如何調(diào)試數(shù)字硬件設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)項(xiàng)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(yàn)室準(zhǔn)備開始集成測(cè)試的時(shí)候。開發(fā)過程中的這個(gè)階段通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，也會(huì)對(duì)所有的項(xiàng)目工程師造成很大的壓力。不過，現(xiàn)有的工具和方法能減輕壓力，幫助推進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)展。

讓我們來看一下，如何在將設(shè)計(jì)推進(jìn)到更高層面的過程中最大限度地減少可能發(fā)生的任何問題，以及如何快速順利地通過調(diào)試階段。

從第一天起就要設(shè)想如何進(jìn)行測(cè)試

所有工程師都知道，隨著開發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，修改問題的成本也會(huì)相應(yīng)增加。一旦設(shè)計(jì)方案最終定型并投產(chǎn)，再修改引腳輸出錯(cuò)誤的成本必然高于早期設(shè)計(jì)評(píng)估時(shí)修改的成本。此外，在測(cè)試與集成方面也同樣存在成本問題，越早考慮硬件、FPGA、系統(tǒng)等的測(cè)試問題并編寫測(cè)試規(guī)范，就越便于工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)考慮到必要的測(cè)試點(diǎn)、連接和功能性。測(cè)試的目的是確保能推出可滿足用戶具體要求的安全系統(tǒng)。因此，我們必須確保測(cè)試能體現(xiàn)所有要求，而功能測(cè)試則要求應(yīng)能實(shí)現(xiàn)流程傳遞并可跟蹤設(shè)計(jì)要求（即每個(gè)測(cè)試均應(yīng)滿足其所對(duì)應(yīng)的需求）。

此外，對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型進(jìn)行編輯也是一種非常好的做法，能詳細(xì)說明測(cè)試每項(xiàng)功能要求的方法，如具體的測(cè)試、分析或讀取方法（條件是在另一個(gè)項(xiàng)目上較早明確或測(cè)試了相關(guān)要求）。文檔（圖1）可能還涉及哪些測(cè)試需用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以及哪些用于生產(chǎn)運(yùn)行。在項(xiàng)目階段早期即完成上述文檔，可確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獲得明確的基本方法。

但是，在進(jìn)行功能性測(cè)試之前，設(shè)計(jì)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(yàn)證等內(nèi)容的硬件級(jí)測(cè)試規(guī)范，而硬件基本驗(yàn)證需在功能測(cè)試之前進(jìn)行。

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

設(shè)計(jì)階段應(yīng)包括的內(nèi)容

在硬件的設(shè)計(jì)過程中，或許應(yīng)包括幾項(xiàng)設(shè)計(jì)特性和功能，以使電路板的測(cè)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)單也是最常見的測(cè)試規(guī)定是在所有電壓源上放置測(cè)試點(diǎn)，這避免了探詢焊接點(diǎn)時(shí)造成損壞的可能性。不過，還有一種比較好的辦法，是讓連接接地（0V）返回的焊盤靠近電壓測(cè)試點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化測(cè)試工作。若采用高值電阻來保護(hù)這個(gè)測(cè)試點(diǎn)，就能限制測(cè)試中意外短路情況下的電流。我們也可考慮給這些焊盤添加測(cè)試引腳，使其連接到可隨后在生產(chǎn)運(yùn)行期間記錄結(jié)果的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上。

此外，監(jiān)控時(shí)鐘和復(fù)位輸出的功能至關(guān)重要。因此，在復(fù)位線路上放置測(cè)試點(diǎn)不矢為一種好辦法。另外，還應(yīng)確保正確端接不使用的時(shí)鐘緩沖器并添加測(cè)試點(diǎn)，從而便于對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行探詢。此外還可考慮添加測(cè)試端口，通過信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀或其他測(cè)試工具來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的注入和提取。

為了幫助原型設(shè)計(jì)達(dá)到功耗要求，如果可能，通常比較好的做法是在電壓調(diào)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(cè)量電源軌上的電流。

圖1：非常實(shí)用的工具：用驗(yàn)證表詳細(xì)列出測(cè)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(jiān)控芯片溫度的方法。需要想辦法為二極管提供恒定電流。測(cè)定芯片溫度有助于我們確保結(jié)溫不超出額定值。

要確保所有組件都適當(dāng)就位，明確是否符合設(shè)計(jì)方案的要求，特別是如果只有一個(gè)上拉或下拉電阻應(yīng)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(duì)于任何工程師來說，這都是非常緊張的時(shí)刻。但是，在設(shè)計(jì)階段（測(cè)試點(diǎn)、電流感測(cè)電阻等）編制的測(cè)試規(guī)定將在這時(shí)發(fā)揮很大的協(xié)助作用。第一步是確保負(fù)載點(diǎn)和其他穩(wěn)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(xiàn)低阻抗，不過阻抗應(yīng)大于1歐姆。