任务的测试,测试效果令人满意,达到了预期设计目标。该测试系统可以有效地解决地面测试环境不全面及系统测试中测试过程不透明的问题,提高了星载、机载计算机产品测试的效率,具有很高的实用价值。