基于单片机的高速信号测试接口板的实现

在数字电路设计和调试中，对设计单元电路的性能进行实时测试是必不可少的环节。很多情况下，需要通过计算机的比较和分析，来测试设计的电路的性能是否达到要求。这就需要设计一个测试接口板，将计算机产生的测试数据送入单元电路，再将单元电路的输出结果送回计算机。

在电路测试接口板的设计过程中，常常会遇到总线时钟频率较高(如40 MHz以上)、总线宽度较宽(如36 b)、要求测试的数据量较大(几Mb/s)的单元电路。这时实时地进行数据的双向传输比较困难，因为不论采用总线频率较高的PCI数据总线或USB总线［1］，都达不到系统要求的数据传输速率，所以必须进行数据的缓存。考虑到PCI总线和USB总线的接口电路复杂、开发周期长，本文介绍一种采用单片机为控制单元，通过RS232C接口，使用高速FIFO存储器件作为缓冲，在单元电路与计算机之间传输数据的方案。该方案实现简单，开发周期短，完全可以满足对于上述的数字单元电路的测试要求。

这里以测试总线频率40 MHz，数据宽度32 b的单元电路为例，介绍用单片机和FIFO实现的高速信号测试接口板方案，整个测试系统结构如图1所示。

1 系统概述

整个系统主要由单片机、FIFO芯片、MAX232芯片以及D触发器芯片构成。图2是系统的原理简图，图中给出 了一些重要的器件和控制信号。

系统的工作流程如下：首先将测试数据从计算机的RS232C口送入单片机，单片机将其变为8 b并行数据写入FIFO1，这期间不对FIFO1进行读操作。FIFO1满后，被测板以40 MHz的总线时钟频率并行读取FIFO1，同时被测板的输出以同样速率写入FIFO2。FIFO2满后，再通过RS232C口将FIFO2中的数据读入PC机，其中的控制操作由单片机及外围电路来完成。下面将分4个步骤介绍系统的工作过程，其中前2个步骤是测试数据从计算机传送到被测板的过程，后面2个步骤描述了被测板的输出结果送回计算机的过程。

1．1 RS232C口与FIFO1的通信(数据从RS232C口输入)

测试数据以串行方式从计算机的RS232C口输出，通过MAX232电平转换后进入单片机的RXD口，再转换为 8 b并行数据从P2口写入到FIFO1。单片机除了控制FIFO1和FIFO2的复位RES(图2中未标出)、FIFO1的写使能WEN1以及FIFO1的写时钟WCLK，还发出一个信号用来辅助读取FIFO1。

由于FIFO1的读取被设置为在数据写入时无效，只有写满了以后才允许被测板读取，因此对于FIFO1满状态的判断及控制非常重要。这里通过计数方式和查询方式同时确定其满状态，方法如下：在单片机内设置一个计数值为256 k的计数器，每送出一个字节，计数器值减1。当计数器减到0，查询FIFO1的管脚的状态，若为低电平，则开启，允许被测板从FIFO1中读出数据，否则向计算机发出错误信号，重新接收数据。

1．2 FIFO1与被测板的通信(数据输入被测板)

FIFO1与被测板的通信连接包括数据线以及读允许REN1。REN1的的作用是控制被测板的读取过程，只有当此信号为低电平，被测板才能从FIFO1中读数据。

由于被测板的读取速度很高，而单片机的指令周期相对慢得多，当FIFO1被读空后，如果使用单片机来控制读允许使其恢复到高电平，可能在关闭读允许以前被测板已经读入了很多无用数据，所以这里采用FIFO1的空标志位通过D触发器，和单片机的读允许端一起组成控制信号具体电路如图3(a)所示。

当单片机发出读允许信号，被测板开始读取数据，当FIFO1为空，EF1通过D触发器关断使被测板停止读数，同时，单片机关闭FIFO1的读有效信号。

1．3 被测板与FIFO2的通信(数据从被测板输出)

被测板与FIFO2的通信连接包括数据线、写允许、反馈线NW、部分复位PRS以及时钟CLK。PRS 的作用是部分复位FIFO，即将FIFO的读写指针归零，其他设置不变。CLK由被测板提供，作为FIFO1的读时钟和FIFO2的写时钟，这里为40 MHz，当测试不同的单元电路时，CLK的频率也可以随着被测对象的总线频率改变而改变。

被测板对测试信号进行处理后，首先通过PRS将 FIFO2部分复位，防止由于两者没有同时复位带来的数据误读。接着被测板将BWEN2置为低，开始向FIFO2写数据。

当FIFO2被写满，同样存在一个及时关闭其写允许的问题。这里采用FIFO2的满标志位FF2通过D触发器关断同时触发NW信号反馈给被测板，通知被测板停止输出数据，如图3(b)所示。

1．4 FIFO2与RS232口通信(数据从RS232口输出)

FIFO2的满状态除关断其写允许WEN2外，还给单片机一个中断信号，单片机收到此中断后，立即开启读允许REN2(将其置为低电平)，开始从FIFO2的空读取数据，FIFO2的空状态判别同样由计数方式和查询方式同时确定，当计数器为0时，测试FIFO2的空状态输出管脚EF2