鐵路電子機箱設備內部通常有復雜的內部數據，特別是在實時控制領域，往往需要對內部的模擬量計算值或者檢測值進行快速的檢測，以驗證模擬量計算值或檢測值的正確性。目前主要的調試方法有：使用仿真器在線調試、使用串口調試、直接使用萬用表和示波器連接接線電纜調試。
    依靠仿真器對板卡處理器內部變量的運行情況進行檢測在現場調試使用中較為局限。一方面仿真器只能針對某特定類型處理器，在實時性和快速性要求很高的情況下，仿真器的檢測速度將無法達到調試需求，特別在變量較多的情況下，內部變量的檢測具有較大時滯性。另一方面在很多機箱應用場合仿真器連接很不方便，甚至根本無法連接。
　使用串口調試的方法較為普遍。通過串口將設備內部信息輸出到PC，通過串口調試助手或上位機軟件觀測變量。這種方法在檢測單個變量的情況下十分方便，但在多路變量實時檢測時具有較大時滯性。檢測變量越多，占處理器資源也就越多，會影響設備的實時性能。
    使用萬用表和示波器連接接線電纜調試是現場調試最為常用的方法。這種檢測方法較為直觀，但其對應用場合的限制較多。一方面受到現場連接器的限制，另一方面對多路信號同時檢測時十分不便，而且在一些高壓場合無法進行接線。
    PCI總線是一種先進的局部總線，CPCI總線在PCI局部總線的基礎上使用標準針孔連接器，更適用于高可靠性應用場合[1]。具有高可靠性、高帶寬、高開發(fā)性和可熱插拔的特點[2-3]。支持132 MB/s的峰值速度(32位總線寬度)，延時時間只需60 ns(33 MHz),并且支持66 MHz的工作頻率。非常適合大容量實時系統(tǒng)的數據傳輸[4]。
    車載多通道調試系統(tǒng)內嵌于設備機箱,對外有32路調試接口。可實現32路調試接口同時高速輸出而不影響系統(tǒng)性能。使用示波器連接32路調試接口就可以實現觀測。同時，車載電子設備在實際調試中往往需要調試信號的輸入。這種輸入信號主要通過信號發(fā)生器提供，信號發(fā)生器需要交流市電才可工作，在現場調試中使用十分不便。而使用車載多通道調試系統(tǒng)可以有效解決此問題。
1 系統(tǒng)構成
    車載多通道調試系統(tǒng)由調試板卡和配置軟件構成。
    調試板卡在硬件上由FPGA控制器、電源管理電路、參考源電路、轉換電路、調理電路和時鐘管理電路構成。如圖1所示。

    調試板卡使用FPGA為核心控制器，負責調試數據和調試指令的接收、調試數據的管理和轉換。調試板卡使用CPCI總線和并行總線對內接口，調試指令通過CPCI總線進行傳輸，調試數據通過CPCI總線和并行總線進行傳輸。
    電源管理電路負責各芯片和功能電路的供電，參考源電路負責提供參考電壓。
    高速模擬量轉換電路由轉換電路和調理電路兩個部分組成，轉換電路的作用是將數字信號轉換成模擬信號，調理電路的作用是將轉換電路輸出的信號轉換成具有較強驅動能力的相應幅值模擬量信號。調試板卡共有32路模擬輸出，每路分別和FPGA相連，由FPGA提供各個通道的控制信號。每個通道的更新頻率為500 kHz，輸出幅值為-10 V~+10 V。
    時鐘管理電路提供多路獨立時鐘信號，為FPGA內部各通信模塊和邏輯單元提供時鐘。
    配置軟件工作在上位機板卡,其作用是通過CPCI總線將配置信息發(fā)送給調試板卡,以實現對調試板卡的控制。上位機板卡和PC之間可使用以太網或串口進行通信，通過PC設置配置信息,配置軟件將參數傳遞給調試板卡并實現對調試板卡的配置。進而實現各個調試通道的輸出。配置信息包括：各個調試通道的調試數據來自哪一個功能板卡的哪一個調試變量；各個調試通道是否輸出三角波、鋸齒波、正弦波、矩形波，輸出這些波形的頻率、幅值、占空比；各個調試通道是否輸出；高速并行總線的位寬和通信頻率。
    各個功能卡和調試板卡之間使用CPCI總線或高速并行總線進行通信。當使用CPCI總線時，需要各個功能卡對CPCI接口的支持。并行總線的寬度可以配置為1路32 bit或2路16 bit總線，支持1級流水線寫入模式（需配置）。
    系統(tǒng)運行時，各個功能卡通過CPCI總線或高速并行總線將調試數據實時地傳給調試板卡，并存儲在調試板卡內存單元中。每次各個功能卡的數據傳輸都會將內存單元內的數據更新為最新。每個功能卡設置的調試數據為32路，即針對某一塊功能卡，同一時刻最多可輸出32個變量的實時信息。車載多通道調試系統(tǒng)的信號流圖如圖2所示。

    車載調試系統(tǒng)的使用方法大體如下：
    (1)機箱內各功能卡通過高速并行總線或者CPCI總線，將需要調試輸出的數據實時發(fā)送到車載多通道調試板卡。
    (2)車載多通道調試系統(tǒng)上位機控制界面配置32路調試輸出通道的信號源、高速并行總線設置。并使能各通道的輸出。如果需要輸出測試信號，需要配置測試信號的類型、頻率、幅值和占空比。
    (3)通過示波器可以觀測各個調試通道的波形。
2 FPGA控制器的設計
    車載調試系統(tǒng)使用Xilinx公司的Spartan-6系列的xc6slx100作為核心控制器。使用PCI軟核構建標準32位PCI接口，這樣可有效地利用FPGA的內部資源，在提高系統(tǒng)的集成度的同時保證系統(tǒng)的性能[5]。從圖3中可以看出，核心控制器內部組成由通信單元、邏輯處理單元、內存管理單元、轉換電路驅動單元和時鐘管理單元幾個部分組成。其中通信單元由PCI總線控制單元、高速并行總線通信單元構成，負責從CPCI總線和高速并行總線接收數據和指令；邏輯單元會實時監(jiān)控CPCI總線上傳輸過來的配置數據，配置數據的地址是固定的。根據配置數據管理內存和轉換電路驅動。邏輯單元會根據配置數據配置并行總線，可配置成1路32位并行總線或者2路16位的并行總線。邏輯單元監(jiān)控高速并行總線上傳輸的數據信息，根據并行總線通訊協(xié)議，判斷調試變量的來源和存放的位置。

    時鐘管理單元負責處理外部時鐘電路輸入的獨立時鐘，一方面為高速并行總線提供時鐘支持，另一方面為其他邏輯單元提供時鐘來源。高速并行總線的時鐘頻率由邏輯單元通過配置信息進行配置。通信頻率可調范圍為10 MHz~40 MHz。
    內存管理單元負責存儲從PCI和高速并行總線接收到的相關調試數據，經過邏輯單元處理后存放在內存管理單元相應的內存地址。同時內存管理單元向各個轉換電路驅動單元提供接口，各個轉換電路驅動單元可以在64個FPGA內部時鐘周期之內完成全部的數據更新。
　轉換電路驅動單元負責驅動32路模擬量轉換電路。轉換電路驅動單元根據芯片的控制時序提供調理板卡32路轉換電路芯片的管腳驅動電平，為每一路轉換電路提供500 kHz的數據更新速度。
　邏輯處理單元連接FPGA內部的各個功能單元，負責整個FPGA的內部邏輯和功能管理。
3 應用實例
    車載多通道調試系統(tǒng)目前已經應用于CRH5型動車組國產化牽引控制單元，在國產化牽引控制單元的研發(fā)調試過程中表現出優(yōu)良的性能和較高的可靠性。通過上位機配置軟件可以方便地輸出響應測試變量的波形，同時還可以輸出測試波形，為系統(tǒng)調試服務。在車載環(huán)境中，使用車載多通道調試系統(tǒng)，極大地方便了調試人員對測試設備的檢測。圖4為在現場環(huán)境使用示波器連接17個調試通道的顯示波形。從圖中可以方便地分析系統(tǒng)各個變量的運行情況。

    車載多通道調試系統(tǒng)和系統(tǒng)CPCI總線相連，可根據系統(tǒng)配置快速輸出相應的模擬量信號。此系統(tǒng)可以同時輸出32路16位高精度模擬量信號，每一路信號的輸出刷新頻率為500 kHz，每一路輸出的內容通過高速并口和CPCI總線獲得，此系統(tǒng)不會因輸出通道的增加而降低輸出頻率。此系統(tǒng)可以通過設置輸出正弦、矩形波、三角波、鋸齒波等測試信號，各種信號的頻率、幅值、占空比、斜率等參數可以通過CPCI總線進行配置。車載多通道調試系統(tǒng)為車輛運行環(huán)境下的設備測試提供了極大的便利，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。
參考文獻
[1] 袁菁. 一種基于CPCI總線A/D模塊的設計與實現[J].計算機與數字工程，2005,33(7):129-130.
[2] 蔣留兵，車俐. 基于TS201和CPCI總線實現的新一代信號處理機[J]. 火力與指揮控制，2010,35(z1):84-85.
[3] 鄧鳳軍，張龍，王益忠. 基于PCI總線的HDLC通信卡的設計與實現[J]. 電子技術應用，2012,38(8):30-31.
[4] 鮑偉，張崇巍. PCI總線技術在運動控制卡中的應用[J].儀器儀表學報，2005,26(z2):334-335.
[5] 宋克柱,楊小軍,王硯方.基于FPGA的PCI接口設計[J].電子技術應用，2001,27(9):74-75.