數字硬件設計調試攻略

　　工程設計項目中最令人振奮的時(shí)刻之一就是第一次將硬件移到實(shí)驗室準備開(kāi)始集成測試的時(shí)候。開(kāi)發(fā)過(guò)程中的這個(gè)階段通常需要很長(cháng)時(shí)間，也會(huì )對所有的項目工程師造成很大的壓力。不過(guò)，現有的工具和方法能減輕壓力，幫助推進(jìn)項目進(jìn)展。

　　讓我們來(lái)看一下，如何在將設計推進(jìn)到更高層面的過(guò)程中最大限度地減少可能發(fā)生的任何問(wèn)題，以及如何快速順利地通過(guò)調試階段。

　　從第一天起就要設想如何進(jìn)行測試

　　所有工程師都知道，隨著(zhù)開(kāi)發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，修改問(wèn)題的成本也會(huì )相應增加。一旦設計方案最終定型并投產(chǎn)，再修改引腳輸出錯誤的成本必然高于早期設計評估時(shí)修改的成本。此外，在測試與集成方面也同樣存在成本問(wèn)題，越早考慮硬件、FPGA、系統等的測試問(wèn)題并編寫(xiě)測試規范，就越便于工程設計團隊考慮到必要的測試點(diǎn)、連接和功能性。測試的目的是確保能推出可滿(mǎn)足用戶(hù)具體要求的安全系統。因此，我們必須確保測試能體現所有要求，而功能測試則要求應能實(shí)現流程傳遞并可跟蹤設計要求(即每個(gè)測試均應滿(mǎn)足其所對應的需求)。

　　此外，對設計驗證模型進(jìn)行編輯也是一種非常好的做法，能詳細說(shuō)明測試每項功能要求的方法，如具體的測試、分析或讀取方法(條件是在另一個(gè)項目上較早明確或測試了相關(guān)要求)。文檔(圖1)可能還涉及哪些測試需用于設計驗證，以及哪些用于生產(chǎn)運行。在項目階段早期即完成上述文檔，可確保系統設計團隊和測試設備的設計團隊獲得明確的基本方法。

　　但是，在進(jìn)行功能性測試之前，設計工程師還必須確保底層硬件的正確性。他們通常需要包含電源、性能和硬件基本驗證等內容的硬件級測試規范，而硬件基本驗證需在功能測試之前進(jìn)行。

　　明確需要何種測試設備以及什么樣的性能非常重要，例如需要分析信號發(fā)生器和邏輯分析器是否能提供足夠的存儲深度和工作頻率?此外，還需明確是否需要更專(zhuān)業(yè)化的測試設備，如任意波形生成器、高穩定性頻率參考等。

　　設計階段應包括的內容

　　在硬件的設計過(guò)程中，或許應包括幾項設計特性和功能，以使電路板的測試能夠更方便。相關(guān)要求可能比較簡(jiǎn)單，也可能較有深度。

　　最簡(jiǎn)單也是最常見(jiàn)的測試規定是在所有電壓源上放置測試點(diǎn)，這避免了探詢(xún)焊接點(diǎn)時(shí)造成損壞的可能性。不過(guò)，還有一種比較好的辦法，是讓連接接地(0V)返回的焊盤(pán)靠近電壓測試點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化測試工作。若采用高值電阻來(lái)保護這個(gè)測試點(diǎn)，就能限制測試中意外短路情況下的電流。我們也可考慮給這些焊盤(pán)添加測試引腳，使其連接到可隨后在生產(chǎn)運行期間記錄結果的自動(dòng)測試系統上。

　　此外，監控時(shí)鐘和復位輸出的功能至關(guān)重要。因此，在復位線(xiàn)路上放置測試點(diǎn)不矢為一種好辦法。另外，還應確保正確端接不使用的時(shí)鐘緩沖器并添加測試點(diǎn)，從而便于對時(shí)鐘進(jìn)行探詢(xún)。此外還可考慮添加測試端口，通過(guò)信號發(fā)生器、邏輯分析儀或其他測試工具來(lái)實(shí)現信號的注入和提取。

　　為了幫助原型設計達到功耗要求，如果可能，通常比較好的做法是在電壓調整器的輸出端串聯(lián)低值電阻(10毫歐、100毫歐等)，以便精確測量電源軌上的電流。

　　圖1：非常實(shí)用的工具：用驗證表詳細列出測試每個(gè)功能要求的方法

　　眾多FPGA器件也都能提供采用溫度二極管監控芯片溫度的方法。需要想辦法為二極管提供恒定電流。測定芯片溫度有助于我們確保結溫不超出額定值。

　　要確保所有組件都適當就位，明確是否符合設計方案的要求，特別是如果只有一個(gè)上拉或下拉電阻應就位并選擇配置模式時(shí)更是如此。

　　檢查完印刷電路板上的各組件之后，下一步就是首次給電路板加電。對于任何工程師來(lái)說(shuō)，這都是非常緊張的時(shí)刻。但是，在設計階段(測試點(diǎn)、電流感測電阻等)編制的測試規定將在這時(shí)發(fā)揮很大的協(xié)助作用。第一步是確保負載點(diǎn)和其他穩壓器的功率輸出不發(fā)生短路返回。您可能會(huì )在帶載器件(具有高電流要求)的電源軌上發(fā)現低阻抗，不過(guò)阻抗應大于1歐姆。