?1、控制器

嵌入式系統的應用范圍從玩具到先進的飛機，它使用微控制器在更復雜的系統中執行專門的操作。大多數微控制器都是混合信號設備，使用模擬和數字信號組合。這些嵌入式控制器需要使用復雜的串行接口和協議與其他系統組件通信，雖然這些接口和協議很常見，但卻很難驗證和排除故障。驗證、排除故障和調試這些微控制器可能需要多種儀器，包括測量和確認物理層信號和數字數據內容的儀器。嵌入式微控制器還可能包含模數轉換器(ADC)，需要模擬信號源進行測試。使用模塊化儀器可以執行所有必要的測試，降低測試成本，減少所需的臺面空間。它們可以將測量模擬信號的數字化儀、提供真實信號的任意波形發生器以及激勵和測量數字信號的數字輸入/輸出模塊結合起來。

以冰箱中使用的微控制器為例。這些嵌入式控制器必須處理控制面板用戶界面、控制冷卻壓縮機以及制冰機、解凍加熱器和風扇等功能的一般操作。設計中甚至可能包括Wi-Fi接口。典型的冰箱嵌入式控制系統示例如圖1所示。

圖1：控制子處理器。一個用于控制冰箱的嵌入式系統示例。該系統包括一個用戶界面、主控制器以及壓縮機

從測試角度來看，該系統使用并行和串行數據鏈路、模擬傳感器、電機控制和直流電源。

圖2：M2p系列卡非常適合嵌入式系統測量

測試該系統需要多臺模塊化儀器。模擬信號分析需要數字化儀。采集、模擬和分析數字數據需要數字I/O模塊。模擬傳感器信號和物理層串行通信波形可使用任意波形發生器（AWG）完成。

冰箱嵌入式控制器信號的信號帶寬適中。圖2所示的型號為TS-M2p.5968-x4（八通道數字化儀）、TS-M2p.6568-x4（八通道任意波形發生器）和TS-M2p.7515-x4的數字波形/模式發生器（帶32個輸入/輸出通道）非常適合所需的測試。

這三個模塊化儀器可通過Star-Hub模塊連接在一起，實現相位穩定同步。這些都是PCI Expressx4卡，數據流速度高達每秒700Mbytes。它們由德思特SBench6軟件或各種第三方軟件包和編程語言提供支持。

2、電源完整性測量

測試通常從電源開始。一般來說，要測量每個電源軌的標稱值及其相關的負載電流。此外，微控制器一般都有規定的開機順序。在監控電源總線的同時啟動設備，可以了解電源電壓總線達到指定電壓的順序。類似的測試還包括監控關機電源順序。圖3顯示了使用TS-M2p.5968-x4型數字化儀和SBench6軟件控制和顯示數字化儀信號的此類測試示例。電壓超過10V時可能需要探頭或衰減器。

圖3：具有+3.3、+5、+12和-12V電源軌的電源的上電和斷電序列的電源時序測試。

還可通過評估每個電源軌上的紋波來測量電源質量。圖4是+12V電源軌紋波測量的示例。紋波的峰峰值幅度為27.5mV，記錄在顯示網格左側信息面板的峰峰值讀數中。軌道的平均電壓也記錄為11.95V。使用±10V量程，偏移量為10V；數字化儀的16位高分辨率仍可測量幾十mV的紋波。

圖4：+12V電源軌上的紋波分析，以及顯示紋波信號頻率成分的FFT

紋波信號的快速傅立葉變換(FFT)顯示了其頻率組成。圖中右側的兩個網格顯示，紋波信號的頻率主要低于10kHz。上部網格是跨度為20MHz的FFT，而下部網格是水平展開的，可以看到100kHz以下的頻譜細節，包括40kHz的電源開關頻率。FFT是一種分析工具，是用于模塊化儀器控制、分析和測量的SBench軟件的一部分。FFT的寬動態范圍顯示了TS-M2p.5968-x4數字化儀的16位幅度分辨率。FFT中的信號峰值均在低于滿量程信號-120dB的范圍內。

3、數字信號測量

嵌入式系統既使用單獨的數字控制線，也使用包含多個數字信號的總線結構。在示例嵌入式系統中，連接LCD顯示屏和存儲器的是并行總線。數字信號可以通過數字I/O卡（如TS-M2p.7515-x4，具有32個I/O通道）采集。圖5顯示了八位總線的數字采集。

圖5：從并行總線采集8個數字信號，執行二進制計數。每個bit都顯示為logicstate與時間的關系。

TS-M2p.7515-x4提供32位數字輸入或輸出，時鐘速率最高可達125Mb/s。其數字閾值兼容3.3V和5.0VTTL數字輸入。每個輸入端的輸入阻抗可由用戶選擇為110Ohm或50kOhm，輸入端可訪問1GB的板載內存。如果數字信號超過32個，可連接多個I/O卡。可使用SBench6實用程序顯示數字信號。多個數字信號可在SBench6中以線形視圖或梯形圖的形式單獨顯示，也可在總線視圖中捆綁顯示，如圖6所示。

左側網格顯示的是總線視圖展開后的總線值與時間的關系。總線值可以以十六進制（如圖所示）、八進制、二進制或有符號或無符號十進制值顯示。

圖6：在總線視圖（左側）或位視圖（右側）中顯示的相同數字總線。總線讀數可以格式化為二進制、十六進制（顯示）、八進制或有符號或無符號十進制數。

如圖7所示，可以獲取串行數據總線產生的數字信號（如嵌入式系統功能圖示例所示），并以模擬或數字格式顯示。

數字波形顯示邏輯狀態與時間的關系。邏輯狀態由比較器確定，比較器確定輸入波形是高于（數字1）還是低于（數字0）邏輯電壓閾值。過渡非常敏銳，持續時間只有一個采樣時鐘周期。圖7右下方網格中的示例顯示了垂直過渡且無噪聲。相比之下，右上角網格中的模擬信號顯示了模擬域的所有瞬時擾動情況，包括噪聲、過沖以及有限的過渡時間。

圖7：數字（左網格）和模擬信號（中心網格）可以在任一域中獲取和顯示。比較數字波形（右下角）顯示邏輯狀態與時間的關系，模擬信號顯示電壓與時間的關系。

數字波形只能作為單線或總線顯示，用于確定邏輯數據內容和時序。模擬波形可測量瞬時振幅值和定時。過渡時間、過沖、欠沖和噪聲電平等信號特性應根據模擬信號的測量結果來確定。

4、測試串行數據接口的響應

微控制器有三個子組件，它們通過串行數據接口交換信息。可以使用AWG測試這些接口中接收器的性能。AWG可產生模擬波形，提供所需的數據模式，但也可改變信號的轉換時間、幅度和時序，以及添加干擾（如噪聲）。

本示例中使用的AWG具有功能齊全的序列模式，能夠近乎實時地在不同波形之間進行切換，甚至無需重新加載不同的波形。AWG的波形存儲器是分段式的，測試所需的每個波形都可以存儲在各自的段中。AWG根據存儲在單獨序列存儲器中的指令逐步處理波形。序列存儲器的內容可以更新或更改，而不影響AWG的輸出狀態。這種序列模式操作允許根據測試結果自適應地更改測試序列。這樣就可以根據其他測量結果對波形進行自適應修改。這種功能大大縮短了測試時間，提高了測試的徹底性。

例如，串行數據流的數據內容可以更改，如圖8所示。

圖8：AWG序列模式操作示例。這些串行數據流的數據內容各不相同，均存儲在AWG的波形存儲器中。寫入序列存儲器的更改可根據外部命令改變數據內容。

圖中的每個串行數據流都有不同的內容。它們存儲在AWG的波形存儲器中，并按照單獨的序列存儲器指定的順序輸出。序列存儲器的內容可以在不停止正在進行的輸出的情況下進行更改，從而跳轉到不同的數據段。這樣就可以自適應地改變AWG輸出。因此，舉例來說，AWG可用來取代控制面板，模擬前面板的開關操作。例如，可以模擬冰箱溫度設置的變化并監測壓縮機的反應。

5、機電子系統

冰箱有一些機電子系統，如制冰機、無霜通風設備和主制冷壓縮機。無霜通風扇使用一個由單一數字線驅動的簡單開關控制裝置。無霜功能和制冰機還使用加熱器，這些加熱器由交流電源供電，并通過一條數字線路進行控制，通過一個隔離光耦合器進行開/關控制。制冷壓縮機由一塊單獨的控制板控制。壓縮機是一種變速裝置，使用三相脈寬調制（PWM）來控制壓縮機的電機速度和扭矩。脈寬調制信號使用固定的時鐘頻率，并根據調制輸入改變脈沖寬度。圖9顯示了三個PWM信號，每個信號都有兩個水平展開視圖。

圖9：頂部三個網格中的三相PWM信號。下面的網格包含相同信號的水平展開視圖。底部網格顯示PWM時鐘頻率。

底部網格中的視圖顯示PWM時鐘周期為50μs（20kHz）。PWM周期約為27ms或37Hz。用低于PWM時鐘頻率的截止頻率對上述任何波形進行低通濾波，都會產生正弦波形。這種周期性決定了壓縮機電機的轉速，在本例中約為1100RPM。與所有三相電源系統一樣，單相波形的相位差為120度。

PWM控制器取代了老式的單相開關壓縮機，以提高冰箱效率、降低功耗和噪音。

壓縮機的電源是整流線電壓，因此測量控制器的這一部分需要使用衰減器或探頭。數字化儀的1MΩ輸入終端與許多探頭或衰減器完全兼容。對于這種測量，探頭衰減需要100:1。

壓縮機控制是一個閉環控制系統。溫度傳感器是主要參考，但電機轉速和軸位置是通過轉速計感應的，電機相電流是通過電流分流器感應的。這些次級傳感器集成在變頻器驅動控制器中。

在電路開發過程中，可以使用TS-M2p.6568-x4八通道AWG等任意波形發生器來替代溫度傳感器、轉速計和電流檢測信號，以便對回路動態進行閉環測試。這些替代信號可以單獨或同時進行。

制冰機也是一個閉環控制系統，但它的運行周期很長。在循環開始時，“加水”控制被執行，向冰盤加水。注水操作由計時器監控，約7秒鐘后停止。水被允許凍結，這一過程由溫度傳感器監控。當冰盤溫度下降到約-13°C時，冰盤旋轉，冰塊落入冰桶。整個過程重新開始。當冰倉滿時，感應臂會感應到，并停止處理過程，直到有空位為止。基本處理周期需要一到兩個小時。

對緩慢的處理過程進行故障排除需要大量的數字化儀內存。TS-M2p.5968-x4的總內存為512MS樣本。即使以10kS/s的速度采樣，它也能使用72MS樣本捕捉到2小時的周期時間。這樣，整個兩小時周期的時間分辨率為100μs。

6、結論

該示例提供了多種不同的信號類型，表明數字化儀、AWG和數字輸入/輸出卡等多個模塊化儀器可用于測試微控制器等設備，執行數據采集、邏輯狀態分析和信號模擬。這些完全同步的模塊組成了一個經濟高效的測試系統，用于微控制器開發和故障診斷。它們還包括各種可用于加快自動測試程序的功能。

?審核編輯 黃宇