通用電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電路板已經(jīng)成為當(dāng)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(fù)雜，印制電路板的密度日趨增加，隨之而來的是印制板的測(cè)試及修理也愈加困難。為了提高印制電路板的檢測(cè)及維修的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)電路板的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是非常必要的。

　　目前，印制電路板自動(dòng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速，印制板在線測(cè)試系統(tǒng)（ATE）廣泛應(yīng)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(cè)和維修等環(huán)節(jié)。由于用戶的測(cè)試要求、測(cè)試對(duì)象各不相同，其具體性能（或功能）、測(cè)試原理及測(cè)試方法也各不相同，它需要量體裁衣、單臺(tái)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(fù)利用率低。鑒于上述狀況，本文設(shè)計(jì)了一款較為通用的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，用來測(cè)試電路板是否工作正常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多款電路板的在線測(cè)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(cè)試電路板是否工作正常，是通過對(duì)電路板上關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行測(cè)試來達(dá)到的。因此，本系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)電路板上的關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行采集，通過PC 端的軟件進(jìn)行分析得出測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)分為針床、信號(hào)采集和傳輸模塊、測(cè)試軟件3個(gè)部分。作為一個(gè)通用的測(cè)試系統(tǒng)，在3 個(gè)部分中均考慮了較強(qiáng)的通用性。

　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本自動(dòng)測(cè)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(cè)信號(hào)導(dǎo)出，F(xiàn)PGA 通過控制多路模擬開關(guān)將待測(cè)信號(hào)采集進(jìn)來，將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)協(xié)議傳送到PC 機(jī)，用自動(dòng)測(cè)試軟件測(cè)試各個(gè)信號(hào)是否正常。

　　由于待測(cè)信號(hào)的頻率相差較大，有直流信號(hào)，也有頻率高于103 MHz 的脈沖信號(hào)，以及在其間的多種頻率的信號(hào)，因此本系統(tǒng)采用低頻和高頻2 組信號(hào)采樣電路，來適應(yīng)不同信號(hào)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(duì)這3 種芯片進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

　　EP2S63 是ALTERA 公司的Strati 系列的FPGA，該系列的FPGA 采用先進(jìn)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(dá)84個(gè)專用LVDS 差分邏輯接收通道，每個(gè)LVDS 通道數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)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(shí)鐘信號(hào)。

　　AD7864 是一種較低速、低功耗、可以4 通道同時(shí)采樣的12b A/D轉(zhuǎn)換器。它擁有12 位A/D轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)采樣4 個(gè)輸入通道，并具有4 個(gè)采樣、保持放大器；單電源供電（+5 V），多個(gè)轉(zhuǎn)換電壓范圍， 對(duì)于每一個(gè)模擬輸入通道均有過壓保護(hù)電路；4 通道同時(shí)工作時(shí)，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(dú)立的ADC，具有8 b 轉(zhuǎn)換精度，每個(gè)通道具有ｌ Gs/ｓ 的采樣率，在交錯(cuò)模式下采樣率達(dá)2 Gs/ｓ。本芯片基于高速應(yīng)用場(chǎng)合的要求，模擬輸入、數(shù)字時(shí)鐘輸入、數(shù)字時(shí)鐘輸出、數(shù)據(jù)輸出，同步時(shí)鐘輸出都采用差分方式。數(shù)據(jù)輸出采用LVDS標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸率可達(dá)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(shí)，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(xì)設(shè)計(jì)

　　2.1 針床設(shè)計(jì)

　　針床是電路板測(cè)試系統(tǒng)的重要部件，是電路板信號(hào)導(dǎo)出的平臺(tái)。針床的通用性較差，一般是每種電路板對(duì)應(yīng)一個(gè)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(duì)針床的相關(guān)部件進(jìn)行了一些改進(jìn)：

　?。?）探針設(shè)計(jì)。探針見圖2 ａ。本探針是以目前市場(chǎng)上的探針為基礎(chǔ)、自行設(shè)計(jì)的內(nèi)含彈簧的探針，易于固定，信號(hào)導(dǎo)出方便：

　　探針的一端為探頭，是與電路板接觸，并導(dǎo)出信號(hào)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(hào)的導(dǎo)出端子。為減少各個(gè)信號(hào)間的干擾，導(dǎo)線均采用屏蔽線。為適應(yīng)不同信號(hào)要求，按粗細(xì)和允許的信號(hào)帶寬要求探針分為多種型號(hào)，使用時(shí)根據(jù)需要對(duì)探針型號(hào)進(jìn)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(cè)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(hào)來決定。擋板可以在整個(gè)針床的底座上進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)不同尺寸電路板的固定要求；擋板的寬度，前后兩個(gè)為233 mm，左右兩個(gè)為73 mm。

2.2 信號(hào)采集

　　電路板上輸出的待測(cè)信號(hào)主要有三類：電源信號(hào)、脈沖數(shù)字信號(hào)、電平變換信號(hào)。此外還有一些頻率較高的模擬信號(hào)，如音視頻信號(hào)，此類信號(hào)一般不作為關(guān)鍵測(cè)試信號(hào)，若需測(cè)試時(shí)可按高頻信號(hào)進(jìn)行采集。其中電源信號(hào)和電平變換信號(hào)均可視為直流信號(hào)來采集，用AD7864 完成采集。而脈沖數(shù)字信號(hào)的頻率較高，動(dòng)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(jìn)行采集，并且需要對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量。因此本系統(tǒng)信號(hào)采集分為低頻和高頻兩個(gè)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(hào)和電平變換信號(hào)，采用AD7864 作為采集芯片。AD7864 具有片內(nèi)時(shí)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(jiǎn)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(shí)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(jì)算電壓值，計(jì)算公式如下：

　　當(dāng)D11 位為3 時(shí)，電壓為正值，計(jì)算公式為：

　　當(dāng)D11 位為1 時(shí)，電壓為負(fù)值，計(jì)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(cè)量范圍，本例中為23 V（測(cè)量范圍為V）。

　　（2）高頻部分。主要是對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的采集，包括頻率測(cè)量和信號(hào)采集兩個(gè)部分。脈沖數(shù)字信號(hào)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(hào)的頻率是否正常是本測(cè)試系統(tǒng)的必要工作。本系統(tǒng)是將待測(cè)信號(hào)接入FPGA 與53MHz 的高精度時(shí)鐘同時(shí)開始計(jì)數(shù)，一段時(shí)間后，通過兩個(gè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值來計(jì)算脈沖信號(hào)頻率的。信號(hào)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(dú)使用，此時(shí)可以同時(shí)采集兩路信號(hào)，最高采樣率為1 Gｓ/ｓ；也可以配置成Ｉ 和Ｑ 路的交錯(cuò)采樣，此時(shí)只能采集1 路信號(hào)，等效采樣率為2 Gｓ/ｓ，使用時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)該芯片進(jìn)行在線配置。FPGA 對(duì)AT84AD331數(shù)據(jù)讀取時(shí)序見圖5。

由于AT84AD331 輸入信號(hào)為差分信號(hào)，且信號(hào)峰峰值要求不超過533 mV。電路板上的待測(cè)信號(hào)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(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并且使信號(hào)電壓滿足要求。

　　在FPGA 內(nèi)部完成對(duì)LVDS 信號(hào)的讀取、組合、排序以及存儲(chǔ)等操作。一般情況下存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)的值在1 333 以內(nèi)，然后對(duì)這些采樣點(diǎn)的值進(jìn)行計(jì)算，可以得到實(shí)際電壓值，計(jì)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(cè)信號(hào)較多，低頻和高頻部分分別是32 個(gè)，而數(shù)據(jù)采集芯片都只有一個(gè)，各個(gè)信號(hào)都是由FPGA 控制模擬開關(guān)分時(shí)地進(jìn)行采集的。為使各個(gè)通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和控制有序地進(jìn)行，在FPGA 中為每一個(gè)信號(hào)都設(shè)置了工作狀態(tài)控制模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（以下稱為寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　（1）寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器介紹。FPGA 對(duì)每一路信號(hào)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(chǔ)器。此外在高頻部分還擁有一個(gè)公共的高速采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，大小為1 ｋB，及其對(duì)應(yīng)的一個(gè)8 bit 的控制寄存器。5 bit的控制寄存器每個(gè)通道只設(shè)有一個(gè)，該寄存器D3 位為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)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(zhǔn)備好。上電或復(fù)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(gè)通道也只設(shè)有一個(gè)，該寄存器的值是向PC 機(jī)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(jì)算后的頻率值。

　　16 bit 的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)，分別用來存放標(biāo)準(zhǔn)和待測(cè)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值；低頻部分為13 個(gè)，用來存放13 個(gè)采樣點(diǎn)的值，12 bit 的最終結(jié)果寄存器的值是根據(jù)這13 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

　　高速采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)時(shí)在同一時(shí)刻只允許采樣1 路信號(hào)，采樣點(diǎn)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(duì)應(yīng)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(diǎn)數(shù)設(shè)置，3333B 表示64 個(gè)，1111 表示1 324 個(gè)，步進(jìn)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(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn)，步進(jìn)為4。設(shè)置這幾位的目的是為了適應(yīng)信號(hào)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(biāo)志位，功能和操作與5 bit 的寄存器的對(duì)應(yīng)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(jī)發(fā)出的，共8 個(gè)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(cè)試。

　　PC 機(jī)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(gè)命令，低5 位為輔助功能，具體見表3。FPGA 接收到主機(jī)發(fā)來的命令信號(hào)后，按命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。

表3 控制命令的位功能

　?。?） 數(shù)據(jù)傳輸過程簡(jiǎn)述。系統(tǒng)中與PC 機(jī)的通信采用的是RS232 接口，數(shù)據(jù)的傳輸完全符合RS232 標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)將數(shù)據(jù)的傳輸過程簡(jiǎn)述如下：系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)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(jī)通過測(cè)試軟件對(duì)FPGA 內(nèi)部的各個(gè)寄存器進(jìn)行配置；然后發(fā)送開始命令，開始對(duì)有效的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集；采集完成后向PC 機(jī)返回信息，PC 機(jī)根據(jù)需要通過測(cè)試軟件從FPGA 讀取相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)計(jì)算后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較并得出測(cè)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(hào)的波形。在FPGA 內(nèi)部還擁有關(guān)鍵信號(hào)（電源）的監(jiān)測(cè)：任何一路電源信號(hào)不正常則重新進(jìn)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(hào)。

2.4 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

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

　　擁有上述功能即可進(jìn)行測(cè)試，至于界面方面可以根據(jù)個(gè)人的習(xí)慣和愛好進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的測(cè)試軟件實(shí)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(hào)波形和保存結(jié)果3 個(gè)按鈕，還有一個(gè)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(hào)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(jìn)行測(cè)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(hào)波形的設(shè)置和顯示窗口見圖8。

　　3 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)的電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通用性強(qiáng)、使用方便、工作穩(wěn)定，可以應(yīng)用于多款電路板的測(cè)試；對(duì)不同的電路板，只需制作2 塊對(duì)應(yīng)的固定板即可。系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)123 mm×133 mm 和253mm×213 mm 兩款電路板進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果令人滿意。該系統(tǒng)具有一定的推廣價(jià)值。