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1、基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计中文摘要基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计中文摘要本文论述了基与虚拟串口的嵌入式系统测试卡的设计方案，应用此测试卡可以实现小型嵌入式系统的测试要求。整个测试系统由上位机P C ，测试卡，待测嵌入式对象组成。上位机P C 的应用程序实现了基于S C P I 协议的测试指令发送和测试结果显示的功能，与测试卡通过U S B 接口通讯。测试卡由与P C 通讯的U S B 接口电路，主控芯片A V R 单片机A T M E G A 3 2 外围电路，以及电平转换，数字电源，A D C ，D A C ，I O 扩展电路几个部分组成，其中F T D l 2 4 5 芯片实现
2、了虚拟串口的U S B 通讯电路。A T M E G A 3 2 与F T D l 2 4 5 进行八位并行信号传输，并以S P I 总线与待测嵌入式对象通讯。文中论述了测试卡的组成电路，P C 端应用程序及A T M E G A 3 2 代码流程的设计，且对测试卡的实时通讯信号质量和硬件调试过程进行了介绍。通过一款实际的嵌入式对象测试实验描述测试卡多功能的指令模式和S P I 简洁的通讯方式，对同类嵌入式系统开发具有较好的参考应用价值。关键字虚拟串口；A V R 单片机；S P I S C P I 协议作者：薛震宇指导老师：施国梁基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计英文摘要E m b e d
3、d e dS y s t e mT e s tC a r dD e s i g nB a s e dO nV i s u a l C o MP o r tF o rA b s t r a c tT h i sa r t i c l ed e t a i l ye l a b o r a t et h ed e s i g ns c h e m eo fv i s u a lc o mp o r tU S Be m b e d d e ds y s t e mt e s tc a r d ，t h i sc a r dC a l lb ef o rt h es m a l le m b e d
4、d e ds y s t e mt e s t i n gr e q u i r e m e n t T h ew h o l et e s t i n gs y s t e mi sc o m p o s e db yP C ，t e s tc a r da n ds m a l le m b e d d e ds y s t e mw h i c hn e e dt ob et h et e s t P Ca p p l i c a t i o ns o f t w a r eh a st h ef u n c t i o no ft e s t i n gc o m m a n dt r
5、 a n s f e r r i n gw h i c hb a s e do nS C P Ip r o t o c o la n dt e s tr e s u l td i s p l a y ，U S Bp o r tc o m m u n i c a t e诵t ht e s tc a r d T e s tc a r dc o m p o s e d 谢t hU S Bp o r t , A T M E G A 3 2 ，l e v e ls h i f t ，A D C ，D A C ，F Oe x p a n dc i r c u i t ，F T D l 2 4 5a c t
6、a st h ev i s u a lC O Mp o r tU S Bp o r t ，A T M E G A 3 2t r a n s f e rp a r a l l e ls i g n a lw i mF T D l 2 4 5a n dc o m m u n i c a t es m a l le m b e d d e ds y s t e mw i t hS P Ip r o t o c 0 1 T h ea r t i c l es p e c i f yt h et e s tc a r dc i u c u i t ，P Ca p p l i c a t i o ns o
7、 f t w a r ea n dA T M E G A 3 2c o d ed e s i g nf l o wc h a r t ，a l s oc l a r i f yt h er e a lt i m es i g n a lq u a l i t ya n dH Wd e b u gp r o c e d u r e A n df i n a l l yr e v e a lt h et e s tc a r dm u l t i f u n c t i o nc o m m a n di n s t r u c t i o na n ds i m p l e ，h i g he
8、f f i c i e n c yS P Ip t o t o c o lw h i c hc a nb ef o rt h eg o o dr e f e r e n c eo ft h es a m et e s t i n gc a r dd e s i g n K e yw o r d sV is u a lC O Mp o r t ；A V RA T M E G A 3 2 ：s P I S C P Ip r o t o c o ll IW r i t t e nb y ：X u eZ h e n g y uS u p e r v i s e db y ：S h iG u o l i
9、 a n g基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计第一章序言第一章序言嵌入式系统( E m b e d d e dS y s t e m s ) 是指用于实时控制、监视、管理或辅助其他设备设施运行的设备，硬件形式的嵌入系统多为专用的或可编程控制的芯片，是最主要的嵌入式系统。嵌入式系统已经广泛应用于人类生活中，包括消费电子产品、交通系统、工业过程控制等等。嵌入式系统安全性的失效可能会导致灾难性的后果，即使是非安全性系统，由于大批量生产也会导致严重的经济损失，这就要求对嵌入式系统，包括嵌入式软硬件进行严格的测试、确认和验证。目前业界针对嵌入式系统的测试大多使用以N l ( N a t i o n a
10、li n s t r u m e n t ) 为代表的虚拟仪器测试方案，由专用的P C I P C I E 测试界面卡( 如N IP C I 6 0 2 5 E 系列) 和L a b v i e w应用程序函数库组成，功能强大，适合大型嵌入式系统复杂功能的测试。但是对于一般小型嵌入式系统而言，运用此系统具有成本高，测试界面卡I O 使用率低的缺点，因此不适合使用此测试方案。基与此本文设计了一款多功能测试卡，能够满足小型嵌入式系统接口简单，测试功能较单一的要求，可以广泛应用于以消费电子产品为代表的系统测试。测试卡与待测对象以S P I 总线连接，接口简洁，只需五根信号线即可实现数据双向传输。测试
11、卡与P C 端通过U S B 口连接，即插即用，连接方便，以S C P I 指令方式传输数据。其中由F T D I 公司的虚拟R S 2 3 2F T D l 2 4 5 芯片实现U S B 数据传输，所有数据转换操作均由F T D l 2 4 5 硬件实现。P C 端应用软件直接调用F T D I 提供的D L L 驱动包，按照R S R 2 3 2 标准协议编写程序。对于F T D l 2 4 5 系列I C 在国外的应用已经很普遍，大量应用于各种U S B 接口的开发中，国内开发在该领域起步较晚，涉及范围还未广泛，只有少量的基与此I C 的开发见诸文献报道。而基于虚拟串口，同时应用S C
12、 P I 和S P I 传输协议的测试卡方案在国内外还未见有文献报道。因此，本课题对小型嵌入式系统的测试卡设计过程及方法的探索研究，对于国内相关进行嵌入式系统的测试研发的企业和科研机构，具有一定的参考应用价值。基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计第二章嵌入式系统测试卡原理第二章嵌入式系统测试卡原理2 1 嵌入式测试卡结构框图整个测试卡系统由测试卡与P C 通讯接口电路，A T M E G A 3 2 单片机外围电路，功能扩展电路3 大部分组成( 见图2 1 ) 。由于考虑到需要满足一般小型嵌入式系统的测试要求因此添加了功能扩展电路，其中包括数字电源；A D C 转换；信号电平转换；扩展功能芯片；
13、调试用7 段L E D 等；拨段开关等。以下详细介绍了各电路的工作原理。P C 端应用程序一U8B 接口J虚拟串口U S B ol1 2 C o lF F _ P R O M o( F T D l 2 4 5 ) Jr 1S T 9 3 C 4 f 舻并行接口J单片机一 直r 脚A 3 2 + J数字电源j D A C M A X 51 7 7 段码L E D 显示j扩展I O 芯片jM A X 6 9 5 6 A A X , 信号电平转换一7 4 U ，C 4 2 4 5 一S P 屏蔽双绞线0接口一S P I 一待测嵌入式系统一图2 1 测试卡结构框图2S P pI S P & 一J T
14、A G J基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计第二章嵌入式系统测试卡原理2 2 测试卡与P C 通讯接口电路测试卡与P C 通过U S B 连接，由U S B 接口电路和F T D l 2 4 5 外围电路两部分组成。此U S B 接口电路主要功能是P C 应用程序发送S C P I 指令给F T D l 2 4 5 ，F T D l 2 4 5再将指令转换为八位并行信号给A T M E G A 3 2 单片机处理。同时A T M E G A 3 2 将待测对象的指令返回值发送给F T D I ，F T D I 转换成U S B 信号后传输给P C 应用程序。这是一个双向数据交换的接口电路。2
15、2 1U S B 接口电路F T D l 2 4 5U S B 接口使用F T D I 推荐的典型电路( 见图2 2 ) ，其中P C 端D + 与D 通过L C 网络直接连接到F T D l 2 4 5 的U S B 口。该电路所选用的元器件值可以符合F T D l 2 4 5 的阻抗匹配特性。U S B 数据线串联C M T 9 0 8 电感L 1 2 可以提高D + 和D 共模抑制比，增强了信号抗干扰能力。D + ，D ，V C C 上的接地压敏电阻选用参数为( 2 7 V ，1 8 P F ) ，可以有效抵抗E S D 瞬间大电流，低容值可以防止高频信号的过度衰减引起失真。在实际设计过
16、程中压敏电阻容值的选取是个反复的过程，最终本电路选用18 P F 。图2 2U S B 接口电路3基于虚拟串口的嵌入式系统测试卡设计第二章嵌入式系统测试卡原理2 2 2F T D l 2 4 5 及外围电路F T 2 4 5 A M 是美国F T D I 公司生产的一种U S B 专用芯片。它具有功能强、体积小、传输速度快、符合U S B l 1 技术规范、易于微处理器接口等特点并具有这样的一些硬件特性：单芯片的U S B 与并行八位F I F O 双向数据传输，R X 缓冲超时设为可调，集成了上电自复位电路，6 M H Z - 4 8 M H Z 时钟倍频锁相环等功能。P C 端应用程序调用V C P ( 虚拟串口) 驱动可达3 0 0 K 字节秒，完全可以满足小型嵌入式系统的测试数据传输要求。与M C U 通讯只用简单的4 线握手信号，片上集成了完整的U S B 协议，也就是说不需要额外对这颗芯片编写程序。F T D I 目前免费提供V C P 驱动，因此对于本案设计就不需要再开发U S B 驱动了。
