PDF《入门手册》

5 嵌入式系统:测试和测量挑战 入门手册 挑战性环境:现代电子设备预计将提供最新的性能和 功能及可靠性,并能够在变化的环境中运行.飞机航 空电子明确预计将在极端的温度和高度中工作,即使 是消费电子设备,也必需在人们工作或娱乐的任何地 方工作.必需使用强大的测试工具,在实验室中测试 产品极限, 保证这些设备在变化的条件和环境中共存, 而没有电气干扰. 在本入门手册中,我们将详细考察嵌入式系统的各种单 元,介绍实现中出现的部分挑战,通过新一代测试测量 工具,我们可以有效解决这些挑战. 图1.1. 典型 MP3 音乐播放器的方框图.象许多嵌入式计算设备一样,MP3 播放器使用混合信号,其中包含 USB 数字串行总线、 数字信号处理器、连接存储器的数字并行总线、数字模拟转换器和模拟放大器. LCD 显示屏 用户功能键 NAND 闪存 SD 主机 控制器 SD 卡或CF 智能媒体 整流桥 电源 晶体管或 MOSFET Schottky Barrier 二极管 电压 调整器 电池充电器 运算放大器 电池 图例 处理器 接口 放大器 逻辑 电源 模数转换器 / 数模转换器 存储器 其它 嵌入式设计的各种单元 图1.1显示了使用嵌入式技术的典型现代设备, 说明了通 常使用的设备. 嵌入式系统的大脑一般是微处理器、微型控制器或数字 信号处理器(DSPs).其它类型的处理设备是专用集成电 路(ASICs)和现场可编程门阵列(FPGAs).FPGA 是一种 可编程集成电路设备,通过编程完成更多的任务 .这些 设备用于各类任务,如合并系统中的功能,完成要求专 用计算能力的任务, 等等. FPGA的主要优势是其能够重 复编程,这可以明显缩短设计时间,同时增加功能,降 低设计总成本.

6 www.tektronix.com/embedded 嵌入式系统:测试和测量挑战 入门手册 模拟 / 数字转换器(ADC)、数字 / 模拟转换器(DAC)、传 感器和变频器提供了与物理世界的接口.这些设备的重 要角色是把信息从模拟世界转换成数字数据及接收数字 数据、然后回传到模拟环境.这些单元在特定设计中的 数量取决于设备和应用类型. 随着设备内部嵌入式硬件单元数量不断提高,这些单元 之间的通路数量也会提高.由于其它关键推动因素,如 需要使成本最小化(需要以最优方式利用电路板空间)和降 低尺寸, 仅使用并行总线连接所有这些单元是不可行的. 这导致使用串行总线的设计数量迅猛增长,其一般只要 求少量连接,相比并行总线则要求大量的连接.尽管大 多数嵌入式设备的速度比不上高性能计算系统,但它们 采用许多行业标准串行总线,通常会结合使用不同的总 线.有些嵌入式设备则同时采用并行总线及低速串行总 线和高速串行总线. 嵌入式系统设计一般使用低速串行总线,如I2 C, SPI, RS-232, FlexRay, CAN, LIN 和USB.这些串行总线非 常复杂,给验证和调试带来严峻的挑战.工程师需要集 成了串行触发、协议解码和全方位分析功能的工具.此外,性能领先的嵌入式设计采用速度更高的串行总线, 如以太网、PCI-Express、SATA 或HDMI.工程师需要 测试仪器和软件提供高速串行数据采集、调试、验证和 一致性测试功能.在许多情况下,并行总线在处理系统 与依赖 DDR 等技术的存储设备之间提供了最好的接口. 因此,除了串行总线功能外,工程师还需要测试工具善 于调试并行总线问题. 嵌入式设计的关键测试挑战 工程师面临的关键测试挑战之一是能够采集和监测不同 的信号和协议.设计工程师必需能够生成各种信号,测 试被测设备(DUT)的极限, 确定设计在实际环境中的行为 结果.他们需要测试解决方案能够捕获及可视化复现这 些信号,以检验信号完整性.他们需要在一条总线上多 个数字信号之间的精密定时信息,调试建立时间和保持 时间违规.在许多情况下,在硬件工程师和软件工程师 合作调试某个问题的根本原因时,他们要求能够查看总 线上的信息,不仅包括电气表示,还要包括较高的提取 等级,如微处理器的汇编码代码或串行总线协议的解码 图. 许多设计由大量的硬件组件执行特定任务,这些任务可 能位于电路板的不同部分.为保证组件之间正确交互, 嵌入式工程师需有对 DUT(被测设备)系统级的视角.挑 战是保证组件操作同步,这意味着测试设备必需能够提 供与定时性能有关的准确信息,同时创建更高级的提取 和分析功能. 在开发过程中的许多情况下,并不是所有组件都可供测 试,因此必需 复现 或仿真没有组件的信号,去测试 设备的整体运行情况.如果信号有复杂的波形,可以使 用示波器采集一次信号,然后使用任意波形发生器复现 信号. 在其它情况下, 需有意在输入信号中包含抖动、 噪 声或其它异常事件对组件进行极限测试,确定其处理损 伤输入信号的能力. 任意波形/函数发生器和任意波形发 生器是生成这些信号使用的首选工具. 把探头连接到 DUT 提出了另一个挑战.设备物理尺寸 小、电路板上需要测试的点数量多及任何探头都会增加 电容负载、改变DUT的运行特点,这一切因素都提高了 探测挑战.探测解决方案必需设计成使电容负载达到最 小,工程师可以更简便地连接到 DUT,同样要能够迅速 确定哪只探头(或探头引线)与测试仪器屏幕上的哪条曲线 相关联. 下面几节介绍嵌入式系统的各个单元及其带来的测试挑 战. www.tektronix.com/embedded