0 引言

　　在各類飛行器系統(tǒng)的科研過(guò)程中，對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)試通常有兩種方式：一是無(wú)線電遙測(cè)法,，二是利用專用傳輸線檢測(cè)飛行器工作狀態(tài)。然而,，當(dāng)飛行系統(tǒng)再入大氣等離子中斷區(qū)或者在水下時(shí),，則無(wú)法及時(shí)動(dòng)態(tài)獲得系統(tǒng)狀態(tài)信息。該存儲(chǔ)測(cè)試器,，即黑匣子[1],，即可在例如以上的惡劣環(huán)境中實(shí)時(shí)采集飛行器各種狀態(tài)信息，并把采集到的數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)起來(lái),，事后再現(xiàn)飛行器在盲區(qū)的工作狀態(tài),。該存儲(chǔ)測(cè)試器為諸如上述測(cè)試過(guò)程中的故障模型建立及分析提供了重要依據(jù),。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件集成更多功能,，對(duì)測(cè)試的要求,，除了智能化、存儲(chǔ)容量大,、安全可靠等之外,，對(duì)測(cè)試設(shè)備小型化及低功耗的要求也持續(xù)增長(zhǎng)。低功耗目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)須從電子器件的開(kāi)發(fā)到終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)中得到落實(shí),。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

　　存儲(chǔ)測(cè)試器是一個(gè)有機(jī)的整體,它同時(shí)與被測(cè)系統(tǒng)又有信息交換,。因此,其各個(gè)相關(guān)的系統(tǒng)必須互相匹配、兼容,協(xié)調(diào)工作,。在模塊化設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了時(shí)序匹配,、阻抗匹配、精度匹配,、動(dòng)態(tài)范圍匹配等,。

　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試器基于XCR3256主控，可實(shí)現(xiàn)采編存儲(chǔ)重發(fā)功能,，能夠在指令控制下通過(guò)接口模塊采集多形式種信號(hào),，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理將采集到的數(shù)據(jù)在幀、碼同步信號(hào)指令作用下按照32×32的幀格式存儲(chǔ)起來(lái),。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1,。

　　基于飛行器信號(hào)形式的多樣性，輸入接口設(shè)計(jì)中包括模擬量輸入,、422差分串行數(shù)字量輸入以及并行數(shù)字量輸入,。針對(duì)以上輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理包括串行數(shù)據(jù)的光隔處理及串并轉(zhuǎn)換，對(duì)模擬量的采樣及A/D轉(zhuǎn)換,，最終生成并行數(shù)據(jù),，并在中心控制模塊的控制下分別寫(xiě)入存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)處理單元見(jiàn)圖2,。

　　當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí),，由于數(shù)據(jù)具有低功耗數(shù)據(jù)保持模塊，可將先前存儲(chǔ)來(lái)的數(shù)據(jù)保持下來(lái),，數(shù)據(jù)保持能力可達(dá)一年之久,，再次上電可通過(guò)并行口、差分串行口或者高速USB口將數(shù)據(jù)讀出,。

圖1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試器結(jié)構(gòu)圖

圖2 數(shù)據(jù)處理單元

　　1.2 工作原理

　　系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要有數(shù)據(jù)采集狀態(tài),、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)、數(shù)據(jù)重發(fā)狀態(tài)以及低功耗數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)與數(shù)據(jù)的采集狀態(tài)并行,，而重發(fā)狀態(tài)可在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期間中斷存儲(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行,，也可以通過(guò)判斷幀計(jì)數(shù)來(lái)完成計(jì)滿重發(fā)，重發(fā)數(shù)據(jù)前加特殊字字頭以標(biāo)示重發(fā)周期的開(kāi)始,。也可在上電之后直接重發(fā),，所有重發(fā)都可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)重發(fā)。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)重發(fā)工作流程圖

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編幀實(shí)現(xiàn)方法：通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)命令,，啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài),。幀同步信號(hào)共有2個(gè)，對(duì)應(yīng)每一主幀最后兩路的幀標(biāo)識(shí)EB,90,。在主幀中包括三路計(jì)數(shù),，分別為低計(jì)數(shù)，中計(jì)數(shù)和高計(jì)數(shù),。低計(jì)數(shù)決定副幀的長(zhǎng)度,，當(dāng)?shù)陀?jì)數(shù)從00計(jì)到1F（十六進(jìn)制，下同）時(shí),，低計(jì)數(shù)清零中計(jì)數(shù)進(jìn)位,，同時(shí)主幀的幀標(biāo)識(shí)由 EB,90改寫(xiě)為14,6F（此時(shí)對(duì)應(yīng)有副幀同步信號(hào)）,從而實(shí)現(xiàn)了32×32的全幀數(shù)據(jù)格式。中計(jì)數(shù)計(jì)到FF時(shí)清零高計(jì)數(shù)進(jìn)位,?？赏ㄟ^(guò)對(duì)幀計(jì)數(shù)是否連續(xù)的判斷來(lái)鑒別數(shù)據(jù)的記錄是否有丟數(shù)，錯(cuò)數(shù),。

　　對(duì)于每路副幀的數(shù)據(jù)格式安排如下：低計(jì)數(shù)為00,，01時(shí)插入幀字頭，計(jì)到1E,，1F時(shí)記錄當(dāng)前中計(jì)數(shù)和高計(jì)數(shù),，中間的28幀記錄系統(tǒng)中的各工作狀態(tài)參數(shù)。全幀中同一位置為同一個(gè)參數(shù)的不同時(shí)刻的狀態(tài),。

　　2 低功耗的實(shí)現(xiàn)方法

　　降低系統(tǒng)功耗的傳統(tǒng)手段主要集中在硬件上, 如：選擇低功耗器件,、安排不同的供電回路等。然而,，硬件只是一個(gè)平臺(tái)，軟件的作用不容忽視,，總線上幾乎每一個(gè)芯片的訪問(wèn),、每一個(gè)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)差不多都由軟件控制，如果軟件能減少外存的訪問(wèn)次數(shù),、及時(shí)響應(yīng)中斷等都將對(duì)降低功耗作出很大的貢獻(xiàn),。

　　2.1 硬件

　　2.1.1 芯片級(jí)低功耗實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　在該設(shè)計(jì)中大部分器件如主控芯片、存儲(chǔ)器,、總線驅(qū)動(dòng)器,、FIFO等都是采用的CMOS,、HMOS低功耗器件。

　　主控芯片選用的Xilinx公司的CPLD,，型號(hào)為XCR3256,，3.3V工作電壓，低功耗運(yùn)作,，5V與3.3V兼容I/O端口,。對(duì)于不用的 I/O口全部設(shè)為輸出（外面不接任何有驅(qū)動(dòng)的信號(hào)）。如果I/O懸空的話,，受外界的一點(diǎn)點(diǎn)干擾就可能成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)了,，而CMOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。此外,，懸空的輸入引腳由于處于0, 1 之間的過(guò)渡區(qū), 可使電路中的反相器P 溝道和N 溝道都處于導(dǎo)通狀態(tài), 也將導(dǎo)致CPLD本身功耗增大,。如果把它們上拉，每個(gè)引腳也會(huì)有微安級(jí)的電流,。因此,，在設(shè)計(jì)中將不同的I/O全部設(shè)為輸出。

 　　2.1.2 電路級(jí)低功耗實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　公式（1）為CMOS電路功耗的計(jì)算公式[3],。式中：P為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗總合,；m為節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為器件總數(shù),；VDD為工作電壓,；fak為時(shí)鐘頻率；ILn為反向漏電流,；ISCn為瞬態(tài)短路電流,；am為節(jié)點(diǎn)充電率；cm為節(jié)點(diǎn)電容,。

　　從該公式中可見(jiàn)降低系統(tǒng)工作電壓可達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的,。對(duì)于中心控制模塊采用專用的低電壓電源模塊TPS70358進(jìn)行供電。TPS70358可以提供3.3V/2.5V兩組供電方式,，同時(shí)它本身還具有電源管理功能,。

　　圖4為低功耗數(shù)據(jù)保持電路，在存在系統(tǒng)供電時(shí),，可對(duì)電池進(jìn)行充電,，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)可由電池對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自保持,。存儲(chǔ)器的靜態(tài)功耗僅為10mW ,，由計(jì)算可知該電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)保持期可達(dá)一年以上。

圖4 低功耗數(shù)據(jù)保持電路

　　2.2 軟件

　　正如我們所知，對(duì)于可編程邏輯器件,，其內(nèi)部觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)次數(shù)以及開(kāi)關(guān)量的輸出對(duì)器件本身的功耗影響非常大,。該設(shè)計(jì)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了主控芯片自身的功耗調(diào)節(jié)，通過(guò)控制系統(tǒng)內(nèi)芯片使能以及總線的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)的低功耗,。

　　2.2.1 采用狀態(tài)機(jī)編碼

　　在主程序中采用狀態(tài)機(jī)編碼,，對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行賦值保護(hù)。對(duì)最終輸出信號(hào)不需要更新的輸入信號(hào)利用狀態(tài)機(jī)控制阻止其傳播至下一個(gè)狀態(tài)或其他邏輯塊,。僅在需要時(shí)改變輸出值,，減少了不必要的開(kāi)關(guān)輸出。

圖5 82C52的狀態(tài)機(jī)配置模塊及仿真結(jié)果

　　從數(shù)據(jù)采集處理模塊出來(lái)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)其實(shí)為三路數(shù)據(jù),，通過(guò)狀態(tài)機(jī)利用鎖存器使三路數(shù)據(jù)在不同時(shí)刻占用存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線,，有效抑制了無(wú)效的開(kāi)關(guān)活動(dòng)。

　　2.2.2 充分利用了元器件的使能控制

　　在整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程中,，有時(shí)候一些器件的行為對(duì)當(dāng)前的功能實(shí)現(xiàn)不是必須的,，但增加了多余功耗。如存儲(chǔ)器的功耗在片選有效時(shí),，無(wú)論讀寫(xiě)信號(hào)狀態(tài)如何,，都將比片選無(wú)效時(shí)大幾十倍以上。在該系統(tǒng)中通過(guò)把一個(gè)控制系統(tǒng)映射到中心控制模塊,，在滿足必要約束的條件下,，盡可能的縮短了各芯片和控制邏輯的片選及使能。通過(guò)解除與當(dāng)前操作無(wú)關(guān)的器件的使用,，有效地減少了系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)活動(dòng),，降低了系統(tǒng)的功耗。

　　2.2.3 采用門控時(shí)鐘技術(shù)

　　在整個(gè)程序中分為消抖模塊,、82C52的配置模塊,、地址發(fā)生器模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊以及數(shù)據(jù)編幀模塊等幾大部分,，其中又包括若干個(gè)進(jìn)程,。對(duì)于暫時(shí)不用的模塊停止其時(shí)鐘。因?yàn)橛性磿r(shí)鐘緩沖器數(shù)目的減少直接導(dǎo)致了翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器次數(shù)的減少,，而觸發(fā)器輸出端可能的反轉(zhuǎn)也隨之減少,。運(yùn)用門控時(shí)鐘技術(shù)要求仔細(xì)規(guī)劃和分割算法，當(dāng)可節(jié)省可觀的系統(tǒng)功耗,。

　　圖5(a)中82C52配置模塊中的BUFE即可實(shí)現(xiàn)門控作用,。

　　此外，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越高,，時(shí)鐘信號(hào)開(kāi)關(guān)活動(dòng)越頻繁，電容性負(fù)載就越大，系統(tǒng)功耗也就越大,。因此,，系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)系統(tǒng)功耗也有顯著的影響。結(jié)合實(shí)際情況,，在該設(shè)計(jì)中選用9. 8306MHz的晶振,。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試器技術(shù)指標(biāo)如下：

　　◆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量2MByte；

　　◆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)波道30路,；

　　◆80路模擬量采樣,；

　　◆422差分串行數(shù)字量采樣；

　　◆并行數(shù)字量采集,；

　　◆系統(tǒng)功耗：50mA,；

　　相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于某某項(xiàng)目的測(cè)試，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的數(shù)字量和模擬量進(jìn)行存儲(chǔ)和重發(fā),，取得了良好的效果,。

　　該技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，不僅可為飛行器的重要參數(shù)的獲取提供了經(jīng)濟(jì),、高效的手段,，也可為飛機(jī)、汽車,、坦克,、船舶、潛艇等地面,、水上,、水下運(yùn)載工具的故障分析提供了充分的依據(jù)，對(duì)不斷完善各類運(yùn)載工具,，降低其研制,、維修成本具有一定的意義。