鐵路電子機箱設(shè)備內(nèi)部通常有復(fù)雜的內(nèi)部數(shù)據(jù)，特別是在實時控制領(lǐng)域，往往需要對內(nèi)部的模擬量計算值或者檢測值進行快速的檢測，以驗證模擬量計算值或檢測值的正確性。目前主要的調(diào)試方法有：使用仿真器在線調(diào)試、使用串口調(diào)試、直接使用萬用表和示波器連接接線電纜調(diào)試。
    依靠仿真器對板卡處理器內(nèi)部變量的運行情況進行檢測在現(xiàn)場調(diào)試使用中較為局限。一方面仿真器只能針對某特定類型處理器，在實時性和快速性要求很高的情況下，仿真器的檢測速度將無法達到調(diào)試需求，特別在變量較多的情況下，內(nèi)部變量的檢測具有較大時滯性。另一方面在很多機箱應(yīng)用場合仿真器連接很不方便，甚至根本無法連接。
　使用串口調(diào)試的方法較為普遍。通過串口將設(shè)備內(nèi)部信息輸出到PC，通過串口調(diào)試助手或上位機軟件觀測變量。這種方法在檢測單個變量的情況下十分方便，但在多路變量實時檢測時具有較大時滯性。檢測變量越多，占處理器資源也就越多，會影響設(shè)備的實時性能。
    使用萬用表和示波器連接接線電纜調(diào)試是現(xiàn)場調(diào)試最為常用的方法。這種檢測方法較為直觀，但其對應(yīng)用場合的限制較多。一方面受到現(xiàn)場連接器的限制，另一方面對多路信號同時檢測時十分不便，而且在一些高壓場合無法進行接線。
    PCI總線是一種先進的局部總線，CPCI總線在PCI局部總線的基礎(chǔ)上使用標準針孔連接器，更適用于高可靠性應(yīng)用場合[1]。具有高可靠性、高帶寬、高開發(fā)性和可熱插拔的特點[2-3]。支持132 MB/s的峰值速度(32位總線寬度)，延時時間只需60 ns(33 MHz),并且支持66 MHz的工作頻率。非常適合大容量實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸[4]。
    車載多通道調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)嵌于設(shè)備機箱,對外有32路調(diào)試接口。可實現(xiàn)32路調(diào)試接口同時高速輸出而不影響系統(tǒng)性能。使用示波器連接32路調(diào)試接口就可以實現(xiàn)觀測。同時，車載電子設(shè)備在實際調(diào)試中往往需要調(diào)試信號的輸入。這種輸入信號主要通過信號發(fā)生器提供，信號發(fā)生器需要交流市電才可工作，在現(xiàn)場調(diào)試中使用十分不便。而使用車載多通道調(diào)試系統(tǒng)可以有效解決此問題。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
    車載多通道調(diào)試系統(tǒng)由調(diào)試板卡和配置軟件構(gòu)成。
    調(diào)試板卡在硬件上由FPGA控制器、電源管理電路、參考源電路、轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理電路和時鐘管理電路構(gòu)成。如圖1所示。

    調(diào)試板卡使用FPGA為核心控制器，負責(zé)調(diào)試數(shù)據(jù)和調(diào)試指令的接收、調(diào)試數(shù)據(jù)的管理和轉(zhuǎn)換。調(diào)試板卡使用CPCI總線和并行總線對內(nèi)接口，調(diào)試指令通過CPCI總線進行傳輸，調(diào)試數(shù)據(jù)通過CPCI總線和并行總線進行傳輸。
    電源管理電路負責(zé)各芯片和功能電路的供電，參考源電路負責(zé)提供參考電壓。
    高速模擬量轉(zhuǎn)換電路由轉(zhuǎn)換電路和調(diào)理電路兩個部分組成，轉(zhuǎn)換電路的作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，調(diào)理電路的作用是將轉(zhuǎn)換電路輸出的信號轉(zhuǎn)換成具有較強驅(qū)動能力的相應(yīng)幅值模擬量信號。調(diào)試板卡共有32路模擬輸出，每路分別和FPGA相連，由FPGA提供各個通道的控制信號。每個通道的更新頻率為500 kHz，輸出幅值為-10 V~+10 V。
    時鐘管理電路提供多路獨立時鐘信號，為FPGA內(nèi)部各通信模塊和邏輯單元提供時鐘。
    配置軟件工作在上位機板卡,其作用是通過CPCI總線將配置信息發(fā)送給調(diào)試板卡,以實現(xiàn)對調(diào)試板卡的控制。上位機板卡和PC之間可使用以太網(wǎng)或串口進行通信，通過PC設(shè)置配置信息,配置軟件將參數(shù)傳遞給調(diào)試板卡并實現(xiàn)對調(diào)試板卡的配置。進而實現(xiàn)各個調(diào)試通道的輸出。配置信息包括：各個調(diào)試通道的調(diào)試數(shù)據(jù)來自哪一個功能板卡的哪一個調(diào)試變量；各個調(diào)試通道是否輸出三角波、鋸齒波、正弦波、矩形波，輸出這些波形的頻率、幅值、占空比；各個調(diào)試通道是否輸出；高速并行總線的位寬和通信頻率。
    各個功能卡和調(diào)試板卡之間使用CPCI總線或高速并行總線進行通信。當(dāng)使用CPCI總線時，需要各個功能卡對CPCI接口的支持。并行總線的寬度可以配置為1路32 bit或2路16 bit總線，支持1級流水線寫入模式（需配置）。
    系統(tǒng)運行時，各個功能卡通過CPCI總線或高速并行總線將調(diào)試數(shù)據(jù)實時地傳給調(diào)試板卡，并存儲在調(diào)試板卡內(nèi)存單元中。每次各個功能卡的數(shù)據(jù)傳輸都會將內(nèi)存單元內(nèi)的數(shù)據(jù)更新為最新。每個功能卡設(shè)置的調(diào)試數(shù)據(jù)為32路，即針對某一塊功能卡，同一時刻最多可輸出32個變量的實時信息。車載多通道調(diào)試系統(tǒng)的信號流圖如圖2所示。

    車載調(diào)試系統(tǒng)的使用方法大體如下：
    (1)機箱內(nèi)各功能卡通過高速并行總線或者CPCI總線，將需要調(diào)試輸出的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到車載多通道調(diào)試板卡。
    (2)車載多通道調(diào)試系統(tǒng)上位機控制界面配置32路調(diào)試輸出通道的信號源、高速并行總線設(shè)置。并使能各通道的輸出。如果需要輸出測試信號，需要配置測試信號的類型、頻率、幅值和占空比。
    (3)通過示波器可以觀測各個調(diào)試通道的波形。
2 FPGA控制器的設(shè)計
    車載調(diào)試系統(tǒng)使用Xilinx公司的Spartan-6系列的xc6slx100作為核心控制器。使用PCI軟核構(gòu)建標準32位PCI接口，這樣可有效地利用FPGA的內(nèi)部資源，在提高系統(tǒng)的集成度的同時保證系統(tǒng)的性能[5]。從圖3中可以看出，核心控制器內(nèi)部組成由通信單元、邏輯處理單元、內(nèi)存管理單元、轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動單元和時鐘管理單元幾個部分組成。其中通信單元由PCI總線控制單元、高速并行總線通信單元構(gòu)成，負責(zé)從CPCI總線和高速并行總線接收數(shù)據(jù)和指令；邏輯單元會實時監(jiān)控CPCI總線上傳輸過來的配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)的地址是固定的。根據(jù)配置數(shù)據(jù)管理內(nèi)存和轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動。邏輯單元會根據(jù)配置數(shù)據(jù)配置并行總線，可配置成1路32位并行總線或者2路16位的并行總線。邏輯單元監(jiān)控高速并行總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，根據(jù)并行總線通訊協(xié)議，判斷調(diào)試變量的來源和存放的位置。

    時鐘管理單元負責(zé)處理外部時鐘電路輸入的獨立時鐘，一方面為高速并行總線提供時鐘支持，另一方面為其他邏輯單元提供時鐘來源。高速并行總線的時鐘頻率由邏輯單元通過配置信息進行配置。通信頻率可調(diào)范圍為10 MHz~40 MHz。
    內(nèi)存管理單元負責(zé)存儲從PCI和高速并行總線接收到的相關(guān)調(diào)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯單元處理后存放在內(nèi)存管理單元相應(yīng)的內(nèi)存地址。同時內(nèi)存管理單元向各個轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動單元提供接口，各個轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動單元可以在64個FPGA內(nèi)部時鐘周期之內(nèi)完成全部的數(shù)據(jù)更新。
　轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動單元負責(zé)驅(qū)動32路模擬量轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動單元根據(jù)芯片的控制時序提供調(diào)理板卡32路轉(zhuǎn)換電路芯片的管腳驅(qū)動電平，為每一路轉(zhuǎn)換電路提供500 kHz的數(shù)據(jù)更新速度。
　邏輯處理單元連接FPGA內(nèi)部的各個功能單元，負責(zé)整個FPGA的內(nèi)部邏輯和功能管理。
3 應(yīng)用實例
    車載多通道調(diào)試系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于CRH5型動車組國產(chǎn)化牽引控制單元，在國產(chǎn)化牽引控制單元的研發(fā)調(diào)試過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能和較高的可靠性。通過上位機配置軟件可以方便地輸出響應(yīng)測試變量的波形，同時還可以輸出測試波形，為系統(tǒng)調(diào)試服務(wù)。在車載環(huán)境中，使用車載多通道調(diào)試系統(tǒng)，極大地方便了調(diào)試人員對測試設(shè)備的檢測。圖4為在現(xiàn)場環(huán)境使用示波器連接17個調(diào)試通道的顯示波形。從圖中可以方便地分析系統(tǒng)各個變量的運行情況。

    車載多通道調(diào)試系統(tǒng)和系統(tǒng)CPCI總線相連，可根據(jù)系統(tǒng)配置快速輸出相應(yīng)的模擬量信號。此系統(tǒng)可以同時輸出32路16位高精度模擬量信號，每一路信號的輸出刷新頻率為500 kHz，每一路輸出的內(nèi)容通過高速并口和CPCI總線獲得，此系統(tǒng)不會因輸出通道的增加而降低輸出頻率。此系統(tǒng)可以通過設(shè)置輸出正弦、矩形波、三角波、鋸齒波等測試信號，各種信號的頻率、幅值、占空比、斜率等參數(shù)可以通過CPCI總線進行配置。車載多通道調(diào)試系統(tǒng)為車輛運行環(huán)境下的設(shè)備測試提供了極大的便利，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。
參考文獻
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