嵌入式系统硬件调试方法的研究与设计.doc

嵌入式系统硬件调试方法的研究与设计总第43卷第484期2006年第4期电测与仪表EleccalMeasurement&InstrumentationVo1.43No.484Apr.2006嵌入式系统硬件调试方法的研究与设计宰职燕,蒋存波,徐健,吕鑫,李耀奇(桂林工学院电子与计算机系,广西桂林541004)摘要:针对嵌入式系统开发过程中的硬件调试环节,制作简易调试工具,通过模拟CPU控制信号及工作时序的静态调试方法,对开发系统电路组件进行快速全面的测试,及时给出系统硬件故障的定位.关键词:嵌入式系统;硬件调试;静态调试;时序信号中图分类号:TP306文献标识码:B文章编号:1oo11390(2006)04004903ResearchandDesignonaHardwareDebugMethodfortheEmbeddedSystemZHIYan,JIANGCun-bo,XUjian,LVXin,LIYao-qi(DepartmentofElectronicsandComputer,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,Guangxi,China)Abstract:Introduceastaticdebugmethodforhardwareoftheembeddedsystem.ItsimulatestheCPUcontrolsignalsandschedulingbyfacilitytexttoo1.Thesystemlccircuitisfastandroundlytested.Andthefaultofthesystemichardwareisfoundedtimely.Keywords:embeddedsystem;hardwaredebug;staticdebug;schedulingsignal0引言嵌入式系统是面向应用的专用计算机系统,当前已渗透到了人类生活,工作的每一个角落.随着应用领域的扩展,功能要求的提高,其软硬件组成变得日趋复杂.嵌入式系统的硬件调试是嵌入式系统开发的基础,对于工业化大批量生产过程,可以设计专用的调试仪器,但对于研制阶段或实验室的小批量生产,硬件调试是一件比较困难的工作.本文针对嵌入式系统开发过程的特点,给出了一种经济,简单,有效的测试方法.图1嵌入式系统硬件框图?广西区科技攻关项目(挂科攻0235009-5,挂科攻033005-12)1嵌入式系统的硬件特点殛调试方法1.1嵌入式系统的硬件特点嵌入式系统以嵌入式微控制器为核心,还可能包含锁存器,译码器,存储器以及键盘,显示接口和通信接口等,有些系统还会包含模拟信号处理电路,例如放大器,滤波器,A/D接13和D/A接口等.一个嵌入式系统的结构如图1所示.模拟电路有成熟的调试方法和仪器,在这里我们仅讨论数字电路部分,包括与数字信号相关的电路,例如AID接口和D/A接13等电路的调试方法.1.2嵌入式系统的硬件调试方法嵌入式系统通过微控制器产生所需要的控制信号,控制整个系统完成特定的功能操作.这些信号反映到微控制器的外部引脚上,实际上就是CPU外部引脚的时序信号.只要我们能模仿CPU产生特定的时序控制信号,就可以在不依赖微控制器程序运行的情况下,独立对系统的硬件进行调试.当前有许多单片机的仿真器可供选用,但它们都有一个共同的缺点就是不能进行单时钟信号的调试,仅能指令级调试.在多款嵌入式系统的开发过程中,使用时均感到对系统硬件故障的定位还有一定困难,因此,笔者通过模一49总第43卷第484期2OO6年第4期电测与仪表ElectrlcalMeasurement&InstrumentationVo1.43No.484Apr.2006仿CPU产生其时序信号,可方便的进行系统硬件的vcc调试及故障定位.下面仅以当前各工业控制领域广泛使用的MCS一51系列微控制器构成的嵌入式系统调试为例,说明调试方法及应用过程.1.3MCS一51的时序MCs一5l的程序存储器操作见图2,读程序时序见a段,数据存储器写时序见b段,读时序见C段.ALEJ1丽r_r.WR-RD厂一厂广广P2二=>面)<二二面X:PO;abc图2系统运行时的CPU工作时序读程序存储器的CPU时序:首先ALE地址锁存信号有效,将P0口送出地址A0A7进行锁存,而P2口送出的A8AI5一直有效,随后当PSEN信号有效时,将指令操作码读出,并由P0口进入CPU内部,读程序指令完成;读外部数据:首先经Po和P2口送出外部数据存储器单元地址,ALE有效信号产生,锁存A0A7,随后当RD有效时,将A0AI5所决定的外部RAM单元的数据读出,经P0口进入CPU;与读外部数据时序相似,写外部数据时只是在WD有效时,将由Po口送出来的数据内容写入A0A15所决定的外部RAM单元,完成写操作.访问外部扩展I/O接口:8031没有专门的I/O指令,外部扩展I/O接口占用外部数据存储器空间,地址统一编址,所以外部扩展I/O接口和外部RAM的时序是完全一样的.利用逻辑电路产生P0【0.7,P20.7,ALE,RD,WR,PSEN信号,就可以对以MCS一51为核心的嵌入式系统硬件进行调试.由于是利用逻辑电平信号对逻调辑电路进行调试,相对与CPU的运行调试,可以将该方法称为静态调试I1,方法.静态调试方法通过后,说明电路的连接,器件的逻辑功能正确,可转后续的调试.2静态调试方法的实现2.1CPU时序的模拟厦静态调试工具搭建简单的调试工具,其电路见图3.由调试工具的开关产生CPU的相应信号,它们主要是低8位地址/数据信号(PO.OPO.7),高8位地址信号(P2.0P2.7),外部数据存储器的读控制信号一5O一图3测试工具电路图RD和写控制信号WE,外部程序存储器读控制信号PSEN,地址锁存信号ALE.这些开关信号一方面经过驱动电路后作为CPU的时序仿真信号,另一方面又通过一个反相驱动器驱动一组LED信号灯,作为状态指示.信号为1,灯亮,否则相应灯灭.P0.0P0.7作为双向传输口,DIR=RD?PSEN,为0时信号由B_+A进行显示,否则为1时信号由A_+B作为输出信号,其它信号为单向.仿真信号接到一个与CPU封装相同的插头上,它与CPU信号一一对应.将该插座插到待测系统调试板的CPU位置,就可进行调试操作.静态调试完成后,换成CPU,就可进行正常的后续开发工作.2.2调试方法举例通过模拟产生CPU工作时序及控制信号完成不同的操作过程对待测系统的电路板各个模块加以调试,可以方便的将系统电路组件进行全面检查,快速给出故障定位,这里我们仅以端口访问排除相关电路组件故障为例对调试方法的使用加以说明.待测系统相关硬件电路组成见图4所示.在端口处可配合安装与调试工具相类似的调试显示图4I/O端口电路连接示意图总第43卷第484期2006年第4期电测与仪表E1ectile81Measurement&InstrumentationVo】.43Nm484Apr.2006电路圆,使得调试过程快速简单,连接调试工具,模拟CPU的工作时序,检测每一个有效控制信号产生时电路组件的执行情况.访问外部扩展I/O端口调试过程如下:使用调试工具通过开关Sa0Sal5产生端口地址,系统加电,ScA拨动产生一个ALE正脉冲,此时P0.0P0.7作为地址低8位信号被锁存在iC3(373)中,P0口的状态变化不影响373的输出,这样就可确认地址锁存功能正确.I2El接IC2驱动输入端,通过测试IC2输出的各引脚信号可以判断高8位地址信号相关电路是否正确.IC2正确,则继续测It6译码器输出信号.写数据端口测试:开关Saa7产生数据信号,P0口接IC4驱动输入,通过测试IC4输出的各引脚信号可以判断数据信号相关电路是否正确,然后将开关ScW闭合,给出有效的写控制信号,经IC5(244)驱动送出,测试对应引脚为低电平,IC5正确,WE信号与IC6译码器输出有效信号同时作用选通IC7(373)输出接口,向接El写人数据,端El调试显示电路所获得数据和送出数据信号一致.读数据端El测试:此时应注意将调试工具开关Sa0Sa7全部断开,否则会被Po.0P0.7送回的信号对地短路.闭合开关ScR,给出有效的RD信号,经IC5(244)驱动送出,RD信号与IC6译码器输出有效信号同时作用选通IC8(245),将输入接13设置数据读回Po口并送往调试工具,调试工具显示数据同端口送出数据.通过控制信号有序的产生,单步的执行,逐级的检测,完成相关器件,线路故障的排除工作.其它电路模块相关电路组件的调试与此相似.使用简易的调试工具,通过控制开关的状态来模拟CPU工作时序和控制信号,在无需运行目标单片机和编写调试程序的条件下,就完成了嵌入式系统基本电路板组件检测,全面快速的将故障定位并清除,使得嵌入式系统的硬件调试周期有所改善,效率有了明显的提高.3结束语本文作者在参与完成的多维数控系统,CNC精密成型磨削设备数控技术研发,粉状物料运输车自动卸料控制系统,罐状体自动焊接设备智能控制系统等多项智能控制系统的开发过程中,曾多次使用了这种模拟系统目标单片机CPU时序及控制信号的调试方法,对系统中的硬件电路板,电路组件进行了全面,快速的检查,准确地给出了故障定位,加快了系统开发过程中调试环节的速度,提高了整个系统开发的效率.实践证明了此方法的可行性和可靠性,具备简单,易行,高效的特点.参考文献1李伯成.MCS-51单片机的嵌入式系统设计【M】.电子工业出版社,2004.2邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法【M】.清华大学出版社,2004.作者简介:职燕(1978-),女,硕士研究生,主要研究方向为计算机应用.蒋存波(1962一),男,副教授,硕士生导师.主要研究方向为计算机应用.自动化控制,嵌入式系统.徐健(1980-),男,硕士研究生.主要研究方向为检测与控制技术.吕鑫(1982-).男.硕士研究生,主要研究方向为自动化控制.李耀奇(1977一),男,硕士研究生,主要研究方向为自动化控制.收稿时间:2006-0121(杨长江编发)(上接第45页)point=ADBUFFER+adconvert_hADBUFFERSIZE一6;Jelsepoint=ADBUFFER+adconvert_num-6;这里应该注意,由于计算突变量时,需要往回找两个周期,每个周期每路采样200个点,共6路,所以每个周期就是要存12oo个采样值,而缓存区大小有限,存到一个固定的值时,就要从头开始,将最先存在缓存区里的值覆盖,这样,如果采集的数据存在开始的24oo单元里,它的前两个周期的采样值会在缓存区的尾部,这样每次指针还要回到尾部去找,比较繁琐.所以,遇到这种情况,就将当前的采样值复制到缓冲区的结尾处,这样,算法不变,指针仍旧向上移动,也可找到前两个周期的样点值.3结束语本文主要从硬件着手设计了电能质量监测系统中数据采集部分,并介绍了辅助电路的连接,然后进行了数据采集的软件设计与实现.实践表明,通过对ADS8364模数转换芯片的合理利用,完全可以达到很高的采样精度,并能满足系统实时化的需要.参考文献【1】邓少军,张振川.电能质量监测设备的发展叨.电测与仪表,2005,(5):79.【2】董其国.电能质量技术问答【M】中国电