摘要：介紹了一種采用單片機、psd、cpld和電壓調(diào)理電路等主要組件設(shè)計的一類針對安全關(guān)鍵系統(tǒng)的信息采集與控制裝置。實際測試表明，這種設(shè)計方法不僅是高效可行的，也是保證測試裝置小型化、集成化、智能化和提高測試系統(tǒng)可靠性的途徑之一。 關(guān)鍵詞：智能測試 安全關(guān)鍵系統(tǒng) 單片機 集成測試 安全關(guān)鍵系統(tǒng)（safety critical systems,scs）是指系統(tǒng)功能一旦失效將引起生命財產(chǎn)的重大損失、環(huán)境可能遭到嚴重破壞的系統(tǒng)，在航天、能源、國防等許多領(lǐng)域中廣泛存在。許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)具有多輸入-多輸出的強耦合性、參數(shù)時變性和非線性特性等。高速發(fā)展的電子技術(shù)使得scs電子系統(tǒng)的集成度、復(fù)雜度越來越高，受控對象也日益復(fù)雜，這對系統(tǒng)的安全性、運行的正常性評估與決策提出了更高的要求，某些關(guān)鍵部件甚至需要使用期零故障。scs的測試數(shù)據(jù)是對其進行全面、準確、智能評估、故障診斷和決策的基礎(chǔ)。此外，許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)還具有嚴格的體積重量限制，要求運行其上的嵌入式測試系統(tǒng)體積小、重量輕，功能完善，同時必須具有較高的可靠性和智能化，以保證測試的正確性，提高測試的可信度。因此小型與可靠是對scs檢測最基本的要求，而測試數(shù)據(jù)安全可靠地高速傳輸也是重點要求之一。 本文介紹的這種小型高集成智能測試裝置，應(yīng)用于一類安全關(guān)鍵系統(tǒng)電子學(xué)設(shè)備綜合測試系統(tǒng)中。其作用是對安全關(guān)鍵系統(tǒng)的重要狀態(tài)和參數(shù)進行實時控制和測量，完成大量的數(shù)據(jù)采集和處理以及控制信號的接收和發(fā)送等諸多功能。由于對系統(tǒng)的運算速度、接口資源、穩(wěn)定性以及成本等有著非常高的要求，因此其測試數(shù)據(jù)、分析曲線、顯示圖表和指示結(jié)果是分析、判定安全關(guān)鍵系統(tǒng)性能和工作狀態(tài)的重要依據(jù)，同時為相關(guān)的決策、指揮、控制提供依據(jù)和手段。1 系統(tǒng)設(shè)計與工作原理1．1 系統(tǒng)構(gòu)成 小型高集成智能測試裝置采用80c196單片機+psd+cpld的結(jié)構(gòu)，再加上模擬信號的匹配電路，可完成模擬量及數(shù)字量的采集，使系統(tǒng)的電路設(shè)計簡單；psd及cpld均為在系統(tǒng)可編程器件，使大量的硬件設(shè)計轉(zhuǎn)換為軟件設(shè)計，i/o接口擴展方便 。上位機主要通過標準接口對測試系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)進行傳輸和參數(shù)裝訂及控制。scs電子學(xué)綜合測試主要包括scs關(guān)鍵組件測試、地面外圍測控及其數(shù)據(jù)傳輸及處理。其功能框圖如圖1所示。 1．2 小型智能測控裝置的構(gòu)成 小型智能測控裝置主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、靜態(tài)檢測模塊、遠程參數(shù)裝訂模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊。由于scs對電子控制部件有嚴格的體積和重量要求，測控裝置應(yīng)按照系統(tǒng)的要求設(shè)計，使得體積、重量盡量小且功能完善，以便確何系統(tǒng)的可行性。 在測試裝置設(shè)計過程中進行了許多優(yōu)化和改進。其基本體系采用微控制器加外圍接口模塊的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件時，采用高集成度的器件，包括80c196單片機、可編程外圍器件psd以及復(fù)雜可編程邏輯陣列cpld等，提高了系統(tǒng)集成度，并且還提高了系統(tǒng)硬件的可靠性及靈活性。 外圍接口模塊采用復(fù)雜可編程門陣列cpldmax7256，硬件設(shè)計進一步軟件化。一片cpld器件替代了多片74系列器件，如138譯碼器、多路開關(guān)、244驅(qū)動器、與門、或門等，大大減小了板卡體積。由于cpld為可編程，使設(shè)計更為靈活。max7256有5000個門，256個宏單元，16個邏輯陣列塊，164個i/o口，支持多電壓i/o接口，滿足系統(tǒng)要求，并有一定冗余。在設(shè)計階段對cpld的設(shè)計通過eda工具進行仿真，包括功能、時序、emc/emi的模擬仿真，在完成pcb板之前，就做好了充分的測試驗證。 另外，選用了集成度更高的單片機外圍接口器件psd4235。psd4235芯片是wsi公司新推出的psd4000系列產(chǎn)品，可以為16位和32位的微控制器以及dsp提供在系統(tǒng)可編程的并發(fā)閃速存儲器、sram、可編程邏輯和額外的i/o。其片內(nèi)集成了4m位的閃存存儲器，256kbit的用于引導(dǎo)數(shù)據(jù)的次閃速存儲器，256kbit的sram，16個輸出微單元、24個輸入微單元的cpld，譯碼pld，52個可單獨配置的i/o端口，jtag串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元。psd芯片對地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件psdsoft express實現(xiàn)。psd4000系列器件是在應(yīng)用中可編程（in application re-programming，iap）的，也就是說，它們可以在不影響系統(tǒng)運行的情況下，在現(xiàn)場遠程地進行再編程。這種功能對于需要在現(xiàn)場進行代碼/數(shù)據(jù)更新的系統(tǒng)特別有用，如全球定位系統(tǒng)（gps）、汽車控制系統(tǒng)以及醫(yī)療儀器等。測控裝置電路原理圖如圖2所示。 1．3 信號采集 在實時測量和控制系統(tǒng)中，對信號的采集要求可靠、準確、快速地完成。被測量的回路一般有幾十或上百個，而且采集信號種類多，包括模擬量信號和數(shù)字量信號，因此測試工作應(yīng)具有很強的實時性，同時對數(shù)據(jù)采集的抗干擾能力也應(yīng)