一种物联网终端通用测试设备设计*

2021-03-11邓炳光禹斯译闵小芳周维海

电子器件 2021年6期

邓炳光，禹斯译，闵小芳，周维海

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065)

随着物联网技术的快速发展，相应地，对物联网终端测试设备的要求也越来越高。现有测试设备的功能较为单一，需要将多套设备组合起来，才能完成对物联网终端的全方位测试，这导致整个测试系统更加复杂，大大降低了测试的可靠性[1]。而且许多测试设备都是针对企业自身产品进行定制设计，缺乏通用性。因此，为了全面可靠地测试物联网终端，设计了物联网终端通用测试设备。通用测试设备将BNC 接口、电源接口、RS232/RS485 接口等数据传输模块与数字信号输出模块、数字信号采集模块、模拟信号输出模块、模拟信号采集模块和供电模块按信号类型和功能集成到一个设备上，显著地提高了测试设备的实用性和可靠性。

1 系统总体方案设计

物联网终端通用测试设备是针对物联网终端测试所设计的一款测试设备，上位机控制软件通过网络连接到通用测试设备，组成了一个物理的测试网络。通用测试设备与上位机之间采用TCP 协议进行通信，上位机运行测试脚本，下发测试指令到通用测试设备，通用测试设备执行测试指令并且上传测试数据到上位机。

物联网终端通用测试设备总体设计框图如图1所示。该设备采用2U 标准CPCI 机箱设计，基于此平台[2]，根据测试功能需求设计了主控卡、输入卡、输出卡和电源卡。

图1 总体设计框图

输入卡采集并上报物联网终端的电平变化情况和脉冲信号波形数据。输出卡产生对物联网终端进行激励的电平输出，包括IO 输出和PWM 输出。电源卡通过DA 输出接口为物联网终端提供规定参数的任意设置波形；通过可调电源输出接口输出规定参数的电压。主控卡为数据处理核心单元，通过AD 输入接口同步采集模拟信号；通过RS485/RS232 接口向物联网终端发送指令并接收物联网终端状态信息；通过以太网与上位机连接通讯。

输入卡和输出卡对时序控制有严格且精确的要求，所以都采用FPGA 进行控制；主控卡由于需要与上位机进行网络通讯，并控制其余3 块板卡，所以采用FPGA 和ARM 的架构进行设计；电源卡由于对时序控制要求相对较低，其主控芯片采用单片机STM32F103。此外，因为上述4 块板卡都需要控制板卡工作指示灯，并用到IIC、SPI 等总线控制信号，此部分使用市面上常见的STM32F103 进行处理。

主控卡中ARM 负责处理标志协议项事务，FPGA 负责AD 数据的采集及缓存，同时FPGA 作为一个路由器，负责主控板与各个功能板卡之间的数据路由。ARM 中3 个UART 被用作RS232 总线、RS485 总线、调试串口，1 个UART 用作与其他功能板卡之间的通讯。每块功能子板分配了2 路UART信道，每路信道均包含了TX 和RX，信道命名为UART-CHx。ARM 与FPGA 之间也有1 路串口信道，命名为UART_TOP。UART 协议为收发2 线全双工通信，UART-CH1～UART-CH7 汇集到UARTTOP 与ARM 进行通信，当数据下行时(ARM 发送数据到CH1-CH6)，通过GPIO 进行选通；当数据上行时(CH1-CH6 发送数据到ARM)，通信包头携带自身编号，采用分时间片发送的方式，由系统板上的FPGA 控制时间分片，对各个信道的数据上传进行使能。此外，系统板上的ADC 与FPGA 核心板之间的总线为10 bit 的并行总线结构，ADC 数据通过SPI 总线传给ARM[3]。

2 模块原理设计

2.1 电源模块设计

主控卡、输入卡、输出卡、电源卡都选用背板提供12 V 和24 V 直流电源作为工作电源，通过电源芯片和电源电路进行电源分配。以输入卡为例，输入中所以使用2 片FP6102 分别进行12 V 到3.3 V，3.3 V 到1.2 V 的转换，使用TPS65131 进行3.3 V 到4.5 V 和3.3 V 到-2.3 V 的转换。需要注意的是，为了使BNC 接口可承受最大15 V 的冲击，需要提供15 V 电压为BNC 接口电路的LM7372 运算放大器进行供电。TPS54332 是TI 公司的DCDC 降压芯片，具有输出电压可调和良好散热性等优点，考虑到本设计需要，选用TPS54332 芯片，进行24 V～15 V的转换。输出电压原理图如图2 所示。

图2 TPS54332 芯片输出电压原理图

输出电压的控制可以通过调整电阻R21和R12的大小来实现[4]。如式(1)所示，本文需要15 V 的供电电压，根据计算可得，R21的阻值为10.2 kΩ，R12的阻值为576 Ω。

式中，U表示输出电压。

2.2 幅值控制模块设计

输出卡中FPGA 作为PWM 发生器，通过与主板的串口接收指令，以0/3.3 V 的电平形式输出PWM 信号。为了实现高电平为0.7 V～12 V 的PWM 输出，采用电压转换和三态输出的单位双电源总线收发器芯片SN74AVC1T45 实现输出的电平变化，电路图如图3 所示。

图3 PWM 幅值控制电路

由于SN74AVC1T45 的B 端的输出高电平等于其B 端的电源电压VCCB，通过数模转换器DAC7678 输出的基准电压，经过运算放大器LM358 后作为SN74AVC1T45 的B 端的电源，实现SN74AVC1T45 输出B 端的电源数字可调，使得B 端输出高电平的电压范围是1 V～3.3 V；在SN74AVC1T45 的B 端接入具有IIC接口的数字可调电位器AD5252BRU1，主控STM32 通过IIC 改变AD5252BRU1 中反馈电阻的阻值，调节电压，使其电压范围是50 mV～3.3 V；再经运算放大器LM7372 的4.2 倍放大后的电压范围是0.2 V～13.2 V，实现输出高电平的电压范围为0.7 V～12 V。

2.3 波形产生模块

波形产生模块中DDS 芯片采用高度集成的专用芯片AD9854，在参考时钟源精确的情况下，它能够产生高稳定度的正弦信号，且频率和幅值均可设置[5-6]。通过内部寄存器可以设置AD9854 产生的正弦波的频率和峰峰值。频率是通过一个48 bit 的频率寄存器来设置，幅值通过设置衰减因子的大小来改变，衰减因子大小通过AM 调整寄存器进行设置[7]，衰减因子的范围0～4 095 对应输出峰峰值范围0～650 mV。

AD9854 波形产生电路如图4 所示。AD9854采用模拟和数字电源分开设计来保证输出波形性能，参考时钟源选择30 MHz 晶振[8]。AD9854 输出的正弦波实际上是内部DAC 转换输出的数字量化波形，因此设计了100 MHz 滤波电路来平滑波形[9]。此外，将正弦波输入到芯片内高速比较器VINP 端，然后与接入VINN 端的参考电压相比较后，可以由VOUT 端输出幅值恒定为3.3 V 的矩形波。当正弦波幅值固定，改变参考电压，可以改变矩形波的占空比[10]。矩形波由正弦波产生，故频率是一样的，因此二者的频率设置修改方式一样，都是修改同一寄存器。波形的幅值调节电路原理与输出卡中的PWM 幅值控制电路原理类似，最后可得波形峰峰值范围为0.1 V～12 V。

图4 AD9854 波形产生电路

2.4 NAND Flash 存储控制模块

NAND Flash 是一种非易失性存储器，其功耗小、体积小、重量轻、抗震能力强、工作温度宽，使用控制也较方便，读操作、编程操作和擦除操作均按照数据手册的流程就可以实现[11]，但是，FLASH 中含有的坏块会影响其性能。

通用测试设备选用Micron 公司的NAND Flash存储器，针对FLASH 在出厂前以及使用过程中都会产生坏块的情况，设计一种坏块管理方法对初始坏块和使用过程中产生的坏块进行管理，提高数据存储的可靠性。坏块管理过程如图5 所示。对初次使用的FLASH 通过格式化来建立坏块表，依次对块进行格式化并判断格式化是否成功，将结果转换为二进制“1”或“0”存入坏块表中，“1”表示无效块，“0”表示有效块。通过这种方法建立的坏块表更加有序且简洁，有利于完成坏块信息的快速检索。此外，在FPGA 控制器中设计一个的缓存区[12]，与NAND Flash 页大小相同，在页编程失败的情况下，将该块号加入坏块表中，并将该块数据存入下一个有效块的相同页地址中。

图5 坏块管理流程

3 软件设计

物联网终端通用测试设备的软件系统主要是通过ARM 实现通用测试设备与上位机系统交互，并处理协议接口，ARM 系统总体架构如图6。ARM 客户端通过TCP 与上位机建立连接并保持通讯，上位机基于用户对于某个业务口发出的使用请求，发送协议包至ARM，ARM 根据设定交互协议解析上位机下发指令集(交互数据包格式如表1 所示)，选择匹配的接口，通过串口下发配置命令至FPGA 和MCU，从而使能各个接口功能。业务口任务执行完成后，ARM 上传数据或报告执行结果，上位机记录并分析数据后发送停止命令至ARM，ARM 停止端口功能。

图6 ARM 软件系统总体架构

表1 交互数据包格式

4 性能测试及结果分析

为了测试通用测试设备，需额外的测试设备配合通用测试设备共同搭建的测试系统。通过信号发生器，可以验证输入卡和主控卡采集信号的正确性。输出卡输出PWM 信号的正确性可以通过数字信号检测仪验证。为了测试电源卡中波形输出的精度，设定不同频率值的正弦波，采用示波器测量实际输出信号频率。测量数据如表2 所示。通过对表2 中数据分析和计算可知，多次测量中通用测试设备实际输出的信号频率十分接近设定输出的信号频率，相对误差均在0.05%内，能满足物联网终端测试需求。