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技术干货 | 如何用模块化仪器高效测试嵌入式微控制器？

news 来源：原创 2025/5/14 6:52:31

1、控制器

嵌入式系统的应用范围从玩具到先进的飞机，它使用微控制器在更复杂的系统中执行专门的操作。大多数微控制器都是混合信号设备，使用模拟和数字信号组合。这些嵌入式控制器需要使用复杂的串行接口和协议与其他系统组件通信，虽然这些接口和协议很常见，但却很难验证和排除故障。验证、排除故障和调试这些微控制器可能需要多种仪器，包括测量和确认物理层信号和数字数据内容的仪器。嵌入式微控制器还可能包含模数转换器(ADC)，需要模拟信号源进行测试。使用模块化仪器可以执行所有必要的测试，降低测试成本，减少所需的台面空间。它们可以将测量模拟信号的数字化仪、提供真实信号的任意波形发生器以及激励和测量数字信号的数字输入/输出模块结合起来。

以冰箱中使用的微控制器为例。这些嵌入式控制器必须处理控制面板用户界面、控制冷却压缩机以及制冰机、解冻加热器和风扇等功能的一般操作。设计中甚至可能包括Wi-Fi接口。典型的冰箱嵌入式控制系统示例如图1所示。

图1：控制子处理器。一个用于控制冰箱的嵌入式系统示例。该系统包括一个用户界面、主控制器以及压缩机

从测试角度来看，该系统使用并行和串行数据链路、模拟传感器、电机控制和直流电源。

图2：M2p系列卡非常适合嵌入式系统测量

测试该系统需要多台模块化仪器。模拟信号分析需要数字化仪。采集、模拟和分析数字数据需要数字I/O模块。模拟传感器信号和物理层串行通信波形可使用任意波形发生器（AWG）完成。

冰箱嵌入式控制器信号的信号带宽适中。图2所示的型号为TS-M2p.5968-x4（八通道数字化仪）、TS-M2p.6568-x4（八通道任意波形发生器）和TS-M2p.7515-x4的数字波形/模式发生器（带32个输入/输出通道）非常适合所需的测试。

这三个模块化仪器可通过Star-Hub模块连接在一起，实现相位稳定同步。这些都是PCI Expressx4卡，数据流速度高达每秒700Mbytes。它们由德思特SBench6软件或各种第三方软件包和编程语言提供支持。

2、电源完整性测量

测试通常从电源开始。一般来说，要测量每个电源轨的标称值及其相关的负载电流。此外，微控制器一般都有规定的开机顺序。在监控电源总线的同时启动设备，可以了解电源电压总线达到指定电压的顺序。类似的测试还包括监控关机电源顺序。图3显示了使用TS-M2p.5968-x4型数字化仪和SBench6软件控制和显示数字化仪信号的此类测试示例。电压超过10V时可能需要探头或衰减器。

图3：具有+3.3、+5、+12和-12V电源轨的电源的上电和断电序列的电源时序测试。

还可通过评估每个电源轨上的纹波来测量电源质量。图4是+12V电源轨纹波测量的示例。纹波的峰峰值幅度为27.5mV，记录在显示网格左侧信息面板的峰峰值读数中。轨道的平均电压也记录为11.95V。使用±10V量程，偏移量为10V；数字化仪的16位高分辨率仍可测量几十mV的纹波。

图4：+12V电源轨上的纹波分析，以及显示纹波信号频率成分的FFT

纹波信号的快速傅立叶变换(FFT)显示了其频率组成。图中右侧的两个网格显示，纹波信号的频率主要低于10kHz。上部网格是跨度为20MHz的FFT，而下部网格是水平展开的，可以看到100kHz以下的频谱细节，包括40kHz的电源开关频率。FFT是一种分析工具，是用于模块化仪器控制、分析和测量的SBench软件的一部分。FFT的宽动态范围显示了TS-M2p.5968-x4数字化仪的16位幅度分辨率。FFT中的信号峰值均在低于满量程信号-120dB的范围内。

3、数字信号测量

嵌入式系统既使用单独的数字控制线，也使用包含多个数字信号的总线结构。在示例嵌入式系统中，连接LCD显示屏和存储器的是并行总线。数字信号可以通过数字I/O卡（如TS-M2p.7515-x4，具有32个I/O通道）采集。图5显示了八位总线的数字采集。

图5：从并行总线采集8个数字信号，执行二进制计数。每个bit都显示为logicstate与时间的关系。

TS-M2p.7515-x4提供32位数字输入或输出，时钟速率最高可达125Mb/s。其数字阈值兼容3.3V和5.0VTTL数字输入。每个输入端的输入阻抗可由用户选择为110Ohm或50kOhm，输入端可访问1GB的板载内存。如果数字信号超过32个，可连接多个I/O卡。可使用SBench6实用程序显示数字信号。多个数字信号可在SBench6中以线形视图或梯形图的形式单独显示，也可在总线视图中捆绑显示，如图6所示。

左侧网格显示的是总线视图展开后的总线值与时间的关系。总线值可以以十六进制（如图所示）、八进制、二进制或有符号或无符号十进制值显示。

图6：在总线视图（左侧）或位视图（右侧）中显示的相同数字总线。总线读数可以格式化为二进制、十六进制（显示）、八进制或有符号或无符号十进制数。

如图7所示，可以获取串行数据总线产生的数字信号（如嵌入式系统功能图示例所示），并以模拟或数字格式显示。

数字波形显示逻辑状态与时间的关系。逻辑状态由比较器确定，比较器确定输入波形是高于（数字1）还是低于（数字0）逻辑电压阈值。过渡非常敏锐，持续时间只有一个采样时钟周期。图7右下方网格中的示例显示了垂直过渡且无噪声。相比之下，右上角网格中的模拟信号显示了模拟域的所有瞬时扰动情况，包括噪声、过冲以及有限的过渡时间。

图7：数字（左网格）和模拟信号（中心网格）可以在任一域中获取和显示。比较数字波形（右下角）显示逻辑状态与时间的关系，模拟信号显示电压与时间的关系。

数字波形只能作为单线或总线显示，用于确定逻辑数据内容和时序。模拟波形可测量瞬时振幅值和定时。过渡时间、过冲、欠冲和噪声电平等信号特性应根据模拟信号的测量结果来确定。

4、测试串行数据接口的响应

微控制器有三个子组件，它们通过串行数据接口交换信息。可以使用AWG测试这些接口中接收器的性能。AWG可产生模拟波形，提供所需的数据模式，但也可改变信号的转换时间、幅度和时序，以及添加干扰（如噪声）。

本示例中使用的AWG具有功能齐全的序列模式，能够近乎实时地在不同波形之间进行切换，甚至无需重新加载不同的波形。AWG的波形存储器是分段式的，测试所需的每个波形都可以存储在各自的段中。AWG根据存储在单独序列存储器中的指令逐步处理波形。序列存储器的内容可以更新或更改，而不影响AWG的输出状态。这种序列模式操作允许根据测试结果自适应地更改测试序列。这样就可以根据其他测量结果对波形进行自适应修改。这种功能大大缩短了测试时间，提高了测试的彻底性。

例如，串行数据流的数据内容可以更改，如图8所示。

图8：AWG序列模式操作示例。这些串行数据流的数据内容各不相同，均存储在AWG的波形存储器中。写入序列存储器的更改可根据外部命令改变数据内容。

图中的每个串行数据流都有不同的内容。它们存储在AWG的波形存储器中，并按照单独的序列存储器指定的顺序输出。序列存储器的内容可以在不停止正在进行的输出的情况下进行更改，从而跳转到不同的数据段。这样就可以自适应地改变AWG输出。因此，举例来说，AWG可用来取代控制面板，模拟前面板的开关操作。例如，可以模拟冰箱温度设置的变化并监测压缩机的反应。

5、机电子系统

冰箱有一些机电子系统，如制冰机、无霜通风设备和主制冷压缩机。无霜通风扇使用一个由单一数字线驱动的简单开关控制装置。无霜功能和制冰机还使用加热器，这些加热器由交流电源供电，并通过一条数字线路进行控制，通过一个隔离光耦合器进行开/关控制。制冷压缩机由一块单独的控制板控制。压缩机是一种变速装置，使用三相脉宽调制（PWM）来控制压缩机的电机速度和扭矩。脉宽调制信号使用固定的时钟频率，并根据调制输入改变脉冲宽度。图9显示了三个PWM信号，每个信号都有两个水平展开视图。

图9：顶部三个网格中的三相PWM信号。下面的网格包含相同信号的水平展开视图。底部网格显示PWM时钟频率。

底部网格中的视图显示PWM时钟周期为50μs（20kHz）。PWM周期约为27ms或37Hz。用低于PWM时钟频率的截止频率对上述任何波形进行低通滤波，都会产生正弦波形。这种周期性决定了压缩机电机的转速，在本例中约为1100RPM。与所有三相电源系统一样，单相波形的相位差为120度。

PWM控制器取代了老式的单相开关压缩机，以提高冰箱效率、降低功耗和噪音。

压缩机的电源是整流线电压，因此测量控制器的这一部分需要使用衰减器或探头。数字化仪的1MΩ输入终端与许多探头或衰减器完全兼容。对于这种测量，探头衰减需要100:1。

压缩机控制是一个闭环控制系统。温度传感器是主要参考，但电机转速和轴位置是通过转速计感应的，电机相电流是通过电流分流器感应的。这些次级传感器集成在变频器驱动控制器中。

在电路开发过程中，可以使用TS-M2p.6568-x4八通道AWG等任意波形发生器来替代温度传感器、转速计和电流检测信号，以便对回路动态进行闭环测试。这些替代信号可以单独或同时进行。

制冰机也是一个闭环控制系统，但它的运行周期很长。在循环开始时，“加水”控制被执行，向冰盘加水。注水操作由计时器监控，约7秒钟后停止。水被允许冻结，这一过程由温度传感器监控。当冰盘温度下降到约-13°C时，冰盘旋转，冰块落入冰桶。整个过程重新开始。当冰仓满时，感应臂会感应到，并停止处理过程，直到有空位为止。基本处理周期需要一到两个小时。

对缓慢的处理过程进行故障排除需要大量的数字化仪内存。TS-M2p.5968-x4的总内存为512MS样本。即使以10kS/s的速度采样，它也能使用72MS样本捕捉到2小时的周期时间。这样，整个两小时周期的时间分辨率为100μs。