（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式mcu的产品检测系统.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪的专 用计算机系统。本系统选用目前基于a r m 技术的3 2 位r i s c 处理器，系统选择 飞利浦公司的l p c 2 1 1 4a r m 芯片。 电子线路板卡( 例如微机的主板，显卡，手机的主板，空调机的变频板， 控制板，汽车电喷控制板等) 是电子产品的心脏，电子产品已经渗透到工作和 生活的每个角落。在电子产品生产和制造的过程中，板卡检测成为生产的最后 环节。本文利用基于a r mm c u 的嵌入式系统设计方法进行设计，完成了检测 系统的硬件设计及实现。 系统硬件方面，设计了以a r m 控制板为核心的扩展电路实现多路信号的分 时输入输出，提供了d a 转换电路和电源电路，讨论了硬件电路的抗干扰措施。 系统软件方面，阐述了检测系统软件的总体设计方案，进行了检测、查询、 传输等的软件设计，应用c 语言进行编程。 该系统方便于实用，可以有效地提高板卡故障检测效率。 关键字：嵌入式系统，a r m ，检测 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t t e s t i n gt h em a l f u n c t i o no ft h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i sav e r yi m p o r t a n t r e s p e c ti nt h ec o u r s eo fp r o d u c i n gp c b a na u t o m a t i cs y s t e mo ft e s t i n gp c bb a s e d o ne m b e d d e dm c ui sd e s i g n e di nt h et h e s i s - - e m b e d d e ds y s t e m s ，w h i c ha r e a p p l i c a t i o n - o r i e n t e d ，c o m p u t e r - t e c h n o l o g y b a s e d a n ds o f t w a r eh a r d w a r e a d j u s t e d t h e3 2b i tr i s cp r o c e s s o r ，a r mt e c h n o l o g y r e l e v a n t ，a n da r mc h i pl p c 2 1 1 4 f r o mp h i l i pc o r p o r a t i o na r ea d o p t e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m s e l e c t r o n i cc i r c u i tb o a r dc a r d ( c 舀m i c r o c o m p u t e rm o t h e r b o a r d , r e v e a l sc a r d ， h a n d s e tm o t h e r b o a r d ，a i rc o n d i t i o n e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，c o n t r o lp a n e l ，a u t o m o b i l e e l e c t r i c i t ys p u r t sc o n t r o lp a n e la n ds oo n ) i st h ee l e c t r o n i cp r o d u c t sh e a r t t e s t i n go f b o a r dc a r de n t e r si n t ot h ee l e c t r o n i cp r o d u c t sp r o d u c t i o na n dt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s t h ef i n a ll i n k t h i st h e s i s ，u t i l i z i n gt h ea r mm c ue m b e d d e ds y s t e md e s i g nm e t h o d , h a sc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n di t sr e a l i z a t i o no ft h et e s t i n gs y s t e m f o rh a r d w a r eo fe t s ，t h i se s s a yh a sp r o v i d e dad e s i g n i n go fa ne x p a n d i n gc i r c u i t b a s e do na r mc o n t r o lp a n n e lt or e a l i z ei n p u to ro u t p u ts i g n a l sb yt u r n s ，d ac i r c u i t a n dp o w e rc i r c u i t ，a n daw o r k i n gm o t h e r b o a r dw i t hs o c k e t a n dt h ed i s c u s s i o no ft h e h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i ta n t i j a m m i n gm e a s u r e f o rt h es o f t w a r eo ft h ee t s ，t h ew h o l ed e s i g n i n gp i c t u r eh a sb e e ne x p l o r e d , i n c l u d i n gt e s t i n g , s e a r c h i n g , t r a n s m i s s i o na n d t h ep r o g r a m m i n gw i t ht h ec l a n g u a g e t h i ss y s t e m s p r a c t i c a lr u n n i n gr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mi sp r a c t i c a b l ea n d c o n v e n i e n t ，a n di m p r o v e st h et e s te f f i c i e n c y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，t e s t 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： i ：； 沙b 年占月必日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指剥雠：耐卅邑学位论文储躲考吣 彳渺多年多月7 , oe 枷7 易年6 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 妒毛年6 具 另卸7 | ye t 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 电子线路板卡( 例如微机的主板，显卡、手机的主板、空调机的变频板、 控制板、汽车电喷控制板等) 是电子产品的心脏，而随着生产和消费水准的提 高，电子产品已经渗透到工作和生活的每个角落。在电子产品生产和制造的过程 中，板卡检测成为生产的最后环节。现代化生产线的产能越来越高，一条生产 线每几分钟流出一块板卡，甚至一分钟生产几块板卡，人工检测显然无法胜任。 另外，人工检测还可能造成主观失误，主观失误包括把合格产品判成不合格的误 判以及不合格的判成合格的漏判。另外，故障寻找是高难度的技术工作，工厂 里具有检、排故障能力的高级技工和技师是非常有限的，在大规模生产的情况 下，根本没有足够有经验的技术人员来应付故障检测。 随着科学技术和生产力的发展，各种检测系统的组成越来越复杂，对许多 参数的检测精度及可靠性要求越来越高。一方面，要求检测系统具有更高的速 度、精度、可靠性和自动化水平，以便尽量减少人力和提高劳动效率；另一方 面，要求检测系统具有更大的灵活性和适应性，并向多功能化和智能化方向发 展：此外，还要求尽量缩短研制周期和降低成本【l 】。因此，国内很多电子线路板 卡生产企业都希望能有高效、经济的手段来解决板卡的检测问题。电子线路板 卡自动化生产线价格高达数百万，国内目前尚无此类产品自动化生产线的工厂， 与之配套的高品质通用自动检测系统的生产也被国外公司垄断。上广电电子有 限公司的电子线路板卡成品检测系统，目前的来源有自行开发的基于单片机的 检测系统和由定货商提供的基于p c 机的专用检测系统，前者受到国外定货商的 质疑，后者则受制于定货商或者被迫高价购买其提供的检测设备，因此要进行 基于嵌入式系统的产品检测仪器的研制，将自行开发的程序固化到系统的f l a s h 中，利用嵌入式系统自动检测，这样就不存在主观误判的问题，客观判据是经过 严格论证的，已经消除了几乎全部例外的可能性，因而其结果被广泛认可。是 否具有合格的自动化检测系统已被作为流水线开工的必要条件之一。由于劳动 力价格低廉，中国已成为世界的加工中心，而从加工中心走向科技中心需引进 高科技，本课题选题的宗旨是想在这方面有所突破。 第1 章绪论 本课题旨在设计制作一套品质优良实际可用的基于嵌入系统的电子线路板 卡自动检测系统。 嵌入式m c u 是近几年发展起来的3 2 位增强型单片机，与8 位单片机相比 具有更多的有用资源和强得多的功能，用来开发基于嵌入式m c u 的电子线路板 卡自动检测系统是非常合适的，只要规划得好，就可以使设计的检测系统具有 极好的性能。一次开发完成后，就具有优良的通用性，用户仅需要做一个简单 快捷的二次开发，就能满足不同产品板卡的检测要求。所需做的二次开发，仅 仅是根据产品检测技术要求填写一个规则的一维数组，而不需要进行困难的代 码修改，其易用性完全符合工业生产对紧迫性的苛刻要求。 嵌入式系统检测具有极高的检测效率，一般情况下，检测的主要时间消耗 在装夹板卡上，而嵌入系统在程序的支持下进行板卡性能检测的速度是非常高 的，在板卡比较简单的情况下，可以在多拼板的条件下测试，即一次检测多块 板卡，极大的提高了工作效率。 嵌入式系统已经渗透到各个领域，而我们通常所说的a r m 微处理器，已遍 及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市 场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用r i s c 架构的 a r m 微处理器一般具有体积小、低功耗、低成本、高性能、指令执行速度更快、 寻址方式灵活简单，执行效率高、指令长度固定等诸多优点。 1 2 嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统简介 1 嵌入式系统的定义 当今世界，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的数字化技术取得 了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而 且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革 命。现代控制技术、多媒体技术与i n t e m e t 的应用与普及，促使消费电子、计算 机、通信( 3 c ) 一体化趋势步伐加快，嵌入式系统技术再度成为一个研究热点。 2 第1 章绪论 嵌入式系统技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断更新的集成系统。， 计算机是一种对信息加工处理的机器，它有记忆、判断和运算能力，能效 仿人类的思维活动，代替人的部分脑力劳动，并能对生产过程实施某种控制1 2 1 。 计算机是应数值计算的要求而诞生的。在计算机发展的早期，电子计算机技术 一直是以沿着满足高速数值计算的道路发展的。直到2 0 世纪7 0 年代，电子计 算机在数字计算、逻辑运算与推理、信息处理以及实际控制等方面表现出非凡 能力之后，在通信、测控、数据传输等领域，人们对计算机给予更高期望。这 些领域的应用与单纯的高速海量计算要求不同，主要表现在面向控制对象：嵌 入到具体的应用体中，而不以计算机的面貌出现；能在现场可靠的运行；体积 小，运行灵活；突出控制功能，特别是对外部信息的捕捉与丰富的帕功能等。 满足这些要求的计算机与满足高速数值计算的计算机不可兼得，因此m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r 嘣t ) 得以产生并发展。通常，把满足海量高速数值计算的计 算机称为通用计算机系统。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统( e m b e d d e d s y s t e m ) 是控制、监视、或者辅助设备机器和车间运行的装置( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n tm a c h i n e r yo rp l a n t s ) ，这 主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体， 还可以涵盖机械等附属装置。 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层 应用软件系统等组成，它是集软件、硬件于一体的可独立工作的系统、有以下 的特点1 3 1 ： 面向用户、面向产品、面向应用。和通用计算机不同，嵌入式系统的功 耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要 求的制约，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。 高效性、高可靠性。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量 体裁衣，去除冗余，力争以同样的成本实现更强的功能，这样才能在具体应用 的选择面前具有更强的竞争力。 3 第1 章绪论 在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体要求，对系统配置进行裁剪和 添加才能达到理想的性能，甚至根据用户的特殊需要，设计不同的系统以面向 不同的用户。在软件方面，要求代码高质量、高可靠性，要求程序编写和编译 工具的质量要高，以减少二进制代码长度、提高执行速度、节省宝贵的存储空 间。 相对稳定性。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代 也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生 命周期。嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为 载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的生命周期也和嵌入式产品一样长。另 外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的 跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳 定。 嵌入式微处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时 间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、应用产品是一套 复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中 的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 系统软件( o s ) 一般要求较高的实时性。在多任务嵌入式系统中，对重要 性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键， 单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化 编写的系统软件来完成，因此系统软件的实时性是基本要求。 嵌入式系统已经深入到我们生活的每一个角落，应该肯定地讲我们每一位 在现代生活中无时无刻不在使用着嵌入式系统有关的产品，它所涉及的领域广 泛到我们的想象力能及的任何地方，智能小区，门禁管理，机器人汽车等。 3 嵌入式系统的分类 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的模板功能，这样可以大幅 度减小系统体积和功耗。嵌入式处理器主要包括a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、 p o w e rp c 、m i p s 和a r m 系列等。 4 第1 章绪论 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、 脉宽调制输出、a d 、d f a 、f l a s hr a m 和e e p r o m 等各种必要功能和外设。为 适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产 品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装，这样可以 使单片机最大限度和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微控制器的片上外设比较丰富，适合于控制，因此成为微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8 0 5 1 ，p 5 1 x a ，m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 ，m c 6 8 h c 0 5 11 1 2 1 6 ， 6 8 3 0 0 和数目众多的a r m 芯片等。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 及谱分析等方面 d s p 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正在从通用单片机以普通指令实现 d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系 列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅 片上实现一个更为复杂的系统的时代己来临，这就是s o c 。各种通用处理器内核 将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设 计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e 、某些a r m 系列器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片 等。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，一般不为用户所知。 5 第1 章绪论 1 2 2 单片机的概况 1 单片机的内部结构 所谓单片机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 是指在一个集成芯片中，集成有微处 理器( c p u ) ，存储器( r a m 和r o m ) 、基本的i o 接口以及定时计数部件，即在 一个芯片上实现一台计算机的基本功能。如果是简单控制对象，只需利用这样 的单片机作为控制核心，不需要增加别的外部设备和扩展某些外部i 0 接口就能 实现。对于较复杂的系统，单片机的应用和i o 接口扩展也很方便。单片机的出 现是随着微型计算机及其c p u 芯片在智能测控系统中的应用而发展起来的。单 片机内部含有一台微型计算机所需要的基本功能部件，基本结构如图1 1 所示。 现对图中各部分分述如下： 图1 1 单片机内部结构 中央处理器c p u c p u 是单片机的核心部件，它通常由前述的运算器、控制器和中断电路等 组成。c p u 进行算术运算和逻辑操作的字长有4 位，8 位、1 6 位和3 2 位之分， 字长越长运行速度越快，数据处理能力也越强。 存储器 在单片机内部，r o m 和r a m 存储器是分开制造的。通常，r o m 存储器容 量较大，r a m 存储器容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。 6 第1 章绪论 i o 接口和特殊功能部件。 i 0 接口电路有串行和并行两种。串行i o 用于串行通信，它可以把单片机 内部并行8 位数据( 8 位机) 变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来 的数据并把它们变成并行数据送给c p u 处理。并行i o 口电路可以使单片机和 存储器或外设之间并行地传送8 位数据。通常特殊功能部件包括：定时器计数 器、a d 和d a 、d m a 通道和系统时钟等电路。定时器计数器用于生产定时 脉冲，以实现单片机的定时控制；a d 和d a 转换器用于模拟量和数字量之间 相互转换，以完成实时数据的采集和控制；d m a 通道可以使单片机和外设之间 实现数据的快速传递。总之，某一单片机内部究竟包括哪些特殊功能部件以及 特殊功能部件的数量是和它的型号有关系。 2 单片机的主要应用 由于单片机的硬件结构与指令系统的功能是按工业控制要求而设计的，常用 在工业检测、控制装置中。单片机具有体积小、可靠性高、结构简单、价格底、 控制功能强、灵活方便等许多优点，所以在家用电器、智能化仪表、工业控制 以及火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。 单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。它在工 业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应 用，可以说，单片机的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之 一1 4 1 。 1 2 3a r m 概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业。该企业设 计了大量高性能、廉价、低功耗的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性 能高、成本低、和消耗耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入式系统控制、 消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。a r m 的设计实现了非常小但性能 高的结构。a r m 处理器的结构的简单使a r m 的内核非常小，这样使器件的功 耗也非常低。 a r m 司是一家口供应商，其核心业务是i p 核以及相关工具的开发和设计。 半导体厂商通过购买a r m 公司的i p 授权来生产自己的微处理器芯片。由此以 来，处理器内核来自a r m 公司、各芯片厂商结合自身已有的技术优势以及芯片 7 第1 章绪论 的市场定位等因数使芯片设计最优化，从而产生了一大批高度集成、各据特色 的s o c 芯片。例如i n t e l 公司的x s c a l e 系列集成了l c d 控制器、音频编解码 器，定位于智能p d a 市场；a t m e l 公司的a t 9 1 系列片内集成了大容量f l a s h 和 r a m 、高精度a d 转换器以及大量可编程i o 端口，特别适合于工业控制领域； p h i l i p s 公司的l p c 2 0 0 0 系列片内集成了1 2 8 位宽的零等待h a s h 存储器以及1 2 c 、 p w m 、u a r t 等传统接口，极高的性价比使它对传统的8 1 6 位m c u 提出了严 峻的挑战。 然而如此众多的高集成度s o c 芯片由于其内核统一于a r m 核心，使得软、 硬件平台的移植变得相当容易，只要掌握了a r m 开发技术的核心，就可以达到 “一通百通”的目的，为用户大大降低了培训、学习的成本，缩短了产品上市 的时间。高集成度s o c 芯片的采用可以带来一系列好处，诸如减少了外围器件 和p c b 面积，提高系统抗干扰能力，缩小产品体积，降低功耗等。 1 a r m 的体系结构 a r m 是精简指令集计算机，因为它集成了非常典型的r i s c 结构特性：一 个大的、统一的寄存器文件；加载存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的 内容，而不直接对存储器进行操作；简单的寻址模式，所有加载存储的地址都 只由寄存器的内容和指令域决定；统一和固定长度的指令域，简化了指令的译 码。此外a r m 体系结构还提供： 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( 剐l u ) 和移位器进行控制，以实 现对a l u 和移位器的最大利用；地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程 序循环的优化：多存储器加载和存储指令实现了数据吞吐量；所有指令的条件 执行实现了最快速的代码执行1 5 j 。 2 a r m 7 t d m i ( - s ) a r m 7 t d m i ( - s ) ( t ：t h u m bd ：d e b u gm ：m u l t i p l i e ri ：e m b e d d e di c e ：l o g i c ) 是 目前低端的a r m 核( 并非芯片。a r m 核与其它部件如砒蝴o m 片内外设组 合在一起才构成现实的芯片) ，具有最广泛的应用，最显著的应用为数字移动电 话。 a r m 7 t d m i ( s ) 是a r m 7 t d m i 的可综合版本( 软核) ，a r m 7 t d m i ( - s ) 是 a r m 通用3 2 位处理器家族成员之一。a r m 7 处理器具有优异的性能，但功耗 8 第1 章绪论 却很低，使用门的数量也很少。a r m 结构是基于精简指令集计算机原理而设 计的，指令集和相关译码机制比复杂指令计算机要简单得多，实现了高的指令 吞吐量；出色的实时中断响应；小的且高性价比的处理器宏单元。a r m 7 t d m i ( s ) 处理器使用冯诺依曼结构，指令和数据共用一条3 2 位总线。只有加载、存储和 交换指令可以对存储器的数据进行访问。数据可以是8 位字节、1 6 位半字或者 3 2 位字。 a r m 公司的口核也由a r m 7 ，a r m 9 发展到今天的a r m l l 版本。a r m l l 囊括了t h u m b 2 ，c o r e s i g h t ，t r u s z o n e 等众多业界领先技术，同时由单一的处理器 内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。 1 3 板卡检测系统的设计思路 首先在板卡上设置好检测点，然后根据技术规格书的要求将每个检测点的 合格范围值( 以下称作界限值) 都录入到检测数组中，同一类型板卡的合格界限 值只需设置一次。每次检测不同类型板卡前，只需要针对不同板卡再修改数组 的值，而不需要修改源程序，这样便实现了检测的通用性。 在检测时，通过一组测试探针( 针床) 给板卡输入控制信号( 例如选通某一 检测点) ，接着将检测点信号通过探针引入a r m 开发板，随后进行a d 转换， 经过处理最终得到可靠的检测值，系统自动将检测值与界限值作比较，若检测 值在界限值之内则判定为合格，否则不合格。 当某检测点不合格时，液晶显示故障提示信息( 例如短路，断路) 。此故障 提示信息事先由一位高水平设计人员根据技术规格书编写，存储在数组内。检 测人员只需要按提示信息，顺序更换相应零件即可解决板卡故障的检修问题。 嵌入式m c u 一次开发完成后，就具有优良的通用性，用户仅需要做一个简 单快捷的二次开发，就能满足不同产品板卡的检测要求。所需做的二次开发， 仅仅是根据产品检测技术要求填写一个规则的一维数组，而不需要进行困难的 代码修改，其易用性完全符合工业生产对紧迫性的苛刻要求。 正如前文所述，传统的人工检测板卡方法效率低下且误判率高，而基于单 片机的检测，虽然效率高但只能针对某一类型的板卡进行检测，当板卡类型发 生变化时，检测程序也要相应地重新编写，无法达到通用性的要求。 嵌入式m c u 很适合用于板卡自动检测系统。嵌入式m c u 是近几年发展起 9 第1 章绪论 来的3 2 位增强型单片机，与8 位单片机相比具有更多的有用资源和强得多的功 能，用来开发基于嵌入式m c u 的电子线路板卡自动检测系统是非常合适的，只 要规划得好，就可以使设计的检测系统具有极好的性能。基于a r m 电路板卡检 测的简单流程如下： 图1 2 电路板卡检测简单流程 1 0 第2 章板卡检测原理 第2 章板卡检测原理 门捷列夫说，检测是认识自然界的主要手段，有检测才有科学。西门子更 干脆的说，检测就是去认识。在科学研究、工业生产和军事领域中，检测是必 不可少的过程。通常所讲的检测是指使用专门的工具，通过实验和计算，进行 比较，找出被测参数的量值或判定被测参数的有无。检测的结果可能是一个具 体的量值，也可以是“有或者“无 的信息。检测技术是研究如何获得被测 参数信息的一门科学，涉及到数学、物理学、化学、生物学、材料学、机械学、 电子学、信息学和计算机科学等很多学科。因此，这些学科的发展都会不同程 度的推进检测技术的发展。 般的说，检测的过程就是用敏感元件将被测参数的信息转化为另一种形 式的信息，通过显示或其它形式被人们所认识1 6 j 。系统在数学上定义为输入信号 z 映射为输出信号y 的唯一性变换或运算，记为 y r x 】 ( 2 1 ) 输入信号可以是一维的时间函数，也可以是多维向量函数；既可以是连续 时间函数，也可以是离散时间信号，输出信号亦然。因为输入输出信号的不同， 系统可被划分为各种不同的类别。 单输入输出与多输入输出系统 如果输入输出均是一维时间信号，称系统为单输入输出系统。如果输入输 出均为多维向量信号，则系统为多输入输出系统。此外还有多输入单输出系统 和单输入多输出系统。 连续时间系统 如果输入输出信号均为连续时间信号，则称为连续时间系统。 离散时间系统 输入输出均为离散时间信号的系统称为离散时间系统。特别的，若输入输 出信号均为离散幅度的离散时间信号( 即数字信号) ，则称为数字系统。 采样系统 若输入时间为连续时间信号o ) ，输出是输入信号的采样_ ) ，o ) ，即 y ( n ) = 线( n t ) ( 2 2 ) 则称为采样系统。 第2 章板卡检测原理 2 1 模拟到数字( a d ) 转换 模拟到数字转换( a d 转换) 是将模拟量转换为一定码制的数字量。进行 a d 转换的器件称为a d 转换器。a d 大多是将电压量转换为数字量，也有先 将电压量转换为时间或频率，然后再经过计数而得数字量。大多数动态测试信 号可转化为电压信号，但模拟信号要提供给计算机做数字信号处理，就必须借 助加转化这座桥梁，数码显示电压值也必须通过a d 转换才实现。所以a d 转换是数字化测量技术的技术基础，它直接影响到测量的准确度、分辨率、转 换速度等重要指标。 在a d 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字 信号是离散量，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间( 亦即时间坐标轴上 的一些规定点) 对输入的模拟信号采样，然后再把这些采样值转换为输出的数 字量。a d 转换过程主要包括采样、量化和编码三个过程组成。采样这一过程是 把输入的连续时间变化的模拟量离散化，即变成时间域上断续的模拟量：量化 过程就是把采样取得的在时域上断续，但是在幅值上连续的模拟量进行量化。 即用相对于最小数字量的信号值的某个整数倍去表示该采样值；编码是把已经 量化的数字量用一定的代码表示输出1 7 j 。 a d 转换器从基本原理分主要有直接比较型和间接比较型两种。直接比较型 a d 是将需转换模拟电压直接作为标准的参考电压相比较，得到数字编码的数字 量，属于这种类型的有逐次逼近比较型、随动跟踪比较型和斜坡电压比较型等。 间接比较型a ，d 转换器在转换过程中不是将输入模拟电压直接与标准的参考电 压相比较，而是将二者都变换为中间物理量再进行比较，然后将比较后得到的 表征比较结果的参数进行数字编码，由于这种变换后在做比较的特点，典型的 是积分型，其中有单积分型、双斜积分型和四斜积分型。以及脉冲调宽型和电 压一频率转换型等【引。 一个理想的连续到离散( c d ) 转换器将一个连续时间信号转换为一个离散 时间信号，每个样本都认为是无限精度的。对于数字信号处理而言，作为一种 近似，图2 1 的系统把一个连续时间( 模拟) 信号转换为一个数字信号，一个有 限精度的序列或量化样本。 第2 章板卡检测原理 图2 1 模拟信号转化为数字信号 a d 转换器将输入电压或电流转换为二进制码，该二进制码代表了最接近于 输入大小的一个量化幅度值。在外部时钟控制下，a d 转换器每t 秒内启动和 完成一次a d 转换。然而，转换不是瞬时的，为此一个高性能的a d 系统一般 都包括一个采样与保持环节【们。 2 2 数字滤波器 在数字信号处理中，如果一个离散时间系统是用来对输入信号做滤波处理， 那么该系统又称数字滤波器( d i g i t a lf i l t e r ，d f ) 1 1 0 l 。数字滤波是提取有用信息 非常重要、非常灵活的方法，是现代信号处理的重要内容。因而在数字通信、 语音图像处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用。相对 于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做 成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等，这些优势决定 了数字滤波器的应用将会越来越广泛。同时d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 的迅速发展也促进了数字滤波器 的发展，并为数字滤波器的硬件实现提供了更多的选择。 2 2 1 数字滤波器的特点 数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的 数字信号处理系统中，随着集成电路和d s p 处理器的发展，数字滤波器的应用 必将越来越广泛。相对于模拟滤波器，数字滤波器具有以下显著优点： 精度高 模拟电路中元件精度很难达到1 0 门以上，而数字系统1 7 位字长就可以达到 第2 章板卡检测原理 l o 弓精度【1 l l 。因此在一些精度要求很高的滤波系统中，就必须采用数字滤波器来 实现。 灵活性大 数字滤波器的性能主要取决于乘法器的各系数，而这些系数是存放在系数 存储器中的，只要改变存储器中存放的系数，就可以得到不同的系统，这些都 比改变模拟滤波器系统的特性要容易和方便的多，因而具有很大的灵活性。 可靠性高 因为数字系统只有两个电平信号l 和o ，受噪声及环境条件的影响小，而模 拟滤波器各个参数都有一定的温度系数，易受温度、振动、电磁感应等影响。 并且数字滤波器多采用大规模集成电路，如用c p l d 或f p g a 来实现，也可以 用专用的d s p 处理器来实现，这些大规模集成电路的故障率远比众多分立元件 构成的模拟系统的故障率低。 易于大规模集成 因为数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，且数字 滤波电路主要工作在截止或饱和状态，对电路参数要求不严格，因此产品的成 品率高，价格也日趋降低。相对于模拟滤波器，数字滤波器在体积、重量和性 能方面的优势己越来越明显。比如在用一些用模拟网络做的低频滤波器中，网 络的电感和电容的数值会大到惊人的程度，甚至不能很好地实现，这时候若采 用数字滤波器则方便的多。 并行处理 数字滤波器的另外一个最大优点就是可以实现并行处理，比如数字滤波器 可采用d s p 处理器来实现并行处理。1 1 公司的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的d s p 芯片 采用8 条指令并行处理的结构，时钟频率为i o o m h z 的d s p 芯片，可高达 8 0 0 m i p s ( m i p s 即每秒执行百万条指令) 【1 2 1 。 2 2 2 数字滤波器的分类 从数字滤波器的单位冲击响应来看，可分为两大类：有限冲击响应( f i r ) 数字 滤波器和无限冲击响应( i i r ) 数字滤波器。i i r 滤波器系统函数的极点可以位于单 位圆内的任何地方，因此可以用较低的阶数获得较高的选择性，所用的存储单 元少，经济而效率高，但是系统函数的极点也可能位于单位圆外，可能会引起 1 4 第2 章板卡检测原理 系统的不稳定。同时i i r 滤波器的相位是非线性的，且它的选择性越好，相位的 非线性就越严重。 相反f i r 滤波器却可以得到严格的线性相位，然而由于h r 滤波器的系统 函数的极点固定在原点，所以只能用较高的阶数来实现其高选择性，对于同样 的滤波器设计指标，f i r 滤波器所要求的阶数要比i i r 高5 至1 0 倍，所以成本 较高，信号延迟也较大。但是如果要求相同的线性相位，则i i r 滤波器就必须加 全通网络进行相位校正，同样也要增加滤波器网络的节数和复杂性。f i r 滤波器 可以用非递归的方法实现，在有限精度下不会产生振荡，同时由于量化舍入以 及系数的不确定性所引起的误差的影响要比i i r 滤波器小的多，并且f i r 滤波器 可以采用f f t 算法，运算速度快。但是不象i i r 滤波器可以借助模拟滤波器的 成果。f i r 滤波器没有现成的计算公式，必须要用计算机辅助设计软件( 如 m 觚a b ) 来计算。由此可知，f i r 滤波器应用比较广，而i i r 滤波器则用在相 位要求不是很严格的场合。 滤波器从功能上分又可分为如下4 类：低通滤波器( 凹f ) 、高通滤波器 ( h p f ) 、带通滤波器( b p f ) 、带阻滤波器( b s f ) 。常用的低通滤波器有r c 滤波器， l c 滤波器、双t 滤波器及有源滤波器等。 检测系统中，主要的抗串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰， 因要避免采样后由于频谱交迭产生不可消除的误差，通常在采样前将高于采样 频率一半以上的干扰用低通滤波器滤除，对直流串模干扰采用补偿措施，本系统 采用移动窗口式五点平滑滤波器。 2 2 3 数字滤波器的实现方法 1 在通用的微型计算机上用软件实现 软件可以是自己编写的，也可以使用现成的软件包，这种方法的缺点是速 度太慢，不能用于实时系统，只能用于教学和算法的仿真研究。比如近年来迅 速发展的m a t l a b ，就几乎可以实现所有数字滤波器的仿真。而且在m a t l a b 下的部分仿真程序还可以通过转化为c 语言，再通过d s p 的c 编译器直接在 d s p 硬件上运行。这对非实时系统或准实时系统来说是很有吸引力的。 第2 章板卡检测原理 2 用单片机来实现 单片机在不断地发展，运算速度也越来越快，而且单片机的接口性能比较 良好，容易实现人机接口。但是由于单片机采用的是冯诺依曼总线结构，系统 比较复杂，实现乘法运算速度较慢，而在数字滤波器中却要涉及大量的乘加运 算，因此这种方法在运算量大的实时信号滤波处理当中很难有所作为。 3 利用专门用于信号处理的可编程瞒p 芯片来实现 与单片机相比，d s p 有着更适合于数字滤波的优点。如，采用改进的哈佛 总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特 性，并有专门设计的适用于数字信号处理的指令系统等。d s p 芯片的这些特点 使得对不允许延迟的实时应用领域，如蜂窝电话、计算机硬盘驱动器等非常理 想【1 3 】。 4 利用特殊用途的d s p 芯片实现 现在国际上己经推出了不少专门用于f i 亿f i r 滤波、卷积等的专用芯片， 如t d c1 0 2 8 可以实现f i r 滤波和相关运算。美国i n m o s 公司推出的i m s a l o o 芯片，可以完成f i r ，f f t 相关、卷积等运算，它可以在2 m s 内完成1 0 2 4 点复 数f f r 运算1 1 4 】。其它的，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o r o n 公司的z r 3 4 8 8 1 ， 也都属于专用型的d s p 芯片。在采用d s p 芯片中，其软件算法己在芯片内部硬 件实现，使用者只要给出输入数据，经过简单的组合即可在输出端得到结果。 这一般用于对速度要求很高的场合。相对于模拟滤波器，数字滤波器在体积、 重量和性能方面的优势己越来越明显。比如在用一些用模拟网络做的低频滤波 器中，网络的电感和电容的数值会大到惊人的程度，甚至不能地实现，这时候 若采用数字滤波器则方便的多。 5 用f p 卧等可编程器件来开发数字滤波算法 由于f p g a 产品的迅速发展，人们可以利用a t e r a 、x i l i n x 等公司提供的产 品，使用其相关开发工具和v h d l 等硬件