CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004 41

Tehnici de utilizare a instrumentaiei virtuale n testarea circuitelor electronice specializate

Gabriel ANTONESEI, Cornel TURCU

Abstract Competiia acerb dintre productorii de circuite electronice specializate pentru telefonia mobil a condus la necesitatea proiectrii i implementrii unor aplicaii software dedicate analizei acestor tipuri de circuite. Obinerea unor parametri de funcionare superiori devine astfel un imperativ, cu influene directe asupra costurilor, posibilitilor de exploatare i siguranei n funcionare a telefoanelor mobile. n cadrul acestei lucrri se prezint parial o aplicaie complex ce poate fi utilizat pentru evaluarea i testarea circuitelor electronice specializate pe domeniul telefoniei mobile. n cadrul aplicaiei s-a avut n vedere, printre altele, crearea i analiza formelor de und comune n aplicaiile audio, cu tot ceea ce implic extragerea parametrilor de performan bazai pe analiza spectral. De asemenea, s-a acordat o atenie deosebit asigurrii unui grad mare de automatizare a unor rutine de evaluare i testare, precum i realizrii unui sistem de evaluare la un pre relativ sczut.

Cuvinte cheie LabView, FPGA, circuite electronice, telefonie mobil

1. INTRODUCERETestarea circuitelor electronice presupune realizarea unor

standuri speciale care includ, printre altele, osciloscoape, generatoare de semnal, analizoare spectrale, aparate de msur etc. Unele dintre aceste elemente pot fi nlocuite cu un calculator dotat cu una sau mai multe plci de achiziie de date i pe care ruleaz aplicaii software corespunztoare.

O soluie n acest sens o constituie produsele oferite de firma National Instruments, care pune la dispoziia clienilor o gam larg de produse hardware i software integrate ce sunt utilizate, mpreun cu calculatoare standard, pentru a nlocui i/sau a comunica cu instrumente tradiionale.

Astfel, unul din principalele medii de dezvoltare furnizate este LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) - un mediu de programare grafic, care a devenit un instrument vital pentru ingineri i cercettori din diferite domenii [3], [5]. Aa dup cum s-a specificat anterior, multe instrumente relativ scumpe de pe pia au un echivalent n produse ale firmei National Instruments (pe de o parte, placa PCI, pe de alt parte soft virtual). n aceste condiii, respectivele instrumente nu mai sunt absolut necesare, deoarece pot fi implementate virtual n mediul de dezvoltare LabView, reducndu-se mult costul sistemului final de evaluare. De exemplu, pentru a realiza o analiz profesional a calitii unui cip audio, cele mai multe companii recurg la clasicul analizor spectral denumit AudioPrecision i furnizat de aceeai firm la un pre de 10.000$-20.000$. O variant mult mai ieftin o constituie placa NI4472 de la National Instruments (ce reprezint unul dintre cele mai performante produse disponibile pentru aplicaii audio i care cost n jur de 5.000$) i implementarea unor aplicaii dedicate. n plus, adoptarea acestei soluii ofer o flexibilitate mult mai mare

fa de varianta tradiional a utilizrii analizorului spectral. Pe de alt parte, se poate remarca faptul c mediul de

programare grafic LabView permite controlul instrumentelor reale prin GPIB (General Purpose Interface Bus), facilitate ce poate fi utilizat pentru a se asigura un grad mare de automatizare a unor serii de rutine de evaluare i test. Astfel, operatorul nu mai este nevoit s selecteze diferite butoane corespunztoare unor instrumente, deoarece comenzile sunt trimise relativ instantaneu la unitile de comand ale fiecrui instrument real (implementate prin intermediul unui microcontroler sau a unui microprocesor intern).

De asemenea, ca atu-uri ale acestei soluii mai pot fi amintite o serie de avantaje ale utilizrii mediului de dezvoltare LabView, i anume, interfaa grafic deosebit, precum i uurina n programare i depanare, capabilitile de control al echipamentelor utiliznd GPIB, facilitile oferite relativ la interfaa Web [1], [2], [6].

Trebuie s se menioneze c, n cazul implementrii unui sistem de testare de tipul celui considerat, este necesar un dispozitiv dedicat, din familia analizoarelor logice, pentru a se asigura un numr mare de intrri i ieiri digitale, precum i frecvenele de test necesare. Dar un astfel de dispozitiv este foarte scump i, ca urmare, s-a optat pentru implementarea unei structuri echivalente folosind FPGA (Field Programmable Gate Array - arii programabile de pori logice). Acestea prezint o serie de avantaje, dintre care se pot aminti: sunt reprogramabile, stabilirea interconexiunilor aflndu-se sub controlul deplin al utilizatorului, pot fi reconfigurate rapid, sunt tolerante la defecte, au performane ridicate i cost sczut [8].

2. CONSIDERAII DE IMPLEMENTARE La proiectarea i implementarea aplicaiei au fost luate n

calcul o serie de aspecte ce vor fi prezentate, n continuare.

CNIV 2004

!"#$%&''

()*()+,-.)/0+1 2 !%'''

42 CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004

n cadrul aplicaiei prezentate s-a avut n vedere posibilitatea de a executa rutine de test i evaluare fr ca operatorul sa fie prezent. Astfel, dup ce una sau doua rutine au fost scrise i verificate se va realiza o bucl n care se modific valorile unor parametri conform problemei de rezolvat. De exemplu, n cazul n care este necesar s se traseze caracteristica Semnal/Zgomot pentru un cip n condiiile n care tensiunea de alimentare variaz de la 2.7V la 3.3V cu un pas de incrementare de 0.05V, se implementeaz o rutin pentru a realiza acest lucru pentru o tensiune oarecare, se conecteaz sursa de tensiune prin interfaa GPIB la calculatorul pe care ruleaz programul i apoi se ruleaz o bucl n care tensiunea este modificat automat conform specificaiilor; raportul este calculat de fiecare dat conform noilor date de intrare. n continuare, se creeaz o tabel cu

aceste valori care poate fi ncrcat direct pe Web, permindu-se accesul rapid al altor utilizatori la aceste date. Un alt exemplu l constituie obinerea rspunsului n frecven, caz n care se variaz valoarea pulsaiei sinusoidei generate de un generator de semnal i se nregistreaz amplitudinea rspunsului. i n acest caz se poate realiza o tabel a datelor sau un grafic ce se ncarc pe Web.

2.1. Structura hardware

Datorit faptului c majoritatea circuitelor electronice specializate au foarte muli pini, s-a considerat util s se foloseasc o structur de testare de urmtorul tip (figura 1):

Figura 1. Structura hardware

Aceasta este compus din: 1. Calculator personal sau laptop pe care ruleaz

aplicaia LabView (comunicaia cu FPGA fiind asigurat prin RS 232, putnd fi de asemenea implementat i modalitatea de comunicare prin USB, acest lucru implicnd modificri n FPGA i, respectiv, n rutinele de comunicaie din LabView);

2. Virtex II platform pentru circuite programabile bazat pe FPGA (este produs de Xilinx i este considerat ca fiind cea mai ntlnit structur FPGA n industrie). In aceast structur au fost implementate diverse blocuri funcionale, n strns dependen cu programul dezvoltat n LabView: a. interfa UART;

b. unitate de control; c. interfa ASPort (pentru comunicaia cu portul

serial audio al circuitului de testat); d. interfa BSPort (pentru comunicaia cu portul

serial Baseband al circuitului de testat - seciunea dintre DSP i partea de radiofrecven dintr-un telefon mobil);

e. interfa CSPort (pentru comunicaia cu portul serial de control al circuitului de testat);

3.

Dei toat comunicaia se face prin clasicul port serial, datorit faptului c se folosete un FPGA care este ultra-

G. ANTONESEI, C. TURCU: TEHNICI DE UTILIZARE A INSTRUMENTAIEI VIRTUALE N TESTAREA CIRCUITELOR ELECTRONICE SPECIALIZATE 43

flexibil se sporesc posibilitile acestui sistem, iar toat puterea de calcul oferit de LabView poate fi fructificat la maxim. Trebuie remarcat faptul c utiliznd doar un laptop cu port serial i cu LabView instalat nu s-ar fi putut controla un cip care are foarte muli pini pentru comunicaie.

2.2. Sistemul software Un program LabView este vzut ca o ierarhie de module tip

instrumente, denumite instrumente virtuale (VIs) [4]. Dup ce modulele au fost proiectate, ele vor fi aranjate n ierarhii care permit programatorului s ncapsuleze funcionaliti n cadrul instrumentelor virtuale la un nivel care este cel mai potrivit.

Aplicaia dezvoltat n LabView este compus dintr-o suit de instrumente virtuale care ndeplinesc diverse funcii (figura 2).

Figura 2. Instrumentul virtual principal

Astfel:

1. Chip Registers/(Lk) permite scrierea/citirea regitrilor circuitului de testat prin intermediul unei interfee grafice utilizator sau direct, specificnd adresa i valoarea ce trebuie nscris;

2. Chip Baseband face referire la testarea interfeei DSP partea de radiofrecven a unui telefon mobil;

3. Chip Auxiliary circuitele de telefonie mobil dein, de cele mai multe ori, un convertor analog-digital cu intrri multiplexate pentru diverse tipuri de intrri, de exemplu pentru senzor de lumin, senzori de temperatur. Instrumentul permite analiza acestor semnale furniznd informaii utile n ceea ce privete funcionarea ecranului sub incidena unui flux de lumin variabil, respectiv funcionarea unor pri ale telefonului mobil n diferite regimuri de temperatur;

4. Chip Audio permite testarea prii audio a unui telefon mobil;

5. Power Management este utilizat pentru testarea prii de alimentare a unui telefon mobil (controleaz toate regulatoarele de tensiune din cip);

6. Battery Charger monitorizeaz/ncarc acumulatorul unui telefon mobil, dup curba specific de ncrcare;

7. Light Driver se ocup de alimentarea LED-urilor albe din spatele ecranelor color;

8. Various VIs alte instrumente virtuale auxiliare.

Majoritatea instrumentelor dezvoltate au incluse proceduri care permit actualizarea automat a unei pagini Web asociate, cu datelor obinute n urma rulrii respectivului instrument. Acest lucru faciliteaz accesul rapid al mai multor utilizatori la datele obinute n urma realizrii testelor.

2.2.1. Configurarea circuitului de testat

Configurarea circuitului de testat se face prin intermediul instrumentului virtual Chip Registers. Interfaa grafic a acestui instrument este prezentat n figura 3.

Figura 3. Panoul frontal al instrumentului virtual Chip

Registers

Dup cum se poate observa, sunt permise o serie de operaii cum ar fi citirea tuturor regitrilor, citirea unui singur registru, precum i scrierea unui registru.

Pentru exemplificare se consider operaia de citire a portului CSPORT. In acest sens, instrumentul virtual va realiza mai nti dou scrieri ale portului, dup care va trimite comanda READ_CSPORT ctre interfaa Virtex i apoi va prelua datele recepionate prin intermediul postului serial. Prima scriere are ca scop selectarea segmentului corespunztor din address register map (segment 0 sau segment 1), n funcie de adresa registrului care se dorete a fi citit. A doua scriere semnific faptul c se dorete o citire din CSPORT. In urmtoarele figuri (figurile 4-7) sunt prezentate diagramele corespunztoare acestui instrument.

44 CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004

Figura 4. Selectarea segmentului corespunztor

Figura 5. Selecia segmentului corespunztor

Figura 6. Trimiterea comenzii ctre interfaa Virtex

Figura 7. Citirea i prelucrarea datelor recepionate la portul serial

2.2.2. Testarea prii audio a circuitului specializat La momentul actual, seciunea cea mai dezvoltat a

aplicaiei este cea de testare a prii audio a circuitului. Toate testele realizate au ca scop obinerea unei caliti superioare a comportrii audio a circuitului specializat. n condiiile n care, la momentul actual, ultimele tipuri de telefoane nglobeaz i capabiliti de redare a fiierelor audio n format MP3 (playere MP3), se urmrete obinerea unei caliti apropiat de cea a dispozitivelor audio analogice existente pe pia.

Panoul frontal al instrumentului de testare audio este prezentat n figura 8.

Dup cum se poate observa, pe acest panou se pot pune n eviden 3 seciuni:

1. seciunea Coherent Freq prin intermediul creia se creeaz facilitatea legrii unor elemente externe prin intermediul GPIB, (de exemplu HP33120, un generator de semnal produs de Hewlett Packard);

2. seciunea Eval Setup care permite setarea unor parametri de testare (numrul intrrii circuitului ce este testat, frecvena de eantionare, tensiunea de alimentare intern a prii audio din cip - o seciune trebuie s fie alimentat numai atunci cnd este folosit, temperatura de lucru etc.);

3. seciunea Aquire Data Save Results, n care este permis vizualizarea i salvarea datelor de test; se poate observa c datele analizate pot fi citite i din fiiere avnd date nregistrate n prealabil.

Dintre subinstrumentele corespunztoare acestei pri a aplicaiei LabView (23 la numr) pot fi menionate:

AudInControl.vi permite setarea factorilor de amplificare pentru fiecare dintre cele dou intrri audio ale circuitului;

Coherent_num_gen.vi determin o serie de parametri necesari pentru analiza spectral a semnalelor audio;

ProgramPSU_PB.vi Power Supply Unit subinstrumentul este utilizat pentru controlul sursei de tensiune extern folosit n evaluare (n acest caz, funcionarea sursei interne fiind suspendat). Sursa extern este conectat la sistemul de testare prin intermediul GPIB. Cu ajutorul subinstrumentului virtual se incrementeaz automat tensiunea de testare, fr aportul operatorului, operaia avnd ca scop obinerea variaiei funcie de tensiunea de alimentare a unor indicatori de performan i trasarea grafic a acestor dependene;

G. ANTONESEI, C. TURCU: TEHNICI DE UTILIZARE A INSTRUMENTAIEI VIRTUALE N TESTAREA CIRCUITELOR ELECTRONICE SPECIALIZATE 45

ICN_test.vi (Idle Channel Noise) se msoar zgomotul total cnd la intrare nu se aplic nici un

stimul (stimul la intrare 0);

Figura 8. Instrumentul virtual pentru testarea audio a circuitului

FFT_ADC.vi permite testarea encoder-ului audio; MIC_test.vi utilizat la testarea microfonului (figura

9); PSRR_test.vi Power Supply Rejection Ratio

exist situaii n care sursele de alimentare ale circuitului specializat introduc tonuri paraziteAcest subinstrument are ca scop eliminarea acestor perturbaii i mbuntirea raportului semnal util/semnal parazit indus de tensiunea de alimentare;

Sweep_freq_encoder.vi permite analiza rspunsului n frecven al circuitului; aceast operaie se poate efectua automat, utiliznd un generator de semnal real, conectat prin intermediul GPIB;

AudMuteControl.vi este permis testarea modului de lucru Mute a prii audio a circuitului;

AudOut3In4Control.vi testarea ieirii audio a circuitului;

ToneControl.vi subinstrument pentru testarea prii de generare a tonurilor.

46 CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004

Figura 9. Panoul frontal al instrumentului pentru testarea intrrii alocate pentru microfon

Subinstrumentul pentru testarea audio, al crui panou frontal este prezentat n figura 8, conine o multitudine de alte subinstrumente. Unul dintre cele mai importante este cel a crui diagram este prezentat n figura 10. Dup cum se poate observa, prelucrarea semnalelor se bazeaz pe o serie de fundamente matematice cum ar fi FFT (Fast Fourier Transform), cu sau fr fereastr pentru determinarea frecvenei de coeren, estimatoare de putere sau de frecven etc.

Acest subinstrument furnizeaz o serie de parametri importani n analiza funcionrii circuitului, cum ar fi SNR (signal noise ratio - raportul semnal zgomot), THD (total harmonic distorsion - distorsiuni armonice totale) sau SND (signal noise distorsion - semnal/zgomot + armonici). De asemenea, pune la dispoziia utilizatorului o serie de valori utile, grupate n Raw data parameters: valoarea medie a formei de und, valorile minim i maxim, precum i estimaii AC/DC asupra acesteia.

O importan deosebit a fost acordat i convertoarelor analog-numeric, respectiv numeric-analogic. n cazul primului convertor pentru testarea funcionrii acestuia au fost construite o serie de instrumente urmrindu-se determinarea unor indicatori de performan, cum ar fi: INL-integral nonlinearity, respectiv DNL-differential nonlinearity [7]. Pentru testarea funcionrii celui de-al doilea tip de convertor este necesar utilizarea unui analizor spectral.

3. CONCLUZII Bazndu-se pe puterea de calcul i flexibilitatea ridicat a

calculatoarelor din generaia actual, inginerii i cercettorii utilizeaz n mod curent sisteme bazate pe acestea pentru analiza i dezvoltarea sistemelor din diverse domenii. O caracteristic important a unui astfel de sistem este capacitatea de integrare a unor dispozitive de achiziie de date, instrumente tradiionale i proceduri software n scopul constituirii unor sisteme virtuale de analiz i control. n cazul sistemelor de testare a circuitelor dedicate telefoniei mobile, o provocare important este dat de necesitatea transferului la viteze ridicate a volumelor mari de date. n lucrare a fost descris o structur de testare a circuitelor specializate pentru telefonie mobil realizat prin intermediul unei structuri FPGA cuplat la un calculator pe care ruleaz o aplicaie dezvoltat n LabView. Multitudinea de teste implementate, modalitatea relativ simpl de dezvoltare pe baza modulelor LabView denot faptul c ansamblul astfel creat este deosebit de puternic (din punctul de vedere al calculelor), uor de utilizat (datorit interfeei grafice prietenoase) i uor de configurat. Dac la aceste caracteristici se adaug i preul mult mai sczut comparativ cu sistemul clasic de testare, se poate concluziona c instrumentaia virtual reprezint o soluie adecvat pentru implementarea unor sisteme de testare de tipul considerat.

G. ANTONESEI, C. TURCU: TEHNICI DE UTILIZARE A INSTRUMENTAIEI VIRTUALE N TESTAREA CIRCUITELOR ELECTRONICE SPECIALIZATE 47

Figura 10. Diagrama bloc corespunztoare subinstrumentului pentru testarea audio

BIBLIOGRAFIE 34 5 6

7 ! "#$%%'()**

) + ,- . /0 " 3 8 5 !112

3 45 ! 34 ! "#$%%'(111

6 # 7 / & 7 + & 35 34 * 4

- 4 8 8999

&%:/--1122 7 , 4 9; 7 1

7 39

- (8$&%.+4113