電路板自動測試中的防差錯技術研究

霍曉磊,康霞,譚業雙

(1.軍械工程學院 信息工程系,河北石家莊050003;2.石家莊經濟學院 信息工程學院,河北 石家莊050031)

0 引言

防錯(poak-yoke)概念是由日本在20世紀60年代提出的,本義是“防止錯誤”的意思。防錯的目的是在產品的設計和生產過程中盡可能早地發現和改正錯誤,杜絕產品缺陷的產生[1]。防錯設計是指在產品設計過程中充分應用防錯思想的設計方法,防止制造不合格品而進行的設計和開發。目前在國際汽車行業常用的QS 9000標準和ISO/TS 16949技術規范中,都強調了必須采用防錯方法,實質上就是指在設計開發階段運用各種技術和方法,預測和預防產品在制造和使用過程中可能發生的各種偏差、隱患和故障。

隨著現代測量儀器及計算機技術的發展,人們對電路板的診斷維修由最初的人工測試逐漸發展為自動測試。測試方式由原來人工手持表筆、探針接觸變為用插座和線纜的可靠連接;對儀器的操作由原來需要人工調整設置測試儀器的各項參數變為現在的儀器全由程序控制工作;測試過程由原來人工對照電路圖分析測量點變為事先固化在計算機軟件中的操作步驟;最后結論推斷也由原來人工分析變為現在的計算機自動判決。大大提高了測試的可靠性、完備性和工作效率,同時還顯著降低了測試任務對人員專業素養的要求程度,因此自動測試技術得到了廣泛的應用[2,3]。

目前自動測試系統由專用系統正在向綜合化、通用化的方向發展,一套自動測試系統的測量范圍可以覆蓋從直流到射頻甚至到微波的廣大頻段,使得自動測試系統的性能大大提高,可以滿足更多設備的測試需求,因而其保障對象及應用范圍也大大擴展。

但是隨著通用自動測試系統覆蓋設備種類數量的增多,也給測試帶來對應的問題:由于測試任務和測試對象的增加,自動測試系統在使用和維護中都可能出現因人為疏忽而造成的誤操作,如插錯轉接適配器、被測電路板、測試電纜等,極有可能會造成被測電路板或通用測試平臺的損壞。因此測試系統的防差錯功能設計是否完善,就成為考核自動測試系統性能的一項重要指標。

自動測試系統防差錯設計的目的就是從技術上消除產生人為差錯的可能性,保證測試系統的正常運行。自動測試系統的防差錯設計包括硬件防差錯設計和軟件防差錯設計,可以獨立使用,也可以結合用戶的要求,根據被測對象的特點以及測試系統的具體結構而采取不同的組合設計策略[4]。

1 自動測試系統防差錯措施現狀

目前常用的防差錯的主要措施有:

1)統一醒目的標識和標志

在轉接適配器、電路板插座設置統一的標識,主要內容包括適配器的名稱、測試對象名稱等,標識要格式統一、明確且不應引起歧義,位置應醒目[5]。

2)選擇不同結構的電纜接口或電路板插座

為從物理結構上杜絕電纜連接或電路板接插的錯誤,在同一轉接適配器上應選擇外形尺寸、連接點數或接觸類型(針、孔)不同的接口,還可選擇帶有防插錯設計的插座,如圖1所示。插頭、插座兩端均有限位裝置,一端以A~F字母標識,另一端以1~6數字來標識,當插頭兩端的套筒缺口所對字符和插座兩端金屬柱突起所對字符正好一致的時候,插頭才能可靠連接到插座上。通過調節兩端字符位置,一共可有36種不同的組合樣式,因此可用來區分足夠多的電路板。

圖1 帶有限位裝置的防差錯接插件

當必須使用相同的接口時,也可人為造成連接器的一些結構區別。比如拔除或堵塞一些多余的接觸體,使相同的電纜間失去互換性。

3)軟件界面給予豐富提示信息

當系統內連接被測對象數量較多時,為了避免使用者產生歧義,在軟件操作界面可同時以圖片和文字方式詳細敘述各操作步驟,同時在關鍵步驟可給予重復提示。

但是在實際應用中,上面介紹的幾種防差錯措施并不能完全杜絕差錯現象,比如測試人員把被測電路板A正確地插到適配器對應的插座上,但是在軟件界面中卻錯誤選擇為測試電路板B,此時系統會按照電路板B的測試流程設置電源和激勵信號。這時,輕則會造成被測電路板的損壞,重則會損壞測試平臺,甚至威脅到測試人員的人身安全。

由此可見,單純依靠簡單的被動式的防差錯設計仍不完善。為了提高測試安全性,在測試過程中必須還要進行一些改進型(主動式)防差錯設計,將測試風險降低到最小。主動式防差錯設計主要是靠軟件編程并結合硬件設計來實現的。

2 改進型防差錯措施

根據在電路板自動測試過程中容易發生混淆的對象,可把改進型的電路板自動測試系統防差錯設計分為適配器防差錯、電路板防差錯和連接電纜防差錯三類。

a)適配器防差錯

適配器的防差錯設計主要依靠在轉接適配器內部設置識別電路,在自動測試系統工作時,測試程序首先進行適配器的識別,以判斷當前所加載的轉接適配器是否正確,如果錯誤,系統會給出警告信息,提醒用戶更換正確的適配器,并中止測試,直到所加載適配器型號正確,測試程序才進行下一步的工作。具體簡便易行的識別電路可由下面兩種方法實現。

1)身份電阻識別法

系統中每個轉接適配器在同一接口位置用不同的識別電阻來標識不同的適配器識別信息,如系統編號、設備編號等。電阻阻值的不同組合決定適配器唯一的型號。測試系統初始化時首先由數字多用表讀取該識別電阻阻值,以進行適配器的身份識別。

2)數字電平識別法

當系統內部IO資源比較豐富時,適配器識別還可以通過讀取數字IO代碼的方法來完成。系統可從數字IO資源中分配三個字節(可根據實際情況酌情增減字節個數)出來分別代表系統類別代碼、設備型號代碼和適配器代碼。接至＋5 V的系統讀取值為1,接至GND的系統讀取值為0,如圖2所示。測試過程中由這三個字節的值供軟件進行系統、設備型號及適配器的識別。

圖2 適配器數字電平識別法

b)電路板防差錯

在適配器的識別完成后,由于同一個測試適配器對應的被測電路板也不止一塊,因此還需要進行被測電路板的識別。否則就會出現電路板連接正確,但是軟件選擇錯誤情況,同樣會造成設備損壞,所以還必須要進行被測電路板的防差錯處理。由于被測電路板形態、結構固定,不可更改,只能因地制宜,借助電路板的某些特性來實現電路板的識別。對于通過固定接插件同適配器連接的電路板,經過實踐試驗,本文找到以下兩種電路板識別的方法:

1)接地引腳識別法

大多數電路板的接插件引腳中可能有多個腳(比如電源地、數字地、模擬地等)。設計測試適配器時首先根據被測電路板電路圖找出相連的兩個GND引腳,其中一個引腳接至適配器電路板的公共地。另一個接至系統矩陣開關的一個輸入引腳,矩陣開關的輸出引腳接至系統萬用表的正極;適配器所需要測試電路板都做此處理后所得到硬件結構簡圖如圖3所示。這樣適配器在沒有插入被測電路板時,無論閉合哪路矩陣開關,萬用表測量電阻值始終是開路狀態;而只有某一個電路板插入后,適配器兩個引腳被電路板上對應引腳短路,此時若閉合該路矩陣開關,則萬用表測量對應通道短路,再根據事先在數據庫中所排定電路板與矩陣開關的對應關系,則可完成對被測電路板的識別。

圖3 電路板接地引腳識別法

2)身份電阻識別法

而假設被測電路板沒有相連的兩個GND引腳,也可通過研究被測電路板原理圖,盡量尋找兩個引腳間元件數目少(發生故障概率越小)的兩個引腳,通過測量其電阻值(稱其為身份電阻)的方法來標識不同的被測電路板。測試開始時根據萬用表所測量電阻值去判斷被測電路板名稱,再去調用對應的測試程序。同時盡量使同一適配器中不同被測電路板身份電阻差別越大越好,以減小電阻測量誤差對電路板身份識別的影響。

3)電纜防差錯

除了通過固定接插件,電纜也是電路板同外界連接的常用方式。對于這種情況,上述電路板防差錯方法同樣適用,只不過此時需要對適配器端的接插件進行一下改動設計。由于此改動并不涉及被測電路板的接插件,因而也不會影響該電路板的正常使用。

比如有6塊電路板均是通過9芯電纜同適配器連接,9芯電纜之中只有1根GND引腳。這時可在適配器連接端選擇15芯的連接器,15芯連接器中前面9芯與電路板信號一一對接,而把余下多出的6芯作為接地識別引腳。即把該引腳與9芯之中的GND引腳在適配器插頭端短接,如圖4所示,此時在適配器上插座對應10~15引腳進行電阻測量,如沒有和GND短路,則證明連接電纜不正確,因而可將電纜連接錯誤情況有效避免。

3 結語

圖4 連接電纜防差錯設計示意圖

防錯技術是一種先進實用的保障品質和提高效率工具,防錯設計是實施防錯技術的核心,本文在研究防錯設計實現方式的基礎上,理論與實踐相結合,并對如何結合電路板自動測試技術的實際情況應用防錯設計進行了應用研究,對實際工程中防差錯技術的實現具有一定指導作用。

[1]趙華堅,奚立峰.應用防錯技術實現質量零缺陷[J].工業工程與管理,2002(4).

[2]張毅剛,彭喜元,等.自動測試系統[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2001.

[3]張娟,黃開臣.綜合自動測試系統研究[J].測控技術,2011,30(10):30-35.

[4]孫玉勤,賀承杰.自動測試系統中的防差錯設計[J].研究與開發,2009,28(2):38-41.

[5]王學良,劉劍敏,蔣家東,等.防差錯制造探索及其案例剖析[J].工業工程,2010,13(5):80-84.