基于MCU的測試系統(tǒng)

1 概述

隨著IT產(chǎn)業(yè)和通信技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，大量的生產(chǎn)裝備和產(chǎn)品的電子化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的程度越來越高，與之配套的電子測量設(shè)備必須適應(yīng)這種形勢。因此，綜合測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的自動(dòng)測試系統(tǒng)發(fā)展日益完善，在一些高度電子化產(chǎn)品、航空航天和軍用武器裝備中以及工業(yè)自動(dòng)化、通信、光學(xué)、能源等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

一般意義的自動(dòng)測試系統(tǒng)是指采用計(jì)算機(jī)控制，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通常是在標(biāo)準(zhǔn)的測控總線或儀器總線(CAMAC、GPIB、VXI、PXI、CAN等)的基礎(chǔ)上組建而成的。目前，通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB)以其方便的即插即用和熱插拔特性及較高的傳輸速率，成為PC機(jī)領(lǐng)域廣為應(yīng)用的外設(shè)連接規(guī)范。本文介紹的自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)是以五片P89C668單片機(jī)為核心組成故障診斷平臺(tái)，采用基于FT245BM USB芯片的通信卡建立計(jì)算機(jī)與測試診斷平臺(tái)通信的橋梁，使其能對(duì)需要檢測的組合邏輯數(shù)字電路板進(jìn)行測試，并可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫對(duì)產(chǎn)生故障的電路板進(jìn)行自動(dòng)故障定位。目前該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N不含有不受控制的部件如CPU、存儲(chǔ)元件、晶振、阻容式單穩(wěn)態(tài)等的數(shù)字電路板進(jìn)行自動(dòng)測試及故障診斷，可測試的電路板邊緣連接器的最大引腳數(shù)為96個(gè)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

該測試診斷系統(tǒng)的硬件主要由以下部分組成：

　　·計(jì)算機(jī)

　　·USB通信電纜

　　·USB通信卡

　　·多MCU系統(tǒng)測試診斷平臺(tái)

　　·微型開關(guān)電源

　　·散熱風(fēng)扇

　　·通道連接適配器板等

2.1 計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)的主要功能是通過USB接口控制測試診斷平臺(tái)，進(jìn)而完成測試平臺(tái)系統(tǒng)自檢、通道輸入輸出的定義、發(fā)送測試激勵(lì)數(shù)據(jù)、接收響應(yīng)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計(jì)算與分析等工作。

2.2 USB通信卡

USB通信卡是連接計(jì)算機(jī)與測試平臺(tái)的橋梁。它的主要功能一方面是將計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令、數(shù)據(jù)送到測試平臺(tái)的主MCU，使測試平臺(tái)完成各種測試任務(wù)；另一方面是將測試平臺(tái)中多MCU系統(tǒng)的自檢信息和測試結(jié)果送往計(jì)算機(jī)，以供計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷與分析。

USB通信卡是基于FTDI公司的FT8U245BM芯片組成的,具有數(shù)據(jù)傳送速率高(達(dá)8Mbs)和即插即用等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 多MCU系統(tǒng)構(gòu)成的測試平臺(tái)

多MCU系統(tǒng)由一個(gè)主MCU和四個(gè)從MCU組成。所有的MCU均采用PHILIPS公司的P89C668單片機(jī)芯片，其內(nèi)部有可ISPIAP編程的64KB Flash程序存儲(chǔ)器和8KB RAM,每個(gè)機(jī)器周期可采用六個(gè)時(shí)鐘周期，是傳統(tǒng)單片機(jī)(80C51)的兩倍。在其全雙工增強(qiáng)型UART中具有幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識(shí)別功能，另外還具有可編程的時(shí)鐘輸出功能及可編程的計(jì)數(shù)器陣列(PCA)等，是PHILIPS公司MCU家族中較為高端的產(chǎn)品。多MCU系統(tǒng)構(gòu)成的測試平臺(tái)如圖1所示。

在本文設(shè)計(jì)的多MCU系統(tǒng)中，各個(gè)MCU的功能如下：

(1) 主機(jī)MCU的功能

負(fù)責(zé)與PC機(jī)的通信。通信采用目前流行的USB總線通訊方式，一方面接收來自于PC機(jī)的命令與數(shù)據(jù)，另一方面向PC機(jī)發(fā)送測試數(shù)據(jù)和自檢信息。

解釋來自PC機(jī)的命令，并向所有從機(jī)或者相應(yīng)的從機(jī)發(fā)送。對(duì)來自PC機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并發(fā)送給相應(yīng)的從機(jī)。對(duì)自身的RAM進(jìn)行自檢。

負(fù)責(zé)與四個(gè)從機(jī)的通信。通信為多機(jī)主-從方式，利用MCU的RxD和TxD端以全雙工UART串行模式進(jìn)行通信，并使用幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識(shí)別功能。

管理四個(gè)從機(jī)進(jìn)行同步測試。主MCU利用P1口的低四位(P1.4、P1.5、P1.6、P1.7)向四個(gè)從機(jī)發(fā)送同步控制信號(hào)，使得多個(gè)從機(jī)在測試過程中能夠保持同步性。

(2) 從機(jī)MCU1～MCU4的功能

通過RxD端口，以串行通信方式接收來自主MCU的與自己相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)。

每個(gè)從機(jī)的24路IO端口P0.0～P0.7、P1.0～P1.7和P2.0～P2.7共計(jì)96路分別與測試通道Port1～Port96相連接。根據(jù)IO端口的設(shè)置情況，向定義的輸出通道輸出測試激勵(lì)信號(hào)，從相應(yīng)的輸入通道讀入測試結(jié)果并存入相應(yīng)的RAM單元。

在被測試電路板的一個(gè)輸出通道測試完畢后，將測試的結(jié)果發(fā)送到主MCU的RAM存儲(chǔ)區(qū)，并由主MCU發(fā)往計(jì)算機(jī)。

負(fù)責(zé)自身數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)RAM的自檢工作。當(dāng)接收到主MCU的自檢命令時(shí)，對(duì)自身的RAM進(jìn)行自檢，并將自檢結(jié)果發(fā)送到主MCU。

2.4 測試通道適配接口卡

普通的被測數(shù)字電路板是不能直接插到測試平臺(tái)的測試接口上的，需要有特制的測試通道適配接口卡才能進(jìn)行連接。本系統(tǒng)提供的接口卡是96路通道的總線結(jié)構(gòu)的接口卡，可與適用于本設(shè)計(jì)的數(shù)字電路板進(jìn)行連接。如果要測試其它類型的數(shù)字電路板，則需要專門定做與其配套的測試通道適配接口卡。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測試平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)測試平臺(tái)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，是基于Keil系統(tǒng)開發(fā)軟件和TKS-668開發(fā)硬件，采用C語言與匯編語言編寫的。模塊化程序設(shè)計(jì)的思想就是要把一個(gè)復(fù)雜的程序按整體功能劃分成若干相對(duì)獨(dú)立的程序模塊，各模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試和查錯(cuò)，然后裝配起來進(jìn)行聯(lián)調(diào)，最終成為一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的程序。本系統(tǒng)的測試平臺(tái)軟件主要由系統(tǒng)的主程序、通信程序、測試程序和自檢程序等模塊組成。

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

主、從MCU的主程序設(shè)計(jì)流程圖分別如圖2、圖3所示。本系統(tǒng)中的四個(gè)從MCU具有相同的功能，因此其主程序設(shè)計(jì)是一樣的。主、從MCU在初始化中要設(shè)置的相關(guān)參數(shù)包括：串行口的方式、波特率、定時(shí)器的方式、中斷等。

3.1.2 自檢程序設(shè)計(jì)

主從MCU的自檢是為了保證每個(gè)單片機(jī)都能正常工作，即USB和主MCU、主MCU和從MCU之間的通訊正常，并且保證每個(gè)單片機(jī)的RAM沒有損壞。

主MCU和從MCU之間的通訊是否正常的自檢是：先由主單片機(jī)向從單片機(jī)發(fā)一串?dāng)?shù)據(jù)，然后再由從單片機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)回主單片機(jī)，判斷兩串?dāng)?shù)據(jù)的個(gè)數(shù)和內(nèi)容是否一致，一致的話則說明通訊正常。同理，USB和主MCU之間通訊自檢的原理也是如此。 

MCU的RAM自檢的原理是：對(duì)于每一個(gè)RAM的存儲(chǔ)單元，先把一個(gè)數(shù)據(jù)寫入該RAM的單元，然后再從該單元里讀出一個(gè)數(shù)據(jù)，判斷兩者是否一致，如果一致則說明該RAM單元沒有損壞。

3.1.3 通訊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的通訊程序包括：主MCU與USB之間的通訊程序、主MCU與從MCU之間的通訊程序以及從MCU對(duì)被檢測電路板的掃描程序。

主MCU和USB是通過USB的管腳D0~D7和主MCU的管腳P0.0~P0.7傳遞數(shù)據(jù)的?？刂浦饕峭ㄟ^USB的四個(gè)管腳： RXF、TXE、WR、RD和主MCU的四個(gè)管腳：P1.4、P1.5、P1.6、P1.7進(jìn)行的。當(dāng)TXE為低且WR從0變?yōu)?時(shí)，數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB；當(dāng)RXF為低且RD從1變?yōu)?時(shí)，數(shù)據(jù)從USB讀到主MCU。主MCU通過P1.4和P1.5對(duì)USB的RXF和TXE進(jìn)行判斷，然后通過P1.6和P1.7對(duì)USB的WR和RD進(jìn)行控制傳遞數(shù)據(jù)。

主MCU與從MCU之間利用MCU的RxD和TxD端以全雙工UART串行模式進(jìn)行通信，串行通訊通過中斷實(shí)現(xiàn)，使用了幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識(shí)別功能。本系統(tǒng)的主MCU采用廣播通訊方式，由特殊寄存器SADEN 和SADDR邏輯或產(chǎn)生從機(jī)的廣播地址，利用地址自動(dòng)識(shí)別功能，通過發(fā)送廣播地址，同時(shí)發(fā)命令與四個(gè)從MCU進(jìn)行通訊。當(dāng)主MCU只和單個(gè)從MCU通訊時(shí)，采用點(diǎn)點(diǎn)通訊方式，由SADEN和SADDR相與產(chǎn)生的特定地址來確認(rèn)哪些從機(jī)被選中與主機(jī)進(jìn)行通訊，不需要再進(jìn)行軟件查詢。

從MCU對(duì)被檢測電路板的掃描程序采用的是功能測試技術(shù)。為了檢測某一組合邏輯電路板是否存在故障，首先把該電路板插到診斷插槽上，由于每個(gè)輸出端口只是與該電路板所有端口中的幾個(gè)有邏輯關(guān)系，所以掃描程序只需對(duì)與某個(gè)輸出端口有邏輯關(guān)系的電路板的輸入端口進(jìn)行從全0到全1的電平激勵(lì)(比如有五個(gè)輸入端口，一共有25=32組激勵(lì))。對(duì)于有邏輯關(guān)系的輸入超過七個(gè)以上時(shí)，由于工作量很大，不實(shí)行從全0到全1的激勵(lì)，而是從中選擇128組激勵(lì)進(jìn)行類似抽查的檢測，然后讀取輸出端口，把輸出結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的仿真結(jié)果進(jìn)行分析與比較，判斷是否一致，如果出現(xiàn)不一致的情況，則說明電路板存在故障。

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

安裝在計(jì)算機(jī)上的自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)軟件采用Visual C 6.0語言編程，其主要作用是使計(jì)算機(jī)向USB接口通信卡發(fā)送測試激勵(lì)數(shù)據(jù)、接收響應(yīng)數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與分析等。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫的軟件產(chǎn)生方法

建立標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫的目的是為了進(jìn)行自動(dòng)故障定位。本系統(tǒng)可用兩種方法建立標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫：第一種方法是根據(jù)被測數(shù)字電路板的原理圖，在一些EDA軟件環(huán)境如Protel、Foudation、MaxplusⅡ中通過仿真功能生成標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫。第二種是測試功能正常的數(shù)字電路板，在特定的激勵(lì)下記錄該電路板的響應(yīng)數(shù)據(jù)，由軟件自動(dòng)追加到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，作為今后測試該電路板的標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫。

由于本系統(tǒng)所要測試診斷的電路板端口數(shù)較多，采用第二種方法不但工作量非常大，而且還要確保所測數(shù)字電路板在測試過程中功能正常，因此本系統(tǒng)采用第一種方法。考慮到所測的電路板為組合邏輯數(shù)字電路板，所以本系統(tǒng)采用Xilinx公司的Foundation F3.1i軟件環(huán)境，在原理圖編輯器(Schematic Editor)中輸入被測數(shù)字電路板的原理圖，然后在功能仿真器(Functional Simulation)的Script Editor中利用軟件自帶的仿真命令自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)文件，再由應(yīng)用系統(tǒng)軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

目前一般的自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)通常是在標(biāo)準(zhǔn)的測控總線或儀器總線(CAMAC、GPIB、VXI、PXI、CAN等)的基礎(chǔ)上組建而成的，其成本較高、體積龐大、操作復(fù)雜，在測試過程中顯得非常不方便，難以滿足現(xiàn)代科技工作者的需要。本文介紹的自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)是以五片P89C668單片機(jī)為核心組成故障診斷平臺(tái)，采用基于FT245BM USB芯片的通信卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與測試診斷平臺(tái)的通信。該系統(tǒng)的便攜式結(jié)構(gòu)特別適合于現(xiàn)場測試，具有成本低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)的操作比較簡單，只要掌握計(jì)算機(jī)的一般操作，具有一定的數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)，能夠看懂一般的數(shù)字電路原理圖，經(jīng)過簡單的技術(shù)培訓(xùn)，詳細(xì)閱讀并理解本系統(tǒng)的使用說明后就可以進(jìn)行操作；系統(tǒng)硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化和軟件模塊的可復(fù)用性使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。目前該測試診斷系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，效果良好，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。