傳感器陣列數(shù)據(jù)鏈路故障診斷橋接模塊設(shè)計(jì)

龔靜康，王治

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 310013）

近年來，數(shù)據(jù)通信鏈路傳輸技術(shù)發(fā)展迅速[1]，無(wú)論是單向、雙向交替還是雙向同時(shí)傳輸技術(shù)均得到快速發(fā)展，但是隨著傳輸數(shù)據(jù)量的增大，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信鏈路傳輸過程中出現(xiàn)異常，異常原因包括數(shù)據(jù)丟包、鏈路中斷、傳輸時(shí)鐘不匹配等，常規(guī)通信鏈路傳輸異常檢測(cè)方法操作流程復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員操作。大規(guī)模傳感器陣列的數(shù)據(jù)傳輸異常檢測(cè)難度進(jìn)一步增加，常規(guī)檢修方法已不能滿足工程應(yīng)用要求。

因此確?？焖儆行У貙?duì)大規(guī)模傳感器陣列進(jìn)行故障診斷、定位和排除，并確保檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定快速傳輸，是提高現(xiàn)場(chǎng)維修人員維修效率的根本方法。當(dāng)前市場(chǎng)也存在多種故障診斷設(shè)備[2-5]，但是并不存在專門針對(duì)大規(guī)模傳感器陣列的數(shù)據(jù)鏈路故障檢測(cè)設(shè)備。

文中針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)并制作了一種基于網(wǎng)絡(luò)處理器的數(shù)據(jù)鏈路診斷橋接模塊，該模塊可以快速確定數(shù)據(jù)傳輸鏈路中故障的位置及故障原因。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障診斷橋接模塊主要任務(wù)為接收待檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)和整理、下發(fā)控制命令，模擬待檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送、控制和檢測(cè)時(shí)鐘等。系統(tǒng)主要由處理器MPC8560及外圍設(shè)備組成，外圍設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)處理芯片、NOR FLASH、DDR、ETHPHY、FPGA、FIFO 和電源模塊。

故障診斷總體架構(gòu)如圖1 所示。故障診斷橋接模塊以Freescale 公司PowerQUICC III?系列高性能網(wǎng)絡(luò)處理器MPC8560 為核心設(shè)計(jì)，CPU 主頻為833 MHz，支持16 位UTOPIA 2 層接口，ATM 通信數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)622 Mbps。故障診斷橋接模塊主要接口包括與主控PC 機(jī)通信的1 000 M 以太網(wǎng)接口、與待檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)交互的100 M 以太網(wǎng)接口。通過GMII接口外擴(kuò)兩個(gè)1 000 M 以太網(wǎng)PHY，實(shí)現(xiàn)與主控PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與調(diào)試功能；通過GMII接口外擴(kuò)兩個(gè)1 00 M以太網(wǎng)PHY，實(shí)現(xiàn)與鏈路中通信功能；擴(kuò)展32 MB Flash 程序存儲(chǔ)器和64 MB DDR SDRAM 存儲(chǔ)器，并使用一片F(xiàn)PGA 作為處理器上電控制和復(fù)位，處理器通過與FPGA 進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)同步采集時(shí)鐘的產(chǎn)生和時(shí)鐘診斷。

圖1 故障診斷橋接模塊總體架構(gòu)示意圖

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 處理器單元實(shí)現(xiàn)

大規(guī)模傳感器陣列下的數(shù)據(jù)傳輸量大，百兆以太網(wǎng)傳輸并不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，千兆以太網(wǎng)具有速率高、成本低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前信息化技術(shù)的快速發(fā)展，已有多種處理器單元下的千兆以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案[6-9]。此外還有較多的基于FPGA 的千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)方案，但是成本相對(duì)較高[10-13]。

為了降低應(yīng)用成本，滿足并保證設(shè)備的可靠性要求，文中設(shè)計(jì)的處理器單元包括MPC8560 及其周邊電路，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，命令控制等功能。處理器通過千兆網(wǎng)口與工控機(jī)主板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收主控軟件命令以及相關(guān)數(shù)據(jù)上傳。處理器通過與FPGA 交互完成時(shí)鐘的相關(guān)功能。處理器通過百兆網(wǎng)口完成與數(shù)據(jù)鏈路中的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)鏈路檢測(cè)等功能。

1）處理器時(shí)鐘設(shè)計(jì)

MPC8560 外部時(shí)鐘為3.3 V LVTTL 電平，頻率為33 MHz，精度要求為+/-50 ppm。

2）UART 端口設(shè)計(jì)

MPC8560 有一個(gè)UART 端口，通過RJ45 插件，用于調(diào)試。

3）DDR SDRAM 設(shè)計(jì)

DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM，雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器），由處理器直接控制，為系統(tǒng)程序的執(zhí)行提供內(nèi)部存儲(chǔ)資源。MPC8560 處理器外擴(kuò)了4 片DDR SDRAM 芯片MT46V16M16，組成了總?cè)萘繛? Gb，并具有64 位數(shù)據(jù)口線的DDR 模塊，以滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理和程序運(yùn)行的需要。MPC8560 通過各信號(hào)線完成對(duì)4 片DDR SDRAM 芯片的控制與信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序和數(shù)據(jù)的存取。處理器與4 片DDR SDRAM 芯片之間的口線連接如圖2 所示。

圖2 DDR SDRAM連接框圖

4）MPC8560 處理器的JTAG 接口信號(hào)線功能如表1 所示，主要實(shí)現(xiàn)以下3 種功能：

表1 JTAG接口信號(hào)線功能表

①獲取MPC8560 的運(yùn)行信息，以完成對(duì)處理器芯片的調(diào)試；

②通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)處理器的復(fù)位；

③對(duì)FLASH 芯片進(jìn)行程序燒錄，完成程序的修改與升級(jí)。

5）以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)MPC8560 自帶10/100/1 000 Mbps 以太網(wǎng)控制器（TSEC），該系統(tǒng)利用該控制器擴(kuò)展了兩路1 000 M 以太網(wǎng)接口和兩路100 M 以太網(wǎng)接口。TSECs 和FCC2 分別使用GMII 接口模式和MII 接口模式與以太網(wǎng)PHY 芯片進(jìn)行交互[14]。

該系統(tǒng)選用VSC8641 作為1 000 M 以太網(wǎng)PHY芯片，LXT971作為100 M以太網(wǎng)PHY芯片與MPC8560 處理器相連。以太網(wǎng)接口的連接框圖如圖3 所示。

圖3 以太網(wǎng)接口連接框圖

2.2 電源模塊說明

電源模塊以12 V直流電源輸入，通過PTH 08T220W非隔離寬輸出調(diào)節(jié)電源模塊產(chǎn)生＋1.2 V、＋3.3 V、＋5 V的直流電壓，其中＋1.2 V和3.3 V滿足MPC8560的供電需求，另外將＋3.3 V 的電壓輸出通過TPS79901 和MIC29502 降壓分別得到＋1.5 V和＋2.5 V的輸出，其中＋1.5 V的電壓輸出給A3P125供 電，＋2.5 V 給MPC8560 DDR 芯片供電，同時(shí)將＋2.5 V再次降壓，得到＋1.25 V的電壓輸出，滿足DDR芯片的供電需求。＋5 V 的電壓輸出通過ADP 3338-3.3 降壓芯片，得到正+3.3 V 的電壓輸出，滿足LXT971 的供電需求。供電架構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 供電架構(gòu)框圖

2.3 單元配合描述

FPGA 與處理器通過GPIO 進(jìn)行交互。采用5 個(gè)處理器GPIO 接口總線實(shí)現(xiàn)通信。處理器通過兩個(gè)千兆網(wǎng)口與工控機(jī)連接，獲取主控軟件命令和數(shù)據(jù)上傳，并實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能；串口與工控機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)處理器通信調(diào)試；兩個(gè)百兆網(wǎng)口連接數(shù)據(jù)鏈路，完成其他測(cè)試功能。

2.4 時(shí)鐘分配

該系統(tǒng)各芯片采用的時(shí)鐘如表2 所示。

表2 各芯片采用的時(shí)鐘分配示例表

2.5 系統(tǒng)復(fù)位設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈路故障診斷橋接模塊功能復(fù)雜，模擬電路和數(shù)字電路集成在同一電路系統(tǒng)中，并統(tǒng)一供電。電源上電時(shí)，需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)初始化數(shù)字電路中的存儲(chǔ)單元，如數(shù)字寄存器，模擬電路中積分器等，以確保芯片進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，因此系統(tǒng)上電復(fù)位信號(hào)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[15]。

文獻(xiàn)[15-17]分別針對(duì)彈載系統(tǒng)、磁阻傳感器和電能表的系統(tǒng)復(fù)位問題設(shè)計(jì)了復(fù)位電路，成本低、但增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。文中整個(gè)復(fù)位模塊的設(shè)計(jì)以復(fù)位芯片ADM706 為核心，配合74AHC125 和FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位控制。系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)位線路如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)設(shè)計(jì)框圖

其中，ADM706 是ADI 公司設(shè)計(jì)的一款電壓監(jiān)控復(fù)位芯片，可在3.3 V 電源穩(wěn)定后發(fā)送復(fù)位脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)復(fù)位。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，ADM706 可通過監(jiān)測(cè)按鍵開關(guān)的開關(guān)情況，當(dāng)按下按鍵開關(guān)后，ADM706 產(chǎn)生復(fù)位脈沖HREST*，并將其發(fā)往FPGA 和三態(tài)緩沖器74AHC125，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的硬復(fù)位。FPGA 通過HRESET 和調(diào)試復(fù)位信號(hào)COP_HRESET*生成處理器復(fù)位信號(hào)CPU_HRESET*，控制處理器復(fù)位。74AHC125 芯片輸出的復(fù)位信號(hào)包括1 000 M 以太網(wǎng)PHY 芯片復(fù)位信號(hào)G_RST1/2*、100 M 以太網(wǎng)PHY芯片復(fù)位信號(hào)ETH_RST1/2*、ATM PHY 復(fù)位信號(hào)ATM_RST1/2*、FIFO 芯片復(fù)位信號(hào)FIFO_RST和FLASH 復(fù)位信號(hào)FLASH_RST*。除了硬件復(fù)位外，在進(jìn)行JTAG 調(diào)試時(shí)，可通過JTAG 接口的復(fù)位信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)對(duì)MPC8560 的e500 核心的軟復(fù)位。通過多種復(fù)位方式保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)方法，故障診斷橋接模塊設(shè)計(jì)完成布板后的成品如圖6 所示。

圖6 故障診斷橋接模塊印制板

3.2 測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果

3.2.1 時(shí)鐘狀態(tài)檢測(cè)驗(yàn)證

運(yùn)行時(shí)鐘控制與狀態(tài)分析軟件，通過信號(hào)發(fā)生器模擬時(shí)鐘信號(hào)的無(wú)時(shí)鐘、過慢、過快、正常等狀態(tài)，查詢故障診斷橋接模塊獲取到的時(shí)鐘狀態(tài)，觀察是否正確；將第41 個(gè)節(jié)點(diǎn)的第一路時(shí)鐘斷開，通過數(shù)據(jù)鏈路故障診斷橋接模塊及相應(yīng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行觀測(cè)，能夠顯示第一路時(shí)鐘頻率為0，即斷開狀態(tài)，判斷異常。時(shí)鐘狀態(tài)異常前后檢測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 時(shí)鐘狀態(tài)檢測(cè)

3.2.2 數(shù)據(jù)丟包檢測(cè)

故障診斷橋接模塊接入鏈路中，運(yùn)行采集傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析軟件，給所有通道輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信號(hào)，并任意變化，觀察是否存在數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。搭建含有丟包節(jié)點(diǎn)的采集傳輸系統(tǒng)，將第41 號(hào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為丟包節(jié)點(diǎn)，連接到故障檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸鏈路模塊，加電測(cè)試，通過相應(yīng)的上位機(jī)軟件并進(jìn)行觀測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8 所示，檢測(cè)結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路通信正常，但是存在丟包問題。

圖8 鏈路丟包及鏈路穩(wěn)定性

3.2.3 傳輸鏈路故障檢測(cè)

斷開鏈路中第41 號(hào)節(jié)點(diǎn)處的傳輸鏈路，通過數(shù)據(jù)鏈路故障診斷橋接模塊及相應(yīng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行觀測(cè)，斷開前后檢測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖9所示，其中異常情況下已不能顯示第41號(hào)節(jié)點(diǎn)，并指示鏈路斷開狀態(tài)。

圖9 鏈路檢測(cè)

4 結(jié)論

該文針對(duì)工程應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸鏈路中常見的故障問題，設(shè)計(jì)了故障診斷橋接模塊，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該電路的有效性。通過該模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器陣列故障的準(zhǔn)確檢測(cè)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定的傳輸，進(jìn)而大大縮減了維修人員維修設(shè)備時(shí)的故障排查時(shí)間，提高了檢修效率。