梁炳春1，孫韶媛1，李春陽1，趙海濤2

　　（1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620；

　　2.華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237）

　　摘  要： 應用于宇航領域的新型元器件必須經(jīng)過嚴格的性能功能的驗證，傳統(tǒng)的驗證平臺是針對特定的待驗證器件設計的，不同的器件需要設計不同的驗證平臺，使得驗證工作周期長、成本高、可移植性差。本文介紹基于FPGA控制器設計出的新型元器件通用驗證方法，硬件由通用驗證平臺和功能應用子板兩部分組成。軟件包含有上位機調(diào)試工具、命令解析模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)智能處理模塊等。解決了新型元器件驗證周期長、成本高、難以實時控制和智能數(shù)據(jù)分析等缺點。用此方法已成功對芯片JS71238進行了性能功能的驗證，取得了理想的驗證效果。

　　關鍵詞： FPGA；新型元器件；自動驗證方法；通用性

0 引言

　　目前，我國宇航事業(yè)進入快速發(fā)展階段，新型航天器和新一代運載火箭對配套元器件的性能、功能、可靠性和適應性提出了更高的要求，因此新型元器件性能的驗證工作對確保航天事業(yè)順利快速發(fā)展起著至關重要的作用。目前，對宇航元器件的應用驗證的研究大多是基于系統(tǒng)工程方法上的理論研究，主要是對新型元器件驗證的工程路線、技術體系、方法工具等提出了理論上的框架，并且大多數(shù)的實施方案是面向特定的被測元器件設計出一套專用的驗證設備，這樣就造成了驗證工作成本高、周期長、可移植性差[1]的問題。針對這些不足，基于國內(nèi)外對宇航元器件應用驗證的研究及工程實踐，本文設計出一種通用性強、應用范圍廣、自動化程度高、功能齊全的元器件應用驗證平臺和方法，使宇航元器件的驗證工作變得極為智能、便捷、高效、準確，為我國航天工程的快速發(fā)展提供了先進的技術方法。

1 通用應用驗證平臺分析

　　為了實現(xiàn)對不同元器件的性能功能的驗證，設計出如圖1所示的自動驗證系統(tǒng)，驗證系統(tǒng)由通用驗證平臺、功能應用平臺和配套的測試向量等組成，控制母板的核心是一塊Xilinx的V5FX100T FPGA芯片[2]，控制著驗證平臺中的各項功能模塊，并負責驗證裝置與通信終端的顯示鏈接[3]。驗證子板為各類待驗證器件及外圍電路，只需設計待驗證芯片的外圍應用電路即可搭載在該平臺上進行驗證工作。

　　控制母板是整個驗證平臺中的核心模塊，負責數(shù)據(jù)傳輸、A/D采集、對元器件的指令操作、指令采集譯碼和測試環(huán)境的控制等重要功能[4]。母板通過RS485總線與監(jiān)控計算機連接，監(jiān)控計算機通過RS485發(fā)送指令，控制母板通過通信接口發(fā)送檢測的數(shù)據(jù)。OC指令發(fā)送用于控制驗證子板的被驗證元器件和外圍電路器件。D/A輸出用于對某些特定要求的電壓源輸入的精確控制。A/D采集被驗證元器件的電壓值、溫度量和電流檢測電阻的電壓值。通過FPGA對采集到的信息數(shù)據(jù)進行緩存和封裝，對接收到的指令進行譯碼，發(fā)送控制信號和地址數(shù)據(jù)[5]。

2 基于通用驗證平臺的JSR71238芯片應用驗證

　　2.1 驗證目標

　　JSR71238為16路RS422收發(fā)器芯片，包括16位驅(qū)動器和16位接收器。驅(qū)動器接收CMOS數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成RS422電平信號輸出。接收器接收RS422兼容的差分輸入信號，轉(zhuǎn)化成CMOS輸出信號。其功能性能驗證主要從驅(qū)動功能驗證、自閉環(huán)驗證、接收功能驗證及器件功耗驗證四個方面展開。

　　2.2 驗證過程分析

　　依據(jù)通用驗證平臺提供的接口定義，在功能子板上構(gòu)建所需要的應用電路，對測試向量進行修改達到驗證不同元器件的目的。驗證過程框圖如圖2所示[6]。

　　通用驗證平臺上FPGA包括通信模塊、指令解析模塊、命令執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，主要功能是接收來自終端PC設備的指令并發(fā)送指令控制子板，采集由子板反饋回來的數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給終端PC設備；終端PC設備通過上位機軟件向FPGA發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)，監(jiān)控FPGA的狀態(tài)，接收來自FPGA的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、診斷，圖形化顯示出測試的結(jié)果。子板通過軟排線與通用驗證平臺相連。

　　通信模塊用于上位機和FPGA的通信，是信號傳輸?shù)奈ㄒ煌ǖ?。在FPGA中實現(xiàn)UART的功能很方便、靈活，因此采用UART來完成數(shù)據(jù)的傳輸[7]。在數(shù)據(jù)接收時，接收模塊將輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)暫時存儲到接收FIFO中，由數(shù)據(jù)處理操作讀取數(shù)據(jù)進行處理，執(zhí)行后再寫入到發(fā)送FIFO中，發(fā)送模塊再把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機軟件。可傳送數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)包等格式。通信模塊總體框圖如圖3所示[8]。

　　指令解析模塊主要負責指令的譯碼操作，對來自上位機的指令按照規(guī)定好的協(xié)議進行翻譯，譯為子板可以執(zhí)行的指令[9]。指令譯碼表如表1所示。

　　命令執(zhí)行模塊把解析出的數(shù)據(jù)傳送給子板的接收器接口，同時把由上位機設定的原始數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)邏輯判斷模塊，作為參考數(shù)據(jù)，對子板上的元器件對應功能進行判定。數(shù)據(jù)采集模塊以一定的頻率采集由子板上的元器件發(fā)送出的數(shù)據(jù)，送給數(shù)據(jù)邏輯判斷模塊來進行分析、比較。

　　數(shù)據(jù)的邏輯判斷模塊按照一定的算法對采集回來的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果分析出待驗證芯片的功能性能[10]，運算的狀態(tài)機如圖4所示。

3 實驗結(jié)果

　　測試JSR71238在不同的波特率下的通信性能，在 1 min的時間內(nèi)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察并分析數(shù)據(jù)的錯誤率和消耗的功率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

　　通過對JSR71238芯片自閉環(huán)驗證，其驅(qū)動功能和接收功能均達到技術指標，其功耗也在元器件允許范圍內(nèi)，在自動驗證平臺上完成了新型元器件的驗證工作。

4 結(jié)論

　　該驗證方法具有通用性和智能性，可以對不同的驗證目標提供不同類型的信號接口，可以對數(shù)據(jù)進行自動比對、診斷和修正，分析結(jié)果以圖形化的界面顯示出來，更直觀清晰，可以搭載不同的驗證元器件子板，具有通用性。以上都是在不改變驗證平臺硬件條件的情況下實現(xiàn)的，若要驗證不同的元器件只需要設計對應的子板外圍電路和配套的測試向量，即可完成元器件驗證工作。驗證不同的元器件，以上的平臺可重復利用，依靠上位機的測試軟件設置即可完成測試，無需再花費時間和成本設計出新的驗證板，極大地提高了驗證效率，節(jié)約了驗證成本，加速了項目的研制過程。

　　參考文獻

　　[1] 黃麗.百萬門級專用集成電路的FPGA驗證[D].西安：西安電子科技大學，2007.

　　[2] Xilinx.Virtex-5 FPGA User Guide[R]. 2009.

　　[3] 何賓.Xilinx FPGA設計權威指南[M].北京：清華大學出版社，2012.

　　[4] 張凱虹.一種FPGA驗證與測試的方法介紹[J].計算機與數(shù)學工程，2010（9）：70-72.

　　[5] 李洪濤，朱曉華，顧陳.Verilog HDL與FPGA開發(fā)設計及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

　　[6] COFER R C， BENJAMIN B， HARDING F. FPGA快速系統(tǒng)原型設計權威指南[M].吳厚航，姚琪，楊碧波，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

　　[7] 孫航.Xilinx可編程邏輯器件的高級應用與設計技巧[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

　　[8] 馮子陵，俞建新.RS485總線通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2012（20）：215-218.

　　[9] 廉玉平，韓燕.大規(guī)模數(shù)字集成電路中的驗證技術及其應用[D].杭州：浙江大學，2010.

　　[10] 梁駿.芯片設計的驗證技術和驗證流程研究[D].杭州：浙江大學，2004.