通用電路板自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

電路板已經(jīng)成為當今電子產(chǎn)品的重要組成部分，隨著電子技術(shù)及印制板制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品日趨復雜，印制電路板的密度日趨增加，隨之而來的是印制板的測試及修理也愈加困難。為了提高印制電路板的檢測及維修的自動化程度，設(shè)計電路板的自動測試系統(tǒng)是非常必要的。

　　目前，印制電路板自動測試技術(shù)發(fā)展迅速，印制板在線測試系統(tǒng)（ATE）廣泛應用于印制板光板及各種產(chǎn)品的印制電路板的生產(chǎn)、檢測和維修等環(huán)節(jié)。由于用戶的測試要求、測試對象各不相同，其具體性能（或功能）、測試原理及測試方法也各不相同，它需要量體裁衣、單臺定制才能滿足用戶的要求，并且系統(tǒng)的通用性較差，資源可重復利用率低。鑒于上述狀況，本文設(shè)計了一款較為通用的自動測試系統(tǒng)，用來測試電路板是否工作正常，實現(xiàn)了對多款電路板的在線測試。

　　1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　1.1 系統(tǒng)總體考慮

　　本系統(tǒng)的主要目的是測試電路板是否工作正常，是通過對電路板上關(guān)鍵信號進行測試來達到的。因此，本系統(tǒng)的任務就是對電路板上的關(guān)鍵信號進行采集，通過PC 端的軟件進行分析得出測試結(jié)果。系統(tǒng)分為針床、信號采集和傳輸模塊、測試軟件3個部分。作為一個通用的測試系統(tǒng)，在3 個部分中均考慮了較強的通用性。

　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。系統(tǒng)的工作原理是：通過針床將待測信號導出，FPGA 通過控制多路模擬開關(guān)將待測信號采集進來，將數(shù)據(jù)通過相應協(xié)議傳送到PC 機，用自動測試軟件測試各個信號是否正常。

　　由于待測信號的頻率相差較大，有直流信號，也有頻率高于103 MHz 的脈沖信號，以及在其間的多種頻率的信號，因此本系統(tǒng)采用低頻和高頻2 組信號采樣電路，來適應不同信號采集的需要。

　　1.3 主要芯片介紹

　　本系統(tǒng)中用到的主要芯片有：主芯片EP2S63，AD 采樣芯片AD7864 和AT84AD331。以下對這3 種芯片進行簡要介紹：

　　EP2S63 是ALTERA 公司的Strati 系列的FPGA，該系列的FPGA 采用先進的93 nm 生產(chǎn)工藝；將FPGA 性能推向了新高度，該系列是業(yè)界最快、密度最高的FPGA。EP2S63 擁有多達84個專用LVDS 差分邏輯接收通道，每個LVDS 通道數(shù)據(jù)傳輸速率最高達1 Gb/ｓ。其內(nèi)部具有專門的高速數(shù)字鎖相環(huán)電路，能夠產(chǎn)生可供ADC 電路使用的時鐘信號。

　　AD7864 是一種較低速、低功耗、可以4 通道同時采樣的12b A/D轉(zhuǎn)換器。它擁有12 位A/D轉(zhuǎn)換器，可同時采樣4 個輸入通道，并具有4 個采樣、保持放大器；單電源供電（+5 V），多個轉(zhuǎn)換電壓范圍， 對于每一個模擬輸入通道均有過壓保護電路；4 通道同時工作時，最大采樣率為133 kHz。

　　AT84AD331 是Atmel 公司生產(chǎn)的高速采集芯片。該器件集成了兩路（I 和Q）獨立的ADC，具有8 b 轉(zhuǎn)換精度，每個通道具有ｌ Gs/ｓ 的采樣率，在交錯模式下采樣率達2 Gs/ｓ。本芯片基于高速應用場合的要求，模擬輸入、數(shù)字時鐘輸入、數(shù)字時鐘輸出、數(shù)據(jù)輸出，同步時鐘輸出都采用差分方式。數(shù)據(jù)輸出采用LVDS標準，其傳輸率可達1 Gb/ｓ，使用其內(nèi)部的多路分離器，可以降低輸出數(shù)據(jù)率，也可以方便地與多種類型的高速FPGA 直接相連。

　　采用1∶2 模式時，輸出數(shù)據(jù)速率降為533 Mb/ｓ，可以滿足多數(shù)FPGA 接收數(shù)據(jù)的要求。2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

　　2.1 針床設(shè)計

　　針床是電路板測試系統(tǒng)的重要部件，是電路板信號導出的平臺。針床的通用性較差，一般是每種電路板對應一個特定的針床，這使系統(tǒng)的通用性受到很大的限制。為使針床具有一定的通用性，本系統(tǒng)中對針床的相關(guān)部件進行了一些改進：

　　（1）探針設(shè)計。探針見圖2 ａ。本探針是以目前市場上的探針為基礎(chǔ)、自行設(shè)計的內(nèi)含彈簧的探針，易于固定，信號導出方便：

　　探針的一端為探頭，是與電路板接觸，并導出信號的部分；另一端是固定座，是絕緣體，中空，內(nèi)含彈簧，使探頭能夠伸縮；中間為信號的導出端子。為減少各個信號間的干擾，導線均采用屏蔽線。為適應不同信號要求，按粗細和允許的信號帶寬要求探針分為多種型號，使用時根據(jù)需要對探針型號進行選擇。

　?。?）探針的固定：在本系統(tǒng)的針床上，探針的固定是采用兩塊相同的探針固定板和4 塊擋板組成，固定板和探針的固定示意圖見圖2 b 和圖2ｃ：固定板的大小與待測板相同，板上固定孔位置需根據(jù)電路板的技術(shù)文件來確定，孔的大小需根據(jù)選取探針的型號來決定。擋板可以在整個針床的底座上進行移動調(diào)整，以適應不同尺寸電路板的固定要求；擋板的寬度，前后兩個為233 mm，左右兩個為73 mm。

2.2 信號采集

　　電路板上輸出的待測信號主要有三類：電源信號、脈沖數(shù)字信號、電平變換信號。此外還有一些頻率較高的模擬信號，如音視頻信號，此類信號一般不作為關(guān)鍵測試信號，若需測試時可按高頻信號進行采集。其中電源信號和電平變換信號均可視為直流信號來采集，用AD7864 完成采集。而脈沖數(shù)字信號的頻率較高，動輒就幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲，需要用高速的AD（本系統(tǒng)中用的是AT84AD331） 來進行采集，并且需要對頻率進行測量。因此本系統(tǒng)信號采集分為低頻和高頻兩個部分，下面分別敘述：

　　（1）低頻部分。本部分主要采集的是電源信號和電平變換信號，采用AD7864 作為采集芯片。AD7864 具有片內(nèi)時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內(nèi)部精確的2。5 V 參考電壓，這使得其與高速處理器的接口變得非常簡單。AD7864 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀取采用轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)的方式，其讀取時序見圖3。

　　采集到的數(shù)據(jù)為D3～D11 共12 位，需根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來計算電壓值，計算公式如下：

　　當D11 位為3 時，電壓為正值，計算公式為：

　　當D11 位為1 時，電壓為負值，計算公式為：

　　以上兩式中D 為讀取的12 位數(shù)據(jù)，ＦＳＲ 為AD7864 的測量范圍，本例中為23 V（測量范圍為V）。

　　（2）高頻部分。主要是對脈沖數(shù)字信號的采集，包括頻率測量和信號采集兩個部分。脈沖數(shù)字信號的頻率是確定電路板是否工作正常的重要參數(shù)，因此確定脈沖信號的頻率是否正常是本測試系統(tǒng)的必要工作。本系統(tǒng)是將待測信號接入FPGA 與53MHz 的高精度時鐘同時開始計數(shù)，一段時間后，通過兩個信號的計數(shù)值來計算脈沖信號頻率的。信號采集是以AT84AD331 作為采集芯片。AT84AD331 與EP2S63 的連接見圖4。

　　AT84AD331 可以配置成I 路和Q 路單獨使用，此時可以同時采集兩路信號，最高采樣率為1 Gｓ/ｓ；也可以配置成Ｉ 和Ｑ 路的交錯采樣，此時只能采集1 路信號，等效采樣率為2 Gｓ/ｓ，使用時可以根據(jù)需要對該芯片進行在線配置。FPGA 對AT84AD331數(shù)據(jù)讀取時序見圖5。

由于AT84AD331 輸入信號為差分信號，且信號峰峰值要求不超過533 mV。電路板上的待測信號都是單端的并且峰峰值一般在4 V～5 V 之間。本系統(tǒng)中采用了13∶1 的變壓器耦合輸入方式，可以完成單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換，并且使信號電壓滿足要求。

　　在FPGA 內(nèi)部完成對LVDS 信號的讀取、組合、排序以及存儲等操作。一般情況下存儲的采樣點的值在1 333 以內(nèi)，然后對這些采樣點的值進行計算，可以得到實際電壓值，計算公式如下：

 2.3 數(shù)據(jù)傳輸和控制協(xié)議

　　系統(tǒng)中待測信號較多，低頻和高頻部分分別是32 個，而數(shù)據(jù)采集芯片都只有一個，各個信號都是由FPGA 控制模擬開關(guān)分時地進行采集的。為使各個通道的數(shù)據(jù)存儲、傳輸和控制有序地進行，在FPGA 中為每一個信號都設(shè)置了工作狀態(tài)控制模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊（以下稱為寄存器和數(shù)據(jù)存儲器）。本系統(tǒng)中所有控制過程的命令都是從PC 端發(fā)出的，F(xiàn)PGA 接收控制指令后，按指令進行相應的操作。

　?。?）寄存器和數(shù)據(jù)存儲器介紹。FPGA 對每一路信號都設(shè)有5 bit 的控制寄存器、12 bit 的最終結(jié)果寄存器和16 bit 的原始數(shù)據(jù)存儲器。此外在高頻部分還擁有一個公共的高速采樣數(shù)據(jù)的存儲器，大小為1 ｋB，及其對應的一個8 bit 的控制寄存器。5 bit的控制寄存器每個通道只設(shè)有一個，該寄存器D3 位為數(shù)據(jù)準備好標志（1 有效），其余4 位為控制位，各位的功能見表1，每一位都是1 為肯定，每一位都可通過PC 端發(fā)來的控制指令更改，F(xiàn)PGA 只能向D3 位寫1 ，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好。上電或復位后該寄存器值為33333B。

表1 5bit控制寄存器的位功能

　　12 bit 的最終結(jié)果寄存器每個通道也只設(shè)有一個，該寄存器的值是向PC 機發(fā)送的最終結(jié)果。該寄存器的數(shù)據(jù)在低頻和高頻部分，存放的數(shù)據(jù)不同：低頻部分存放的是13 次采樣結(jié)果的平均值，高頻部分存放的是計算后的頻率值。

　　16 bit 的原始數(shù)據(jù)存儲器，其低頻和高頻部分的數(shù)量是不相同的：高頻部分一般是2 個，分別用來存放標準和待測時鐘的計數(shù)值；低頻部分為13 個，用來存放13 個采樣點的值，12 bit 的最終結(jié)果寄存器的值是根據(jù)這13 個數(shù)據(jù)的平均值。

　　高速采樣數(shù)據(jù)存儲器是高頻部分的32 路共有的，由于波形采樣的數(shù)據(jù)量比較大，本系統(tǒng)設(shè)計時在同一時刻只允許采樣1 路信號，采樣點數(shù)可以設(shè)定（最多為1 K），待這些數(shù)據(jù)全部發(fā)送出后，才可以開始下一次采集。對應的控制寄存器的位功能見表2。

表2 高速采樣控制寄存器的位功能

　　其中D7～D4 為數(shù)據(jù)采集的點數(shù)設(shè)置，3333B 表示64 個，1111 表示1 324 個，步進為64。D3～D1 為數(shù)據(jù)抽取的間隔設(shè)置，333 表示抽取間隔為3，全部數(shù)據(jù)有效；111 表示抽取間隔為28，即每隔28 個點抽取一個點，步進為4。設(shè)置這幾位的目的是為了適應信號頻率的要求，防止采集數(shù)據(jù)不足一周期的狀況發(fā)生。D3位為標志位，功能和操作與5 bit 的寄存器的對應位完全相同。本寄存器分高4 位和低4 位兩次設(shè)置。

　?。?）控制命令介紹。本系統(tǒng)中的控制命令都是由PC 機發(fā)出的，共8 個命令：選擇控制寄存器1（低頻部分）；選擇控制寄存器2（高頻部分）；選擇控制寄存器3（高速采樣部分）；寫控制寄存器數(shù)據(jù)；讀取數(shù)據(jù)1（低頻部分）；讀取數(shù)據(jù)2（高頻部分的頻率值）；讀取波形采樣數(shù)據(jù)；開始/停止測試。

　　PC 機發(fā)送的控制字都是8 位的，其中高3 位為控制命令字，用來區(qū)分8 個命令，低5 位為輔助功能，具體見表3。FPGA 接收到主機發(fā)來的命令信號后，按命令執(zhí)行相應的操作。

表3 控制命令的位功能

　?。?） 數(shù)據(jù)傳輸過程簡述。系統(tǒng)中與PC 機的通信采用的是RS232 接口，數(shù)據(jù)的傳輸完全符合RS232 標準?，F(xiàn)將數(shù)據(jù)的傳輸過程簡述如下：系統(tǒng)啟動后，首先進行自檢，以確定系統(tǒng)工作是否正常；系統(tǒng)工作正常后，PC 機通過測試軟件對FPGA 內(nèi)部的各個寄存器進行配置；然后發(fā)送開始命令，開始對有效的各個信號進行采集；采集完成后向PC 機返回信息，PC 機根據(jù)需要通過測試軟件從FPGA 讀取相應通道的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)計算后與標準值進行比較并得出測試結(jié)果。也可以根據(jù)需要讀取某一通道的原始數(shù)據(jù)以及采集某一通道信號的波形。在FPGA 內(nèi)部還擁有關(guān)鍵信號（電源）的監(jiān)測：任何一路電源信號不正常則重新進行采集，若3 次采集結(jié)果均不正常則直接關(guān)閉電路板的供電電源，避免損壞電路板，并向PC 發(fā)送電源不正常的消息，并給出出現(xiàn)異常的通道號。

2.4 測試軟件設(shè)計

　　測試軟件是本系統(tǒng)的人機接口部分，在本系統(tǒng)中需包括如下功能：設(shè)置各個通道信號的參數(shù)值，并能保存和讀取設(shè)置的參數(shù)；顯示各個通道的信號測試結(jié)果，并能夠保存；能夠采集并顯示某一通道的信號波形。

　　擁有上述功能即可進行測試，至于界面方面可以根據(jù)個人的習慣和愛好進行設(shè)計。本系統(tǒng)的測試軟件實現(xiàn)了上述的功能，至于界面并未追求美觀，其功能大致如下：

　　系統(tǒng)主界面見圖6，除了“開始停止”鍵外，有設(shè)置、查看信號波形和保存結(jié)果3 個按鈕，還有一個結(jié)果的輸出窗口。

　　設(shè)置窗口見圖7，本窗口中可以設(shè)置每一路信號的屬性，也可以直接調(diào)出以前保存的設(shè)置，設(shè)置完成后即可按該設(shè)置進行測試。設(shè)置完成后，可以將本次的設(shè)置保存成文件，以便下次直接調(diào)出。

　　查看信號波形的設(shè)置和顯示窗口見圖8。

　　3 結(jié)語

　　本文設(shè)計的電路板自動測試系統(tǒng)通用性強、使用方便、工作穩(wěn)定，可以應用于多款電路板的測試；對不同的電路板，只需制作2 塊對應的固定板即可。系統(tǒng)已經(jīng)對123 mm×133 mm 和253mm×213 mm 兩款電路板進行測試，結(jié)果令人滿意。該系統(tǒng)具有一定的推廣價值。