電子裝備數(shù)字電路板自動(dòng)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1 引言
    電子裝備在海軍艦艇上應(yīng)用廣泛，如觀通、導(dǎo)航、指揮控制、電子戰(zhàn)和武器控制等，屬于艦艇關(guān)鍵設(shè)備，電子裝備以其智能化、小型化、高速、高復(fù)雜度的特點(diǎn)，在大幅度提高艦艇生命力和作戰(zhàn)效能的前提下，也為艦艇維修保障部門和人員帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。隨著部隊(duì)信息化建設(shè)的不斷普及與深入，武器裝備的維修保障技術(shù)正在發(fā)生新的變化口_引：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及設(shè)備ATE(Automatic　Test Equipment)、便攜式維修輔助PMA(Portable Maintenance Aids)、交互式電子技術(shù)手冊(cè)IETM(Interactive Electronic　Technical Manual)等已經(jīng)成為武器裝備維修領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。ATE是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的故障診斷技術(shù)設(shè)備，投入使用后，加速了測(cè)試過(guò)程，提高了維修速度，還可以預(yù)防未發(fā)生的故障，進(jìn)而提高裝備的質(zhì)量和性能。艦艇電子裝備中的電路板存在多種類型，這里僅考慮針對(duì)單純的數(shù)字邏輯型電路板ATE設(shè)備的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    測(cè)試單純的數(shù)字邏輯型電路板，首先需要找出電路板接口引腳上的信號(hào)特性，如信號(hào)電平(TTL型、CMOS型等)、信號(hào)方向(輸入、輸出或雙向)、信號(hào)功能(電源信號(hào)、邏輯信號(hào))，在此基礎(chǔ)上通過(guò)電路原理圖分析電路板功能，設(shè)計(jì)測(cè)試向量，以確定響應(yīng)向量。信號(hào)特性及電路原理圖的獲取有以下途徑：(1)由電路板研制設(shè)計(jì)單位提供；(2)使用測(cè)量?jī)x表手工測(cè)繪。
    ATE測(cè)試的原理就是向電路板輸入測(cè)試向量，獲取相應(yīng)的輸出向量，將此輸出向量與正常的響應(yīng)向量相比較，結(jié)果一致表明電路板無(wú)故障，否則表明該電路板已損壞。整個(gè)過(guò)程由ATE自動(dòng)完成，因此效率高，但測(cè)試向量的完備與否對(duì)故障診斷結(jié)果有重要影響。該ATE設(shè)備是針對(duì)某電子裝備系統(tǒng)而研發(fā)的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    從圖1可見(jiàn)，ATE由信號(hào)發(fā)生、信號(hào)采集、與上位機(jī)的USB通信以及用于連接被測(cè)板的接插件4大模塊組成。信號(hào)發(fā)生模塊和信號(hào)采集模塊采用單片機(jī)AT89S51+FPGA的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，因此整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)PC機(jī)→單片機(jī)→FPGA→被測(cè)板的4級(jí)結(jié)構(gòu)。USB通信模塊選用USB/RS－232轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，AT89S51串口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為RS-232接口后連接到USB／RS－232轉(zhuǎn)換器。接插件模塊主要考慮與被測(cè)板連接的電氣與機(jī)械特性。

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)
3．1 信號(hào)發(fā)生模塊設(shè)計(jì)
    該模塊由單片機(jī)控制橋(AT89S51)、測(cè)試向量存儲(chǔ)器(靜態(tài)存儲(chǔ)器HM628128x2，排列方式為256 Kx8 bit)、信號(hào)發(fā)生FPGA(Altera公司Cyclone系列PLD器件EP1C3)、通道控制CPLD(Altera公司MAX7000系列PLD器件EPM7128S)及三態(tài)選通門陣列(74LS126x16)組成，模塊組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    單片機(jī)控制橋收到上位PC機(jī)傳來(lái)的測(cè)試向量后，將其寫入測(cè)試向量存儲(chǔ)器(單片機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)器不夠用)，并將被測(cè)電路板的引腳信號(hào)特性數(shù)據(jù)寫入通道控制CPLD。由CPLD控制三態(tài)門陣列的選通端，三態(tài)門陣列的輸入數(shù)據(jù)由信號(hào)發(fā)生FP-GA提供，F(xiàn)PGA接收到控制橋的信號(hào)發(fā)生命令后，從測(cè)試向量存儲(chǔ)器取出測(cè)試向量送往三態(tài)門陣列?？刂茦蛑赜肍PGA訪問(wèn)測(cè)試向量存儲(chǔ)器的總線，為防止兩者對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)沖突，用信號(hào)Ctrl0和Ctrl1進(jìn)行開關(guān)控制，當(dāng)Ctrl0=0且Ctrl1=0時(shí)，控制橋掌控存儲(chǔ)器的訪問(wèn)總線，否則由FPGA掌控。
    這里要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一是自動(dòng)配線問(wèn)題。由于各塊電路板的輸入輸出引腳不固定，自動(dòng)配線除了保證信號(hào)送達(dá)被測(cè)板相應(yīng)的輸入通道外，需要避免信號(hào)發(fā)生模塊將信號(hào)輸出到被測(cè)電路板的輸出通道，以防止損壞被測(cè)板。設(shè)計(jì)中該問(wèn)題通過(guò)三態(tài)門的高阻態(tài)得以解決。
3．2 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)
    由于被測(cè)板是單純的數(shù)字邏輯電路，電路板的輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，因此信號(hào)采集時(shí)無(wú)須A／D轉(zhuǎn)換，只需按照一定的采樣周期采集輸出信號(hào)即可。由于單片機(jī)數(shù)據(jù)輸入口的位寬一般僅為8位，為了保證采樣速度，利用FPGA器件的內(nèi)在并行性快速采集輸出信號(hào)，并存入存儲(chǔ)器中，在到達(dá)測(cè)試深度后，F(xiàn)PGA向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，單片機(jī)從存儲(chǔ)器中讀取采集到的輸出信號(hào)，通過(guò)USB傳送到上位PC機(jī)。該模塊組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    與信號(hào)發(fā)生模塊類似，單片機(jī)控制橋重用FPGA訪問(wèn)輸出向量存儲(chǔ)器的總線，為了避免總線訪問(wèn)沖突，控制橋利用控制信號(hào)Ctrl0和Ctrl1，當(dāng)Ctrl0=0，Ctrl1=0時(shí)，控制橋掌控訪問(wèn)存儲(chǔ)器的總線，否則由FPGA掌握該總線。

4 系統(tǒng)工作原理
4．1 系統(tǒng)工作過(guò)程
    ATE測(cè)試的基本原理：向被測(cè)板輸入測(cè)試信號(hào)，然后獲取被測(cè)板的輸出信號(hào)，并與響應(yīng)信號(hào)相比較，依據(jù)兩者是否完全一致，判斷被測(cè)板有無(wú)故障。ATE工作過(guò)程如下：
    (1)完成硬件連線：PC機(jī)與ATE的USB連接，被測(cè)板與ATE插接，電源連接；
    (2)在上位PC機(jī)上運(yùn)行ATE測(cè)試控制軟件TCS(Test Con-trol Software)，TCS中已經(jīng)預(yù)先錄入每塊待測(cè)板的型號(hào)，維修人員選擇電路板型號(hào)，點(diǎn)擊啟動(dòng)測(cè)試按鈕；
    (3)TCS將該型號(hào)電路板的引腳信號(hào)特性、測(cè)試向量、響應(yīng)向量、觸發(fā)字、觸發(fā)方式、采樣周期、采樣深度、信號(hào)發(fā)生周期等測(cè)試數(shù)據(jù)和參數(shù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出，并將除響應(yīng)向量外的數(shù)據(jù)和參數(shù)分別發(fā)往信號(hào)發(fā)生模塊中的單片機(jī)AT89S51和信號(hào)采集模塊中的單片機(jī)AT89S51；
    (4)AT89S51單片機(jī)通過(guò)配置FPGA完成系統(tǒng)的自動(dòng)配線工作；
    (5)TCS依先后順序向信號(hào)采集模塊和信號(hào)發(fā)生模塊的單片機(jī)發(fā)送開始測(cè)試命令；
    (6)TCS在收到信號(hào)采集模塊傳來(lái)的數(shù)字邏輯電路板輸入輸出向量后，以波形方式顯示采集到的數(shù)據(jù)，并將輸出向量與從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀人的響應(yīng)向量相比較，依據(jù)兩者是否一致，得出被測(cè)數(shù)字邏輯電路板是否完好的診斷結(jié)果。
    上述(3)～(6)項(xiàng)由ATE自動(dòng)完成。
4．2 測(cè)試向量與響應(yīng)向量設(shè)計(jì)
    測(cè)試診斷結(jié)果的正確與否也與測(cè)試向量的完備性有關(guān)，測(cè)試向量可由兩種方式獲得：
    (1)向量空間完全集方式設(shè)電路板輸入管腳的數(shù)量為n，則n根信號(hào)線的信號(hào)組合共有2n種，即測(cè)試向量空間為集合{0，1，2，…2n-1}，取此集合的所有元素作為測(cè)試輸入向量，該方式可以由機(jī)器自動(dòng)完成。
    (2)人工方式由人工分析電路板的邏輯功能。以每個(gè)邏輯門、觸發(fā)器等器件的各種狀態(tài)能夠完全遍歷為原則，設(shè)計(jì)測(cè)試輸入向量，對(duì)時(shí)序邏輯電路板還需確定復(fù)位存儲(chǔ)功能器件的復(fù)位向量，由此獲得整個(gè)電路板的測(cè)試輸入向量。
    人工方式獲得的測(cè)試向量的規(guī)模比向量空間完全集方式要小很多，有利于節(jié)約時(shí)間和存儲(chǔ)空間，且人工方式設(shè)計(jì)的測(cè)試向量對(duì)時(shí)序邏輯電路來(lái)說(shuō)更容易反映電路板的功能特性。因此該電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的測(cè)試向量全部由人工方式分析、設(shè)計(jì)而得。
    判斷測(cè)試結(jié)果所需要的響應(yīng)向量也有兩種方式：(1)響應(yīng)向量由ATE測(cè)試無(wú)故障板獲得并保存，作為測(cè)試維修時(shí)比對(duì)的基準(zhǔn)，此種方式可以由機(jī)器自動(dòng)完成；(2)根據(jù)人工分析，確定測(cè)試輸入向量相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)向量，此響應(yīng)向量還需與ATE測(cè)試無(wú)故障電路板獲得的電路板輸出向量進(jìn)行人工比對(duì)，兩者一致，才能確定該響應(yīng)向量是正確可用的。
4．3 測(cè)試結(jié)果自動(dòng)比較設(shè)計(jì)
    為實(shí)現(xiàn)ATE測(cè)試所得輸出向量與響應(yīng)向量之間的自動(dòng)比對(duì)，在測(cè)試向量中引入虛信號(hào)BASE，該信號(hào)在測(cè)試向量的每步之間跳變，將該信號(hào)送往ATE上空閑的第64路信號(hào)口。采集到的響應(yīng)向量(無(wú)故障板)和輸出向量(被測(cè)板)中包含BASE信號(hào)，此信號(hào)成為步長(zhǎng)指針，信號(hào)的兩次跳變之間的時(shí)間成為一個(gè)窗口，該窗口代表測(cè)試步驟中的一步，用此窗口分別截取響應(yīng)向量和輸出向量，再進(jìn)行比較，即可實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)診斷。這種自動(dòng)診斷方式能夠處理單步中出現(xiàn)單穩(wěn)的情形。至此整個(gè)測(cè)試過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可在1分鐘內(nèi)完成單塊數(shù)字電路板故障檢測(cè)工作，操作簡(jiǎn)單，工作效率高。

5 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)某電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板而設(shè)計(jì)的ATE，能夠完成該系統(tǒng)中所有數(shù)字電路板的故障測(cè)試工作，測(cè)試過(guò)程自動(dòng)完成，高效經(jīng)濟(jì)，能夠滿足戰(zhàn)時(shí)該電子裝備系統(tǒng)中數(shù)字電路板的快速維修任務(wù)，操作簡(jiǎn)便，實(shí)際應(yīng)用效果良好。該ATE在以下方面還可進(jìn)一步改進(jìn)：(1)對(duì)接插件模塊進(jìn)行改造，將該ATE用于艦艇上其他電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的維修工作，這是下一步的工作重點(diǎn)，即將該ATE由某電子裝備系統(tǒng)的專用數(shù)字電路板維修自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，改進(jìn)為該艦艇上所有電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的通用ATE；(2)該ATE目前尚只能用于較低速數(shù)字電路板(20 MHz以下)的故障測(cè)試，需要進(jìn)一步改進(jìn)；(3)在前述基礎(chǔ)上，可以考慮改進(jìn)、研制成我國(guó)海軍在役主要艦艇上電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的通用ATE。