Die Steuer- und Testplatine, bestehend aus einem PC104-Steuermodul und einem Cgnal C8051F06x-Mikrocontroller, eignet sich für den Einsatz in High-End-Testgeräten. Sie nutzt die umfangreichen Hardware- und Softwareressourcen des PC104-Steuermoduls und des Mikrocontrollers optimal und ist somit für vielfältige Testanwendungen geeignet. Bei der Entwicklung von Testgeräten kann ein Designansatz mit Kernplatine und Basisplatine verfolgt werden, um den technischen Aufwand zu reduzieren und eine programmierbare, leistungsstarke, einfach zu entwickelnde und hochskalierbare Lösung zu realisieren. Mit geringfügigen Anpassungen lässt sie sich problemlos auf andere Anwendungsbereiche übertragen. Die Kernplatine nutzt das PC104-Steuermodul und dessen leistungsstarke Verarbeitungskapazitäten für Datenverarbeitung wie Datenspeicherung, Datenanalyse und Datenauswertung. Insbesondere die benutzerfreundliche grafische Oberfläche (GUI) vereinfacht die Bedienung. Die Basisplatine verwendet den Cgnal8051F06x, Dual-Port-RAM und Pufferregister und nutzt die umfangreichen Hardware- und Softwareressourcen des C8051F06x-Mikrocontrollers, um Programmierbarkeit und diverse komplexe Funktionen zu ermöglichen. Kernplatine und Basisplatine nutzen nur einen gemeinsamen Kommunikationspfad, den PC104-Bus. Dies ermöglicht separate Designs und Implementierungen und vereinfacht somit die Entwicklung. Systemhardware-Struktur und Funktionsprinzip: Das System besteht aus einer Kernplatine (PC104-Steuermodul) und einer Basisplatine (Cgnal C8051F06x als zentrale AD-Detektionsplatine). Die beiden Platinen sind über einen PC104-Bus verbunden und werden separat mit Strom versorgt; ein Problem auf einer Platine beeinträchtigt die andere nicht. Das Blockdiagramm der Systemhardware ist in Abbildung 1 dargestellt und zeigt im Wesentlichen die Kernplatine und die Basisplatine. Die Kernplatine umfasst im Wesentlichen das PC104-Modul, das LCD, den Touchscreen, weitere Erweiterungsmodule, das Netzteil und den mit der Basisplatine verbundenen PC104-Bus. Die Basisplatine umfasst im Wesentlichen die Steuereinheit C8051F06X, digitale und analoge Schaltungen, Dual-Port-RAM, Pufferregister und ein dediziertes Netzteil. Das Funktionsprinzip des Systems wird im Folgenden beschrieben. Nach dem Neustart liest die Basisplatine die im internen Flash-Speicher des Mikrocontrollers gespeicherten Einstellungen und initialisiert die entsprechenden digitalen und analogen Schaltungen. Anschließend übergibt sie die Kontrolle über den Dual-Port-RAM an die Kernplatine. Im Normalbetrieb fragt sie kontinuierlich den Protokollbereich und das Pufferregister des Dual-Port-RAM ab. Das System führt die von der Kernplatine empfangenen Befehle aus und sendet die Ergebnisse über den Dual-Port-RAM zurück. Die Kernplatine verarbeitet die Rückmeldungen der Basisplatine entsprechend. Beim Einschalten initialisiert die Kernplatine zunächst die relevante Hardware, wie z. B. das PC104-Steuermodul, das LCD, den Touchscreen und weitere Erweiterungsmodule. Nach dem Start prüft sie den Betriebszustand der Basisplatine. Sobald die Basisplatine bereit ist, Steuerbefehle zu empfangen, startet sie das GUI-Programm und übergibt die Eingabesteuerung über die Touchscreen- und LCD-Oberfläche an den Benutzer. Dieser kann dann das gesamte System über die Touchscreen- und LCD-Oberfläche steuern und die entsprechenden Funktionen ausführen. Das PC104-Steuermodul verfügt über umfangreiche Hardware- und Software-Ressourcen, darunter einen dedizierten Grafikcontroller, GUI-Software, Unterstützung für mehrere Betriebssysteme, eine multifunktionale elektronische Datenspeicherlösung, 512 KB SRAM-Speicher mit ferroelektrischer Speicherung oder Batterie-Backup, eine ISA-Bus-Schnittstelle zur Erweiterung von Peripheriegeräten und einen Ethernet-Controller. Die im BIOS integrierte virtuelle Display-Technologie ermöglicht es Benutzern, in einer virtuellen Umgebung zu programmieren und zu debuggen und dabei die zahlreichen auf vorhandenen PCs verfügbaren Softwareprogramme als Entwicklungswerkzeuge zu nutzen. Der Monitor ist ein 6,3 Zoll großes TFT-LCD mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixeln und 256 Farben. Das System verwendet einen Touchscreen als Eingabegerät, der die Eingabe per Softwareprogrammierung anstelle von Tastatur und Maus ermöglicht und auch die Eingabe mit einem Stift unterstützt. Das System kann zudem mit GPRS-, Infrarot- oder anderen drahtlosen Kommunikationsmodulen ausgestattet werden, um drahtlose Kommunikationsfunktionen bereitzustellen. Das Steuerelement der Basisplatine ist ein C8051F06X-Mikrocontroller, der verschiedene Peripheriegeräte an den CPU-Pins konfigurieren kann, um komplexe Detektionsmodi zu realisieren. Dazu gehören die Einstellung von Abtastfrequenz, Abtastlänge, Abtastschwellenspannung und Abtastbereich. Zusätzlich stellt er verschiedene Statusanzeigen bereit und konfiguriert weitere Peripheriegeräte. Um die Kommunikation zwischen Basisplatine und Kernplatine zu gewährleisten, kommt im Design eine Lösung mit Dual-Port-RAM und Pufferregister zum Einsatz. Da die Basisplatine für mobile Geräte konzipiert ist, wird sie mit einer 12-V-Batterie betrieben. Zur Verbesserung der Systemstabilität versorgt das Stromversorgungsmodul Basisplatine, Kernplatine und analoge Schaltungen jeweils über drei DC/DC-Wandler (siehe Abbildung 2). POWER ist der Stromeingang, d. h. der Batterieeingang. DC0 ist die Stromversorgung der Kernplatine. DC1 versorgt die analogen Schaltungen. DC2 versorgt externe Sensoren. L0 ist die 5-V-Betriebsanzeige. Der analoge Schaltungsteil der Basisplatine ist in Abbildung 3 dargestellt. AIN ist die Sensoranschlussbuchse. Die Widerstände R04 und R08 sowie R12 und R10 bilden zusammen mit dem LF357 einen invertierenden Proportionalverstärker, der das schwache Sensorsignal auf ein für die CPU verarbeitbares Niveau verstärkt. R03 und R11 sind die Anpassungswiderstände für diesen Verstärker; ihre Widerstandswerte werden nach den Formeln R03 = R04/R08 und R11 = R12/R10 berechnet. C10 und C13 sind DC-Sperrkondensatoren, und C11 und C14 sind Filterkondensatoren zur Rauschunterdrückung im Signal. Die Kernschaltung der Basisplatine ist in Abbildung 4 dargestellt. U1 ist die Kern-CPU der Basisplatine, ein C8051F06X, der das Herzstück der gesamten Basisplatine bildet und alle Operationen steuert. U4 ist der Adresslatch 373. U9 ist der Bustreiber, der die 3,3-V-zu-5-V-Wandlung durchführt. Alle Bauteile in diesem Schaltungsteil sind 3,3-V-Bauteile. Die Stromversorgungsschaltung für die Kernkomponenten der Basisplatine und weitere Schaltungen ist in Abbildung 5 dargestellt. U10 (1117) wandelt die 5-V-Eingangsspannung in eine 3,3-V-Ausgangsspannung um. L3 ist die Betriebszustandsanzeige. FMQ1 ist der Summer. C30–C36 sind Entkopplungskondensatoren. R26, R27, C21 und C22 bilden die Einschalt- und Reset-Schaltung. L1 und L2 sind Betriebsanzeigen. JTAG ist der JTAG-Debugging-Port. Der Schaltplan des PC104-Busses ist in Abbildung 6 dargestellt. Da die Verbindung zwischen Basisplatine und Kernplatine über den PC104-Bus erfolgt und die Kernplatine mit 5 V, die Kernkomponenten auf der Basisplatine jedoch mit 3,3 V betrieben werden, wandeln U5, U7, U8, U11 und U12 im Schaltplan die 5-V-Eingangsspannung in eine 3,3-V-Ausgangsspannung um. Software-Design- Basisplatinenprogramm: Die Basisplatine dient in dieser Lösung als Erkennungseinheit und implementiert alle signalbezogenen Erkennungskomponenten. Daher ist das Basisplatinenprogramm modular aufgebaut, und alle Module können über Logikmakros geladen und entladen werden. Nicht verwendete Funktionen lassen sich mit der Makrodirektive `#undef` oder `//` auskommentieren. Der Vorteil dieses Programmieransatzes besteht darin, dass beim Hinzufügen von Funktionen nur die entsprechenden Module geladen werden müssen; unnötige Module können deaktiviert werden, was Flash-Speicherplatz spart und die Ausführungseffizienz verbessert. Die PC104-Steuermodul-Kernplatine bildet den Kern dieser Lösung und steuert alle Funktionen der AD-Erkennungs-Basisplatine. Die grafische Benutzeroberfläche (GUI) ist primär darauf implementiert, und es können Entwicklungsumgebungen wie VB, VC, BC und C++Builder verwendet werden. Der Haupt-Workflow umfasst die AD-Erkennung, die Gestaltung der GUI und die Datenverarbeitung. Diese Lösung verwendet die Entwicklungsumgebung Visual C++ 6.0. Die Einstellungsoptionen verwalten primär alle systembezogenen Parameter, wie z. B. die AD-Abtastmodi (differenziell, unsymmetrisch), Abtastfrequenz, Abtastlänge, Abtastschwellenspannung, Abtastfensterspannung, Systemtakteinstellungen usw. Die Dateiverwaltung regelt hauptsächlich den Speicherplatz, z. B. auf CF-Karten, einschließlich Speichergröße, -nutzung und verbleibendem Speicherplatz. Die Anzeigeattribute zeigen alle Systemattributeinstellungen und Werkseinstellungen an. Die Felderkennung stellt die erfassten Daten als Kurven dar und kann zur späteren Analyse als Grafikdateien gespeichert werden. Die Datenanalyse vergleicht die erfassten Daten und Kurven mit idealen Daten und Kurven und liefert mögliche Ursachen und Lösungen für Abweichungen. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Systems werden neben der Integration von Stromversorgungs- und Masseebenen in die Hardware-Schaltung und der Anbringung von Entkopplungskondensatoren an jedem IC auch spezielle Software-Designs eingesetzt. Das RAM-Kommunikationsprotokoll zwischen den beiden Parteien verwendet einen standardisierten Protokollstandard. Dieser umfasst den Datenblock-Header, die Anzahl der gültigen Bytes im Datenblock, den Datenblock-Steuerbefehlscode, den Datenblock-Befehlscode-Modus, die Länge der Parameterliste des Datenblock-Befehlscodes, die Datenblock-Datenlänge, die Daten im Datenblock und die Prüfsumme. Vereinfachte Formen können in weniger komplexen Anwendungen verwendet werden; beispielsweise kann die Prüfsumme als ungerade Prüfsumme, gerade Prüfsumme, Paritätsprüfung oder CRC-Prüfsumme berechnet werden. In den meisten Anwendungen ist eine Paritätsprüfung ausreichend. Der Speicher ist partitioniert. Der für die Kommunikation verwendete Dual-Port-RAM ist in einen Protokollbereich und einen Datenbereich unterteilt. Dies erhöht die Auslastung des Dual-Port-RAMs, vereinfacht die Softwareprogrammierung und steigert die Zuverlässigkeit des Systembetriebs. Es wird ein Software-Watchdog eingesetzt. Sowohl auf der Kernplatine als auch auf der Basisplatine werden separate Software-Watchdogs verwendet. Dies gewährleistet die Zuverlässigkeit jeder Platine einzeln und minimiert gegenseitige Auswirkungen bei einem Ausfall. Diese Konstruktion zeichnet sich durch geringe Größe und niedrigen Stromverbrauch aus, kann mit einer Batterie betrieben werden und eignet sich für den Einsatz als mobiles Gerät. (Quelle: Today's Electronics)