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                数据转换器测试平台低功耗的实现

                添加时间:2020/07/02 来源:东南大学 作者:陈 丹
                本文首先对数据转换器测试平台进行了研究,在已有的 ARM-FPGA 数据转换器测试平台的基础上,提出了基于 MSP430 控制系统的数据转换器测试平台方案,降低了系统功耗,解决了原控制系统在测试时带来的干扰问题。
                以下为本篇论文正文:

                摘要

                  数据转换器是数字信号量与模拟信号量转换接口的关键器件,高速高精度数据转换器测试平台作为数据转换器的重要的应用设备,自动化测试对数据转换器的研制具有重要的意义。

                  本文首先对数据转换器测试平台进行了研究,在已有的 ARM-FPGA 数据转换器测试平台的基础上,提出了基于 MSP430 控制系统的数据转换器测试平台方案,降低了系统功耗,解决了原控制系统在测试时带来的干扰问题,同时在系统架构上实现了与原平台架构的无缝连接,降低了 MSP430控制系统的设计与调试工作量。

                  然后,论文完成了 MSP430 控制系统的硬件设计,通过高速数据接口建立了控制系统与高速数据处理系统和测试子板间的通信,通过上位机通信接口建立了控制系统与上位机间的通信。论文还完成了嵌入式蓝牙通信?榈纳杓,用于建立控制系统与上位机间的无线通信连接,解决了上位机与测试平台连接引起的共电干扰问题。蓝牙通信?橥ü型馍杞涌谧芟咄ㄐ沤涌谟肟刂葡低辰⑼ㄐ,并通过无线协议与上位机建立通信,最终实现了控制系统与上位机的无线通信。接着,论文完成了 MSP430 控制系统的软件设计,控制系统的主程序设计和各通信接口协议的设计,包括控制系统与高速数据处理系统的通信协议、控制系统与上位机间的通信协议以及控制系统与蓝牙通信?榈耐ㄐ糯湫,最终完成了上位机对测试平台状态控制、高速数据处理系统运行文件下载、测试子板初始化配置和测试数据传输等功能。

                  最后,完成了数据转换器测试平台控制软件中的上位机通信接口的设计,使其能够与基于MSP430 控制系统的数据转换器测试平台协调工作,对测试芯片发出控制命令,取回测试数据,计算性能参数并显示。论文以采样率为 125MHz、精度为 16bits 的 ADC 作为测试对象,对基于 MSP430控制系统的数据转换器测试平台性能进行了实际测试验证。结果表明,新系统解决了原来系统在高精度数据转换器测试中存在的微弱干扰问题,测试结果完全达到了设计指标。

                  关键词:数据转换器测试平台,控制系统,低功耗,通信协议

                数据转换器测试平台

                Abstract

                  The data converter is a key component of the conversion interface between the digital semaphore and analog semaphore, and the high-speed and high-precision data converter test platform has become an important application device. Automated testing is of great significance for the development of data converters.

                  In this paper, the data converter test platform is researched. Based on the existing ARM-FPGA data converter test platform, the data converter test platform scheme based on MSP430 control system is proposed, which reduces the system power consumption and solves the problem caused by the original control system during the test. The seamless connection with the original platform architecture is realized on the system architecture, which reduces the workload of designing and debugging the control system.

                  Then, the paper completed the hardware design of the MSP430 control system and established the communication between the control system and the high-speed data processing system and the test sub-board through the high-speed data interface. The communication connection between the control system and the host computer through the communication interface of the host computer is established as well. The design of the embedded Bluetooth communication module is completed. The upper computer establishes a wireless communication connection, which solves the problem of common interference caused by the connection between the computer and the test platform. The Bluetooth communication module establishes a communication with the control system through the serial peripheral interface and bus communication interface, and establishes communication with the host computer through the wireless protocol, and finally realizes wireless communication between the control system and the upper computer. Then, the paper completed the software design of the MSP430 control system, the main program design of the control system and the design of each communication interface protocol, including the communication protocol between the control system and the high-speed data processing system, the communication protocol between the control system and the host computer, and the communication transmission protocol between the control system and the Bluetooth communication module. The paper finally completes the functions of state control from the upper computer to the test platform, the high-speed data processing system running file download, the test sub-board initial configuration and the test data transmission.

                  Finally, the design of the host computer communication interface in the control software of the data converter test platform is completed, so that it can work in coordination with the data converter test platform based on the MSP430 control system, issuing control commands to the test chip, retrieving test data, calculating and displaying the performance parameters. The paper uses an ADC with a sampling rate of 125MHz and an accuracy of 16bits as the test object, and carries out the actual test and verification of the performance of the data converter test platform based on MSP430 control system. The results show that the new system solves the weak interference problem of the original system in the high-precision data converter test, and the test result fully meets the design index.

                  Keywords: Data converter test platform , control system , low-power dissipation , communication protocol

                  目录

                  第 1 章 绪论

                  1.1 研究背景

                  随着电子信息产业的飞速发展,当今社会已处于信息时代,电子信息技术已成为主流技术。数;旌闲藕牌骷魑缱有畔⒓际醯囊徊糠忠脖淮罅坑τ,使得数;旌系缏啡〈诵矶啻衬D獾缏烦晌畔⒋淼闹髁。数据转换器则是当前十分重要的数;旌闲藕牌骷,它承接了数字信号和模拟信号的互相转换作用[1].为了满足各种应用的需求,高速高精度已成为其非常重要的设计方 向。正因为数据转换器性能的逐渐提升,使其不再单一的应用于电子信息产业,许多交叉领域对高速高精度数据转换器的需求量也越来越大,同时也提高了数据转换器各方面性能测试技术的要求[2].

                  集成电路芯片测试是半导体技术应用过程中非常重要的一个环节,分为功能测试和参数测试,功能测试判断芯片设计的基础功能实现与否,而参数测试判断芯片设计的性能是否达到指标要求, 两种测试方法一起,使得芯片测试成为确保芯片功能完善的重要措施[3][4].

                  随着数据转换器速度和精度的不断提高,测试数据转换芯片平台的设计难度越来越大。高速信号波长较短,使得电磁干扰成为信号传输中不可忽略的问题;高精度数据转换器对于很小的信号也具备很强的识别能力,导致测试系统的微弱噪声也极其容易混入到输出信号中,降低了被测试系统的整体性能,这就要求数据转换器测试平台必须具有低干扰、低噪声的特性[5].此外由于数据转换器信号输出和时钟速度均比较高,所以数据转换器测试平台在保证降低干扰的同时也需要保证对于高速信号的处理和传输能力[6].

                  综上,设计并实现低干扰的高精度数据转换器测试平台不仅具有重大意义而且具有很大的挑战性。

                  1.2 国内外研究现状

                  模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)测试分为静态测试和动态测试[7].静态测试研究较早,现已拥有较为完善的测试方法,但静态测试无法体现出 ADC 的动态特性,所以一般选用 ADC动态测试方法,能够更加完善的反映出 ADC 的性能[8].

                  对于 ADC 动态测试常用的方法为基于数字信号处理技术的动态测试法,该方法精度较高,并且具有可编程的特点,是目前比较主流的测试方法;谑中藕糯砑际醯亩馐苑椒ǹ梢允褂寐呒治鲆谴罱ú馐云教ɡ词迪諿9][10].使用逻辑分析仪搭建的 ADC 测试平台测试过程框图如图 1-1所示,将 ADC 的输出信号接入逻辑分析仪中,分析 ADC 输出信号在时域上的波形,验证部分性能,然后将逻辑分析仪的输出数据传输到 PC(Personal Computer)端进行频率上的处理,最终通过这些结果来判定测试芯片的整体性能。但利用此方法进行测试时,需要手动完成设备与待测芯片的连接,手动操作各测试步骤,耗时较长,降低了测试效率。

                  大型测试系统也是 ADC 动态测试法的应用之一,该系统集成了完整的硬件和软件环境,提供了全面的芯片测试系统方案,操作简单,但是价格昂贵[11].图 1-2 所示的安捷伦测试系统为大型测试系统代表之一,但该测试系统针对指定芯片进行测试,不具备通用性。

                  国外一些大规模的数据转换器设计公司在销售芯片时为了方便各芯片的应用,也会提供对应芯片的测试电路板,购买者可根据各自需求,利用测试电路板建立 ADC 测试系统,针对自身应用场景实现 ADC 芯片对应性能的测试。例如亚诺德半导体公司针对它生产的 AD9860 芯片,设计了一个由测试电路和数据采集与处理电路构成的芯片测试板,数据采集与处理电路板通过通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)接口与上位机建立连接,将 ADC 采集到的数据传输至 PC 端软件中进行处理并计算得到测试结果[12].图 1-3 所示为 AD9860 芯片对应的测试电路板,图 1-4 所示为 AD9680测试系统,图 1-4 左边电路板为 AD9860 芯片测试电路板,右边电路板为数据采集电路板。但由于该测试系统的数据采集电路板兼顾了数据处理和系统控制的功能,造成其对整个系统的控制力不够。


                  东南大学信息与工程学院也在数据转换器测试方面进行了研究工作,并设计实现了一套通用数据转换器测试平台,由 ARM 控制系统、FPGA(Field-Programmable Gate Array)高速数据处理系统和测试子板组成,在测试时只需更换顶层的测试子板便可对不同的 ADC 芯片进行测试[4].ARM-FPGA数据转换器测试平台拥有独立的 ARM 控制系统,具备了强大的控制能力。

                  ARM-FPGA 数据转换器测试平台实物图如图 1-5 所示,从上至下依次为:测试子板、高速数据处理系统、ARM 控制系统。测试子板为数据转换器芯片测试电路板,高速数据处理系统提供了数据处理的功能,ARM 控制系统完成了对整个测试平台的监控,并与上位机建立起连接,将测试数据上传。上位机配备了测试平台的控制软件,将所有测试流程集中控制于上位机中,有效的简化了测试过程。最终该测试平台能够完成对最高采样率 3.6GS/s,最高分辨率 16 位的芯片测试。但 ARM-FPGA测试平台因为工作频率较高的原因,在测试 ADC 精度较高时,产生了一些小的干扰信号,对高精度高速芯片测试结果造成了一定的影响。

                  上述三种数据转换器测试平台,它们各有各的优势与缺点。大型测试系统功能完整,但因其体积大、价格昂贵而性价比不高,且只能针对特定芯片进行测试,不具备通用性;亚诺德半导体公司的芯片测试系统可以根据不同的应用场合更换测试电路板,具备一定的通用性,但是测试系统中的数据采集电路板兼顾了数据处理和系统控制的功能,造成其对整个系统的控制力不够;东南大学数据转换器测试平台采用的三层层叠式结构,通过更换顶层测试子板使平台具有通用性,并将数据处理与平台控制分成两个系统,配合上位机完整的人机交互测试软件,具备强大的控制能力和自动测试能力,但由于测试平台底层 ARM 控制系统工作频率较高,在测试 ADC 精度较高时,产生了一些小的干扰信号,对测试结果造成了一定的影响。所以实现一个通用的低功耗、低干扰的控制系统对测试平台的功能稳定有着重要的意义。

                  1.3 论文组织结构

                  为了应对高速、高精度数据转换器在各大领域的需求,我们必须探索出更完善的数据转换器测试平台,使得测试平台不仅能够满足各类测试要求,提供良好的人机交互界面,而且还要努力降低数据转换器测试环境带来的干扰,提高测试结果的准确性。本文的任务是设计基于低功耗单片机的数据转换器测试平台控制系统,使得测试平台可以完成 ADC 芯片测试,并降低测试平台对芯片测试结果的干扰?刂葡低成杓频闹饕挝袢缦拢

                 。1)控制系统的硬件设计,实现系统与原测试平台其他系统的无缝连接;(2)蓝牙通信?榈纳杓,完成与上位机的无线通信连接;(3)控制系统的软件设计,完成与测试平台其他系统的通信;(4)上位机软件接口程序设计,完成上位机与控制系统的数据交互,进而控制整个测试平台。

                  本文共分为 7 章。后续各章的具体内容如下:

                  第 2 章:简介模数转换器基础理论和测试指标,并介绍模数转换器测试平台架构,分析系统需求,给出基于低功耗单片机和蓝牙的控制系统实现方案。

                  第 3 章:详述 MSP430 控制系统的硬件设计,先介绍了控制系统核心芯片外围电路硬件设计,再介绍了控制系统中应用到的各总线时序和基础理论,以及对应接口的硬件设计。

                  第 4 章:详述蓝牙通信?榈纳杓,先针对低功耗蓝牙技术进行了简介,再介绍了蓝牙通信?榈闹鞒绦蛄鞒桃约盎诶堆佬榈奈尴咄ㄐ攀荽涑绦蛏杓。 第 5 章:详述 MSP430 控制系统的软件设计,先介绍了控制系统主程序流程和单片机的初始化程序设计,再介绍了控制系统各接口协议的设计与软件程序。 第 6 章:介绍了针对 MSP430-FPGA 数据转换器测试平台上位机控制软件的改进,并以 AD9268芯片为测试案例给出测试过程和测试结果,验证 MSP430 控制系统的整体性能。

                  第 7 章:总结与展望,先总结了论文完成的工作,再结合系统测试结果,提出系统的改进方向。

                  第 2 章 数据转换器测试平台架构概述
                  2.1 模数转换器基础理论
                  2.2 系统需求分析

                  2.3 ARM-FPGA 数据转换器测试平台硬件架构
                  2.3.1 ADC 测试子板
                  2.3.2 高速数据处理系统
                  2.3.3 ARM 控制系统
                  2.4 基于 MSP430 控制系统的数据转换器测试平台方案
                  2.5 本章小结

                  第 3 章 数据转换器测试平台控制系统的硬件设计
                  3.1 MSP430 控制系统硬件设计
                  3.1.1 主芯片选型
                  3.1.2 MSP430 控制系统硬件框架
                  3.2 核心芯片?橥馕У缏飞杓
                  3.2.1 复位电路
                  3.2.2 晶体振荡电路
                  3.2.3 JTAG 接口
                  3.2.4 电源电路

                  3.3 高速数据接口硬件设计
                  3.3.1 高速数据接口设计理论
                  3.3.2 电平转换芯片介绍
                  3.3.3 高速数据接口硬件电路设计
                  3.4 上位机通信接口硬件设计
                  3.4.1 上位机 USB 有线通信接口硬件设计
                  3.4.2 上位机蓝牙无线通信接口硬件设计
                  3.5 MSP430 控制系统 PCB 设计
                  3.6 本章小结

                  第 4 章 蓝牙通信?樯杓
                  4.1 蓝牙通信?橛布杓
                  4.1.1 蓝牙通信?橹餍酒⌒
                  4.1.2 CC2650 蓝牙芯片外围电路设计
                  4.1.3 射频电路
                  4.1.4 SPI 通信接口硬件设计
                  4.1.5 蓝牙通信? PCB 设计
                 
                  4.2 蓝牙通信?槿砑杓
                  4.2.1 蓝牙软件开发基础
                  4.2.2 蓝牙通信?橛τ贸绦蛏杓
                  4.2.3 基于蓝牙协议的数据传输设计
                  4.3 本章小结

                  第 5 章 数据转换器测试平台控制系统的软件设计
                  5.1 MSP430 控制系统主程序设计
                  5.2 高速数据接口软件设计
                  5.2.1 FPGA 编程软件设计
                  5.2.2 AHB 总线通信软件设计
                  5.3 上位机通信接口软件设计
                  5.3.1 上位机有线通信接口软件设计
                  5.3.2 上位机无线通信接口协议
                  5.4 测试子板配置软件设计
                  5.5 本章小结

                  第 6 章 上位机软件修改及系统测试
                  6.1 上位机软件功能介绍
                  6.2 接口软件设计
                  6.2.1 测试平台通信连接
                  6.2.2 高速数据处理系统程序下载
                  6.2.3 ADC 芯片测试

                  6.3 系统测试
                  6.3.1 测试芯片介绍
                  6.3.2 测试结果分析
                  6.4 本章小结

                第 7 章 总结与展望

                  7.1 总结

                  本文目的是设计与实现基于低功耗单片机和蓝牙的高速高精度 ADC 测试平台控制系统,借助已有的测试平台架构,对控制系统部分重新进行设计,降低了系统干扰并拓展出控制系统与上位机的无线通信方式。

                  本文应用 MSP430 单片机搭建了系统核心?,并基于 LabWindows/CVI 开发环境,使用 C 语言设计系统控制软件,通过 USB 接口连接仪器设备,实现主控计算机对整个测试系统的自动控制,最终利用 AD9268 芯片测试验证 MSP430 控制系统的性能。

                  本文完成的主要工作如下:

                 。1)完成 MSP430 控制系统的硬件设计,使用嵌入式结构,完成了核心单片机?橛布颓度胧嚼堆劳ㄐ拍?橛布纳杓,利用多个通信接口建立了与测试平台其他系统的连接,使得原测试平台中测试子板和高速数据处理系统部分可以不加修改的与本系统协同运行。 (2)完成 MSP430 控制系统的软件设计,在低功耗单片机芯片和蓝牙芯片中搭建运行程序的架构,对每个功能?榻斜喑淌迪,通过 SPI 接口传输协议完成了蓝牙通信?樽魑该魇荽渫ǖ赖纳杓,通过 USB 传输协议和蓝牙无线传输协议建立起与上位机的多种通信方式,实现了MSP430 控制系统对整个测试平台运行状态的监控和数据的完整传输。 (3)基于 LabWindows/CVI 开发环境,更改了数据转换器测试平台与上位机通信接口的软件设计,实现上位机软件与 MSP430 控制系统的协调工作,完成上位机对整个测试平台的控制。

                 。4)基于特定的测试场景针对 AD9268 芯片进行测试,结合测试结果,验证 MSP430-FPGA 数据转换器测试平台的整体性能,结果表明测试平台达到了指标要求。

                  7.2 展望

                  受研究时间限制,本文设计的数据转换器测试平台控制系统完成了项目要求的基本功能,但仍存在很多方面需要完善与拓展,因此,对未来工作的展望如下:

                 。1)测试速度的提升:本系统受限于单片机的工作频率,上位机测试结果数据以大约 10s 为单位进行刷新,为了提升测试的流畅性,需要提高 MSP430 控制系统与高速数据处理系统的数据传输速度以及优化上位机数据处理的运行程序,缩短整个测试流程花费的时间。

                 。2)测试平台控制软件的完善:本文设计只针对 AD9268 一款 ADC 芯片进行了控制软件的程序编写,还需要完成对其他芯片测试应用所需的软件编写,从而完善 MSP430-FPGA 数据转换器测试平台的使用。

                 。3)无线通信?榈耐晟疲罕疚纳杓仆瓿闪宋尴呃堆劳ㄐ拍?榈挠布杓坪屯ㄐ判樯杓,但未针对蓝牙协议进行上位机的软件开发,后续可以将软件设计加入到测试平台控制软件的设计中,完成有线通信和无线通信的交叉使用,使得测试平台功能更加多样化。

                 。4)DAC 测试平台的拓展:本文设计的 ADC 测试平台控制系统亦可用于 DAC 芯片测试,建立在与高速数据处理系统的协调工作基础上,可以通过修改高速数据处理系统软件设计,配合与MSP430 控制系统间的高速数据传输接口,拓展 MSP430 控制系统对 DAC 测试的控制功能,最终只 需更换顶层测试子板便可进行 DAC 芯片测试。

                致谢

                  时光荏苒,岁月匆匆,转眼间我在东南大学三年的研究生生活即将结束,回首这三年的时光,老师的谆谆教导,同学的耐心帮助,家人朋友的密切关怀都是我学习成长路上的动力,内心充满了感激。

                  首先,我要致以真诚谢意的是我的研究生导师孟桥教授。孟老师作为学科专家拥有非常丰富的学识和经验,为人谦和,循循善诱,跟老师的每一次交流都让我受益良多。孟老师对待学术问题有自己独到的见解,科研态度十分严谨,当我在项目中遇到困难时,老师都会在技术方向上给予我许多实际性的指导与帮助,让我的项目能够顺利进行。在生活中,孟老师对学生关爱有加,给予了我们许多帮助,老师非常注重学生综合素质的培养,也喜欢与我们分享一些生活技巧,让我在研究生阶段受益匪浅。作为孟老师的学生,我感到非常幸运。同时也感谢赵文遐老师在研究生阶段对我的指导与帮助。

                  此外,我要感谢魏睿同学,在系统测试阶段不惜花费自己的宝贵时间陪我去测试,帮助我理解测试流程,一起解决测试过程中遇到的问题,最终取得了非常好的结果;感谢刘玮、张添翼师兄,在科研道路上给予我耐心的指导与帮助,在我遇到问题向他们请教时,与我一起探讨、解决问题,让我学到了许多宝贵的调试经验;感谢同门姚舜禹、黄佳,在项目调试时帮我解决了高速数据处理系统上遇到的问题;也感谢师姐黄禹佳,同门孙雅茹、周智、李国栋和实验室师弟师妹们,在实验室对我的照顾,给我科研以外的生活中带来了很多欢乐。

                  最后,感谢我的父母,感谢他们对我的关心和照顾,支持我在学习和生活中做的决定,他们永远是我最坚强的后盾;感谢我的朋友,在我研究生生活中对我的支持和关心,为我的生活带来了许多精彩的元素。

                  参考文献
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                  [2] 刘宾; FPGA 的高速 ADC 性能测试系统设计[D]:[硕士学位论文].西安:电子科技大学,2017
                  [3] 李行善,左毅,孙杰。自动测试系统集成技术[M].北京:电子工业出版社,2004
                  [4] 祖俊婕。高速高精度数据转换器测试验证系统设计与实现[D]:[硕士学位论文].南京:东南大学信息科学与工程学院,2017
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