一种用于多处理器在线调试的调试系统设计与实现

2023-03-28汪利建刘少龙

通信电源技术 2023年1期

李川，汪利建，刘少龙

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068）

0 引言

在通用航空领域，广泛采用综合化、模块化的航空电子设备。航空电子设备一般由机柜和多个用于实现特定功能的电子模块组成，在大部分功能模块上都会有微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）或数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）来进行数据处理。在电子设备软件调试或升级过程中，经常需要每个电子模块的MCU或DSP烧录程序或进行在线调试[1,2]。传统的调试方法是将需要调试的功能模块拆卸下来，单独进行调试。这种方法有以下缺点：（1）每次调试都需要将模块拆卸，过程烦琐；（2）模块脱离机柜后无法满足调试环境的要求。针对此类问题，本文以TMS570系列MCU为例设计了一种调试电路，可以在不用打开机柜的状态下对所有的电子模块进行调试。

1 设计原理及关键技术

1.1 MCU调试原理

目前，主流的芯片调试方法为借助联合测试行动小组（Joint Test Action Group，JTAG）协议[3]。JTAG是一种国际标准测试协议，用于芯片内部测试，大部分MCU芯片都支持JTAG接口。JTAG接口最常用的4个信号线分别为测试时钟（Test Clock，TCK）、测试模式选择（Test Mode Select，TMS）、测试数据输入（Test Data Input，TDI）以及测试数据输出（Test Data Output，TDO），通过控制这4个信号线即可访问MCU内部，实现对芯片的编程和在线测试[4-7]。

1.2 USB与JTAG协议转换

JTAG接口虽然可以实现Flash编程和Debug调试，但是其接口无法直接和PC端进行物理连接。通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口作为PC机必不可少的通信接口之一，支持热插拔，传输速度快。基于此，通过在USB接口和JTAG接口之间进行协议转换，实现PC机对MCU的访问[8,9]。

FT2232HL是FTDI公司的一种双通道高速USB串行通信协议转换芯片，通过多协议同步串行引擎（Multi-Protocol Synchronous Serial Engine，MPSSE）实现USB设备和其他串行设备的通信。FT2232HL包含2个独立的MPSSE，可以将1路USB接口同时转为1路JTAG接口和1路通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）。此外，FT2232HL还可以通过外挂1个电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）来存储配置信息。

1.3 USB HUB

USB集线器（USB HUB）是一种扩展USB接口的工具，可以将一个USB接口扩展为多个，并且这些接口可以同时使用[10]。TUSB2046B是德州仪器公司生产的一种一拖四集线器，该芯片兼容USB 2.0标准，支持单独供电和总线供电2种模式，同时支持自动挂起和恢复操作，提供了一种灵活的USB扩展方案。

1.4 CCS调试工具

CCS是TI公司提供的一款专业嵌入式软件开发工具，利用CCS IDE可以将写好的软件代码烧写到嵌入式芯片中，同时也可以通过Debug功能对芯片进行在线调试。当嵌入式芯片通过仿真器连接到PC机时，CCS可以通过2种方式去识别设备并连接。第一种方式为“Only one installed”，这种方式只能用于连接一个仿真器的情形；第二种方式为“Select by serial number”，当同时有多个仿真器连接到PC机时，CCS可以通过序列号来选择其中一个进行调试。本文所设计的调试系统就是基于CCS软件提供的第二种连接方式。

2 调试系统设计及实现

基于JTAG和USB HUB技术，设计了一种可以实现4个模块同时在线调试的系统。调试系统的物理架构如图1所示，主要包括功能模块上的调试电路、机柜背板上的USB HUB控制器电路以及PC机上的软件调试工具。4个调试电路通过USB HUB复用1个USB接口，通过USB数据线连接好机柜和PC后，即可通过选择每个功能模块的序列号对相应的模块进行调试。

图1 多模块调试系统物理架构

每个功能模块上的调试电路设计如图2所示。

图2 功能模块上的调试电路设计

MCU器件的型号为TMS570LS3137，FT2232HL作为协议转换器，将USB协议转换为JTAG和UART协议。外部Flash存储器通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线挂载在FT2232HL上，用于存储FT2232的配置信息，其中包括需要转换的接口协议、序列号等信息。FT2232的USB端口通过模块底部的连接器可以延伸至背板。

在机箱背板中，设计了一个USB HUB，实现了USB接口扩展。HUB的上游端口从机柜引出，下游端口与各个功能模块的调试电路相连。USB HUB电路设计如图3所示，由电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）防护电路、HUB控制器以及过流保护电路构成。

图3 USB HUB电路设计

标准USB接口由4根线组成，分别是差分数据线D+、D-和电源线VCC、GND。通过一个TUSB2046芯片将1路USB数据线分为4路，实现USB接口扩展。电源线USB VCC通过一个4通道过流检测器TPS2044进行过流保护，当TPS2044检测到某个通道的输出电流超过500 mA时，会发出一个过流信号给TUSB2046，TUSB2046立即关断使能，TPS2044停止输出，从而起到过流保护作用。

3 功能验证

基于实际的硬件电路、开发工具以及测试代码验证系统功能，其中开发工具包括CCS11.1.0、FT2232HL配置工具以及串口调试助手，测试代码内容包括软硬件初始化和通过UART循环发送各自模块的代号。

（1）配置调试电路。每次单独插入1个功能模块到背板上，利用PC机上的FT2232HL配置工具依次对4个模块的调试电路进行配置。将FT2232HL的2个MPSSE通道的功能分别设置为JTAG和UART，并给每个功能模块设置一个序列号。将配置好的信息写入调试电路的FLASH芯片中，4个功能模块的序列号依次为Module1～Module4。

（2）将4个功能模块全部插入到背板上，连接USB数据线。

（3）在CCS软件中打开测试代码的工程，在“连接选项”界面选择连接方式为“通过序列号连接”，输入配置的模块序列号，烧写程序，如图4所示。