電子裝備數(shù)字電路板自動檢測儀方案設(shè)計

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，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了巨大的挑戰(zhàn)。隨著部隊信息化建設(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：自動測試系統(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。ATE是以計算機為基礎(chǔ)的故障診斷技術(shù)設(shè)備，投入使用后，加速了測試過程，提高了維修速度，還可以預(yù)防未發(fā)生的故障，進而提高裝備的質(zhì)量和性能。艦艇電子裝備中的電路板存在多種類型，這里僅考慮針對單純的數(shù)字邏輯型電路板ATE設(shè)備的設(shè)計。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　測試單純的數(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特性，如信號電平(TTL型、CMOS型等)、信號方向(輸入、輸出或雙向)、信號功能(電源信號、邏輯信號)，在此基礎(chǔ)上通過電路原理圖分析電路板功能，設(shè)計測試向量，以確定響應(yīng)向量。信號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)計單位提供;(2)使用測量儀表手工測繪。

　　ATE測試的原理就是向電路板輸入測試向量，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故障，否則表明該電路板已損壞。整個過程由ATE自動完成，因此效率高，但測試向量的完備與否對故障診斷結(jié)果有重要影響。該ATE設(shè)備是針對某電子裝備系統(tǒng)而研發(fā)的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　從圖1可見，ATE由信號發(fā)生、信號采集、與上位機的USB通信以及用于連接被測板的接插件4大模塊組成。信號發(fā)生模塊和信號采集模塊采用單片機AT89S51+FPGA的技術(shù)方案實現(xiàn)，因此整個測試系統(tǒng)是一個PC機→單片機→FPGA→被測板的4級結(jié)構(gòu)。USB通信模塊選用USB/RS-232轉(zhuǎn)換器實現(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板連接的電氣與機械特性。

　　3 關(guān)鍵模塊設(shè)計

　　3.1 信號發(fā)生模塊設(shè)計

　　該模塊由單片機控制橋(AT89S51)、測試向量存儲器(靜態(tài)存儲器HM628128x2，排列方式為256 Kx8 bit)、信號發(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。

　　單片機控制橋收到上位PC機傳來的測試向量后，將其寫入測試向量存儲器(單片機內(nèi)的存儲器不夠用)，并將被測電路板的引腳信號特性數(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)由信號發(fā)生FP-GA提供，F(xiàn)PGA接收到控制橋的信號發(fā)生命令后，從測試向量存儲器取出測試向量送往三態(tài)門陣列。控制橋重用FPGA訪問測試向量存儲器的總線，為防止兩者對存儲器的訪問沖突，用信號Ctrl0和Ctrl1進行開關(guān)控制，當(dāng)Ctrl0=0且Ctrl1=0時，控制橋掌控存儲器的訪問總線，否則由FPGA掌控。

　　這里要解決的關(guān)鍵問題之一是自動配線問題。由于各塊電路板的輸入輸出引腳不固定，自動配線除了保證信號送達被測板相應(yīng)的輸入通道外，需要避免信號發(fā)生模塊將信號輸出到被測電路板的輸出通道，以防止損壞被測板。設(shè)計中該問題通過三態(tài)門的高阻態(tài)得以解決。
3.2 信號采集模塊設(shè)計

　　由于被測板是單純的數(shù)字邏輯電路，電路板的輸出信號是數(shù)字信號，因此信號采集時無須A/D轉(zhuǎn)換，只需按照一定的采樣周期采集輸出信號即可。由于單片機數(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，并存入存儲器中，在到達測試深度后，F(xiàn)PGA向單片機發(fā)送中斷請求，單片機從存儲器中讀取采集到的輸出信號，通過USB傳送到上位PC機。該模塊組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

　　4 系統(tǒng)工作原理

　　4.1 系統(tǒng)工作過程

　　ATE測試的基本原理：向被測板輸入測試信號，然后獲取被測板的輸出信號，并與響應(yīng)信號相比較，依據(jù)兩者是否完全一致，判斷被測板有無故障。ATE工作過程如下：

　　(1)完成硬件連線：PC機與ATE的USB連接，被測板與ATE插接，電源連接;

　　(2)在上位PC機上運行ATE測試控制軟件TCS(Test Con-trol Software)，TCS中已經(jīng)預(yù)先錄入每塊待測板的型號，維修人員選擇電路板型號，點擊啟動測試按鈕;

　　(3)TCS將該型號電路板的引腳信號特性、測試向量、響應(yīng)向量、觸發(fā)字、觸發(fā)方式、采樣周期、采樣深度、信號發(fā)生周期等測試數(shù)據(jù)和參數(shù)從數(shù)據(jù)庫中讀出，并將除響應(yīng)向量外的數(shù)據(jù)和參數(shù)分別發(fā)往信號發(fā)生模塊中的單片機AT89S51和信號采集模塊中的單片機AT89S51;

　　(4)AT89S51單片機通過配置FPGA完成系統(tǒng)的自動配線工作;

　　(5)TCS依先后順序向信號采集模塊和信號發(fā)生模塊的單片機發(fā)送開始測試命令;

　　(6)TCS在收到信號采集模塊傳來的數(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，得出被測數(shù)字邏輯電路板是否完好的診斷結(jié)果。

　　上述(3)～(6)項由ATE自動完成。

　　4.2 測試向量與響應(yīng)向量設(shè)計

　　測試診斷結(jié)果的正確與否也與測試向量的完備性有關(guān)，測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根信號線的信號組合共有2n種，即測試向量空間為集合{0，1，2，…2n-1}，取此集合的所有元素作為測試輸入向量，該方式可以由機器自動完成。

　　(2)人工方式由人工分析電路板的邏輯功能。以每個邏輯門、觸發(fā)器等器件的各種狀態(tài)能夠完全遍歷為原則，設(shè)計測試輸入向量，對時序邏輯電路板還需確定復(fù)位存儲功能器件的復(fù)位向量，由此獲得整個電路板的測試輸入向量。

　　人工方式獲得的測試向量的規(guī)模比向量空間完全集方式要小很多，有利于節(jié)約時間和存儲空間，且人工方式設(shè)計的測試向量對時序邏輯電路來說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)字邏輯電路板的測試向量全部由人工方式分析、設(shè)計而得。

　　判斷測試結(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測試無故障板獲得并保存，作為測試維修時比對的基準(zhǔn)，此種方式可以由機器自動完成;(2)根據(jù)人工分析，確定測試輸入向量相對應(yīng)的響應(yīng)向量，此響應(yīng)向量還需與ATE測試無故障電路板獲得的電路板輸出向量進行人工比對，兩者一致，才能確定該響應(yīng)向量是正確可用的。

　　4.3 測試結(jié)果自動比較設(shè)計

　　為實現(xiàn)ATE測試所得輸出向量與響應(yīng)向量之間的自動比對，在測試向量中引入虛信號BASE，該信號在測試向量的每步之間跳變，將該信號送往ATE上空閑的第64路信號口。采集到的響應(yīng)向量(無故障板)和輸出向量(被測板)中包含BASE信號，此信號成為步長指針，信號的兩次跳變之間的時間成為一個窗口，該窗口代表測試步驟中的一步，用此窗口分別截取響應(yīng)向量和輸出向量，再進行比較，即可實現(xiàn)軟件自動診斷。這種自動診斷方式能夠處理單步中出現(xiàn)單穩(wěn)的情形。至此整個測試過程完全實現(xiàn)自動化，可在1分鐘內(nèi)完成單塊數(shù)字電路板故障檢測工作，操作簡單，工作效率高。

　　5 結(jié)束語

　　針對某電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板而設(shè)計的ATE，能夠完成該系統(tǒng)中所有數(shù)字電路板的故障測試工作，測試過程自動完成，高效經(jīng)濟，能夠滿足戰(zhàn)時該電子裝備系統(tǒng)中數(shù)字電路板的快速維修任務(wù)，操作簡便，實際應(yīng)用效果良好。該ATE在以下方面還可進一步改進：(1)對接插件模塊進行改造，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，即將該ATE由某電子裝備系統(tǒng)的專用數(shù)字電路板維修自動測試設(shè)備，改進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)的故障測試，需要進一步改進;(3)在前述基礎(chǔ)上，可以考慮改進、研制成我國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。