基于PXI總線的數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 燦，王建業(yè)，王孔華，王 勇

（空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051）

0 引 言

在電子信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，隨著微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外在電子設(shè)備的測(cè)試領(lǐng)域都有著快速的發(fā)展，以國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀為例，電子設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)日益向著小型化、高可靠性和高速自動(dòng)化等方面發(fā)展［1－3］。

然而，隨著集成電路工藝的不斷提高，尤其是進(jìn)入超大規(guī)模集成電路 （VLSI）時(shí)代，芯片的集成度愈來愈高，這一趨勢(shì)使得傳統(tǒng)的測(cè)試方法不能很好滿足電路系統(tǒng)的測(cè)試需求。電路板的規(guī)模越來越小，布局更加復(fù)雜，電子元器件的密度增高，功能和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣，加之SMT （表面貼裝技術(shù)）、MCM （多芯片組件）等技術(shù)的運(yùn)用，傳統(tǒng)的測(cè)試方法在開路故障、粘1或者粘0故障等方面束手無策。數(shù)字電路的復(fù)雜性對(duì)測(cè)試診斷的要求很高且較特別，不僅需要精密的檢測(cè)儀器，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析排查，確認(rèn)故障信號(hào)，再加上芯片各異，板卡功能不一，傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備花費(fèi)巨大且效率低下，亟待整合新的測(cè)試技術(shù)和性能更好的功能模塊來開發(fā)出新的測(cè)試系統(tǒng)以滿足當(dāng)前復(fù)雜的測(cè)試需求。

結(jié)合上述數(shù)字電路測(cè)試需求，針對(duì)數(shù)字電路中的邏輯電路和時(shí)序電路的測(cè)試 （尤其是時(shí)序電路），同時(shí)為了更好地對(duì)使用表面貼裝技術(shù)和BGA 封裝等新技術(shù)的芯片 （例如FPGA 芯片等）的數(shù)字電路進(jìn)行測(cè)試，采用模塊化思維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于PXI總線的小型化數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)。相對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)性價(jià)比較低、設(shè)備體積大不宜攜帶和通用性不強(qiáng)等不足，該測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、處理速度快、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)擁有著良好的通用性并保證了較高的故障覆蓋率。

1 總體方案

PCI總線在儀器儀表領(lǐng)域的擴(kuò)展 （PCI eXtensions for instrumentation，PXI）總線是將周邊元件擴(kuò)展接口 （peripheral component interconnect，PCI）總 線 擴(kuò) 展 到 儀 器 方面而推出的以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的高性能低價(jià)位的模塊儀器系 統(tǒng)［2－4］。PXI的 核 心 是 緊 湊 型PCI（compact peripheral component interconnect，CPCI）的結(jié)構(gòu)與微軟公司的Microsoft Windows軟件，即將高速PCI總線優(yōu)異的電氣特性和擁有更多的擴(kuò)展槽的CPCI模塊結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，并保持了原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和便于集成等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)整合了微軟公司的Microsoft Windows軟件實(shí)現(xiàn)了PXI模塊［3－6］，這樣就使得PXI能夠很好的與PCI、CPCI兼容起來。

PXI具備CPCI標(biāo)準(zhǔn)的高性能和VME 總線在儀器儀表領(lǐng)域 的 擴(kuò) 展 （VME bus eXtensions for instrumentation，VXI）的高可靠性，同時(shí)與VXI相比具有更好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)［5－7］。PXI規(guī)范符合當(dāng)前多項(xiàng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為包括測(cè)試系統(tǒng)在內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，PXI的電氣規(guī)范是在PCI總線的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展而來，面向儀器的電氣擴(kuò)展包括內(nèi)置的星形觸發(fā)和局部總線，不難發(fā)現(xiàn)這些觸發(fā)和局部總線是通過具有高性能的VXI總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展而來［8－10］。在測(cè)試要求較高的大型測(cè)試設(shè)備中VXI總線可以說是唯一的選擇，而在對(duì)測(cè)試需求要求不高的情況下，PXI總線技術(shù)則是構(gòu)建故障檢測(cè)平臺(tái)的最佳選擇，綜合上述思想并結(jié)合數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求，此次設(shè)計(jì)將采用PXI總線技術(shù)。PXI總線的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PXI總線的電氣結(jié)構(gòu)

此次數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是功能測(cè)試方法，將待測(cè)數(shù)字電路板的I／O 端口作為激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)，在激勵(lì)點(diǎn)送入測(cè)試矢量并在響應(yīng)點(diǎn)采集響應(yīng)信號(hào)，分析測(cè)試輸出信號(hào)并與預(yù)期響應(yīng)相對(duì)比，判斷所測(cè)試的數(shù)字電路板是否實(shí)現(xiàn)正常的電路功能，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)選擇相應(yīng)的算法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，故障定位可以精確到最小可變換單元。針對(duì)數(shù)字電路板中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，采用夾具、探筆等在內(nèi)的傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

此測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備的搭建主要由PXI機(jī)箱、PXI控制器、適配器、夾具以及數(shù)字I／O 模塊、數(shù)字示波器模塊、任意波形產(chǎn)生器模塊和數(shù)字萬用表模塊等功能模塊得以實(shí)現(xiàn)。其中數(shù)字I／O 模塊是用于測(cè)試系統(tǒng)向待測(cè)電路板輸入測(cè)試矢量和對(duì)測(cè)試響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集。考慮到普通的數(shù)字電路板至少含有32位地址線和32位數(shù)據(jù)線以及其它的控制線，因此在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)置了3塊數(shù)字I／O 模塊共104個(gè)數(shù)字I／O 通道，這使得測(cè)試系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率能夠達(dá)到50 MHz［1，9，10］，即意味著測(cè)試系統(tǒng)有著較高的精度，同時(shí)根據(jù)測(cè)試需求可以對(duì)通道加以擴(kuò)展，且最大能夠擴(kuò)展到352個(gè)通道。值得注意的是，當(dāng)待測(cè)數(shù)字電路板包含支持邊界掃描的芯片 （例如FPGA、ARM 等）時(shí)，一定要注意測(cè)試端口的方向。考慮到在對(duì)數(shù)字電路板進(jìn)行測(cè)試的過程中需要使用數(shù)字示波器來實(shí)時(shí)觀察測(cè)試矢量的動(dòng)態(tài)波形、測(cè)量波形上升／下降時(shí)間和峰值等特征值，能夠?yàn)楣收显\斷提供依據(jù)，從而在該測(cè)試系統(tǒng)中配置了數(shù)字示波器模塊。對(duì)于待測(cè)數(shù)字電路板中的電阻、電容和電感等則是由測(cè)試系統(tǒng)中配置的數(shù)字萬用表來完成測(cè)量的。這些模塊在測(cè)試系統(tǒng)處于正常工作模式下，能夠同步實(shí)現(xiàn)各自的功能，共同完成測(cè)試行為。

對(duì)于待測(cè)電路板故障點(diǎn)的定位則需要相應(yīng)的算法，而算法在大多數(shù)情況下僅依靠硬件是難以實(shí)現(xiàn)的，軟件平臺(tái)的構(gòu)建能使這類問題得到很好地解決。該測(cè)試系統(tǒng)采用的是基于C語言的LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境，能夠提供了較好的人機(jī)交互界面［10］，從而使得該測(cè)試系統(tǒng)具有安全良好的可操作性，測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵算法使用的是C 語言編寫的成熟算法，這既能夠滿足測(cè)試需求且提高了開發(fā)效率。LabWindows／CVI是美國(guó)NI公司 （美國(guó)國(guó)家儀器公司）基于C語言開發(fā)出的能夠編寫包括自動(dòng)測(cè)試環(huán)境等諸多應(yīng)用軟件在內(nèi)的軟件開發(fā)環(huán)境。它最具強(qiáng)大的功能在于具有豐富的函數(shù)庫，這為數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)的故障診斷模塊所需要的復(fù)雜算法和功能模塊驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的資源保證。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)結(jié)構(gòu)框架將各個(gè)功能模塊進(jìn)行規(guī)劃和搭建。測(cè)試系統(tǒng)的主要硬件選型有PXI機(jī)箱、PXI嵌入式控制器、數(shù)字示波器模塊、數(shù)字萬用表模塊、數(shù)字I／O 模塊、開關(guān)模塊、電源模塊、任意波形發(fā)生器模塊、定時(shí)／計(jì)數(shù)器模塊以及適配器和系統(tǒng)控制器等。

測(cè)試系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。對(duì)硬件部分進(jìn)行整體規(guī)劃，將其分為3個(gè)部分：

（1）系統(tǒng)的控制器部分，這是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心控制部分；

（2）自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)部分，這是實(shí)現(xiàn)具體測(cè)試要求和功能的直接功能部位；

（3）測(cè)試系統(tǒng)與待測(cè)單元連接部分。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

圖3中，系統(tǒng)控制器是用戶與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)交互的連接部分，通過該系統(tǒng)控制器可以進(jìn)行過程執(zhí)行選擇和實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件選擇中，該系統(tǒng)控制器采用的是平板電腦，能夠滿足所需的交互界面控制。適配器模塊又稱為測(cè)試接口適配器，該適配器的設(shè)置是為了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備向待測(cè)電路板輸出輸入的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，針對(duì)不同的待測(cè)單元有著不同的適配器，值得一提的是不管適配器的類型如何，它們有著共同的5個(gè)部分，分別是接地點(diǎn)、公共點(diǎn)、短路線、負(fù)載和總線。待測(cè)單元是實(shí)際中的被測(cè)對(duì)象，也就是需要測(cè)試的數(shù)字電路，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)應(yīng)將待測(cè)單元通過適配器與測(cè)試系統(tǒng)相連。測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心部件是PXI機(jī)箱以及配置在機(jī)箱內(nèi)的各個(gè)功能模塊，本系統(tǒng)采用北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司提供的功能模塊來完成測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)箱的設(shè)計(jì)。

（1）PXI機(jī)箱：AMC57103，該機(jī)箱是8槽高性能機(jī)箱并采用300 W 的ATX 電源供電，支持3U PXI模塊和CPCI模塊，符合PXI Rev.2.2規(guī)范，具有串口通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；

（2）PXI嵌入式控制器：AMC4160，該控制器能夠提供很高的計(jì)算處理能力，采用了可靠的電氣設(shè)計(jì)，同時(shí)此類控制器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固緊湊，有著良好的機(jī)械性；

（3）數(shù)字示波器模塊：AMC4335，該數(shù)字示波器模塊包含多種輸入量程控制選擇和輸入方式，它的模擬帶寬為20 MHz，有著較高的采樣速率，而且采樣的最高速度可以高達(dá)200 MSa／s；

（4）6.5位數(shù)字萬用表模塊：AMC4311A；

（5）數(shù)字I／O 模塊：AMC4512；

（6）8×8 開關(guān)模塊：AMC4610，該開關(guān)模塊是基于PXI總線的矩陣開關(guān)模塊，引出線較少，這種模塊特別適用于需要多種信號(hào)復(fù)合的情況下；

（7）16通道電壓／電流源模塊：AMC4401A；

（8）任意波形發(fā)生器模塊：AMC4405，該模塊支持自定義波形、波形序列和頻率列表輸出，也可以支持包括星形觸發(fā)在內(nèi)的多種觸發(fā)方式和多模塊同步功能；

（9）定時(shí)／計(jì)數(shù)器模塊：AMC4307A。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的實(shí)現(xiàn)是在LabWindows／CVI環(huán)境下來進(jìn)行的，首先在該環(huán)境下構(gòu)造軟件的總體框架，之后依次設(shè)計(jì)各個(gè)軟件模塊，并基于C 語言編寫算法代碼。在測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)也可以為I／O 等功能模塊的驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別等算法。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的功能要求，將測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分分為7個(gè)模塊，測(cè)試系統(tǒng)的軟件組成如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)的軟件組成

（1）測(cè)試執(zhí)行管理平臺(tái)：處于電路板測(cè)試系統(tǒng)的核心位置，控制管理著其它模塊的進(jìn)程，能夠?qū)崟r(shí)反饋測(cè)試過程的信息并顯示最終測(cè)試結(jié)果；

（2）用戶管理模塊：該模塊的設(shè)置有利于測(cè)試系統(tǒng)的管理，使得該系統(tǒng)能夠處于合理規(guī)范的操作環(huán)境下，便于不同用戶使用；

（3）儀器管理模塊：支持儀器的配置、在對(duì)待測(cè)電路板開始進(jìn)行測(cè)試前可以對(duì)硬件連接與配置進(jìn)行自檢測(cè)，檢查各功能模塊能否進(jìn)行正常的工作狀態(tài)；

（4）流程配置模塊：為測(cè)試系統(tǒng)提供測(cè)試邏輯，并能夠在測(cè)試過程中對(duì)測(cè)試流程的各個(gè)步驟根據(jù)特定需求進(jìn)行諸如編輯、添加和刪除等之類的操作選擇；

（5）故障診斷模塊：該模塊可以為測(cè)試系統(tǒng)提供多種測(cè)試診斷方法，能夠根據(jù)所選擇的解釋診斷方式和算法，對(duì)待測(cè)單元進(jìn)行故障診斷測(cè)試并定位故障點(diǎn)；

（6）輸出報(bào)表模塊：測(cè)試完畢后，將待測(cè)單元的信息、測(cè)試過程的信息、最終測(cè)試結(jié)果和信息輸出到報(bào)表中。

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)模塊，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試軟件程序如圖5所示。

圖5 測(cè)試軟件流程

3 測(cè)試與結(jié)果

在完成測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)后，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)硬件進(jìn)行自檢測(cè)以檢驗(yàn)系統(tǒng)搭建是否正確。在完成自檢測(cè)之后將待測(cè)電路板通過適配器與測(cè)試系統(tǒng)連接，測(cè)試系統(tǒng)向待測(cè)電路板的輸入端口送入測(cè)試矢量，并在輸出端口對(duì)響應(yīng)進(jìn)行采集并與預(yù)期響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，可以快速判定電路板是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，該測(cè)試系統(tǒng)通過相應(yīng)測(cè)試診斷方法和算法對(duì)數(shù)字電路板的故障范圍進(jìn)行定位；同時(shí)，對(duì)于數(shù)字電路板中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可通過傳統(tǒng)的連接夾具、探筆等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)含有FPGA 芯片的數(shù)字電路板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

（1）FPGA芯片與PCB板之間焊接球未出現(xiàn)故障時(shí)，充電電容器兩端電壓信號(hào)波形如圖6所示，圖中上方部分信號(hào)波形A為系統(tǒng)采集讀取到的待測(cè)數(shù)字電路板I／O端口的脈沖信號(hào)，下方部分信號(hào)波形B為施加的測(cè)試激勵(lì)矢量的方波。

圖6 正常情況下充電電容器兩端電壓信號(hào)波形

（2）FPGA 芯片與PCB板之間有焊接球脫落時(shí)檢測(cè)到的測(cè)試波形如圖7所示，圖中上方部分信號(hào)波形A 為系統(tǒng)采集讀取到的待測(cè)數(shù)字電路板I／O 端口的脈沖信號(hào)，下方部分信號(hào)波形B為施加的測(cè)試激勵(lì)矢量的方波。

圖7 焊接球脫落時(shí)測(cè)試波形

測(cè)試結(jié)果表明，該電路板測(cè)試系統(tǒng)能夠很好的對(duì)集成度較高的芯片進(jìn)行測(cè)試。而且這一測(cè)試系統(tǒng)還可以對(duì)中、小規(guī)模集成電路、帶有可編程邏輯器件的數(shù)字電路板等數(shù)字電路進(jìn)行故障檢測(cè)，保證了較高的故障覆蓋率。

4 結(jié)束語

采用模塊化的思想設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于PXI總線的數(shù)字電路板的測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、處理速度快、通用性強(qiáng)、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有效地改善了以往傳統(tǒng)數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)或設(shè)備性價(jià)比較低、設(shè)備體積大不宜攜帶、故障覆蓋率不高以及通用性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，與此同時(shí)最大限度的保證了故障檢測(cè)率。不足之處在于該測(cè)試系統(tǒng)不能對(duì)電路板數(shù)字化、高密度化及復(fù)雜多樣化趨勢(shì)下帶來的焊料橋接故障等一系列故障類型進(jìn)行有效地診斷，下一步工作的重點(diǎn)將在此測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上糅合邊界掃描測(cè)試技術(shù)，使測(cè)試系統(tǒng)的故障覆蓋率得以顯著提高并增加可靠性和通用性。

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