基于硬件仿真的電路板測試開發系統研究

中共青島市委黨校 孫麗平 孟凡波

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基于硬件仿真的電路板測試開發系統研究

中共青島市委黨校 孫麗平 孟凡波

【摘要】本文全面融合了實板仿真和軟件仿真的優點，提出了一種基于硬件仿真的電路板測試開發系統的設計理念。該系統能開發數字、模擬和數模混合電路板的測試程序，并產生較高的故障覆蓋率、隔離率和診斷測試程序。

【關鍵詞】硬件仿真；性能測試；故障仿真

隨著微電子技術的快速發展，電路系統功能不斷強大、集成度不斷提高的同時也越來越復雜，對電路板的故障檢測和診斷也越來越困難。

1 目前主要的電路板自動測試技術

1.1 利用實板仿真開發測試程序

目前的系列ATE設備是采用VXI/PXI總線的自動測試設備，主要采用實板仿真技術開發測試程序。然而，國內的數字電路測試模塊生產廠商較少，模塊地性能指標也相對國外先進水平較低，只具有對數字電路的靜態測試能力，并且對開發人員要求高，開發周期長，測試程序的性能（故障檢測率和故障覆蓋率）無法得到確保，同時也缺少對已開發測試程序的驗證和評估手段，大大影響了測試程序的開發效率和質量。

1.2 通過軟件仿真開發測試程序

只需電路網絡表，仿真軟件就可以自動生成測試向量，就能輔助引導TPS（Test Program Set）編程；自動生成測試結果、故障字典和故障檢測率報告；采用探筆探測與故障字典診斷結果相結合的方法進行故障診斷［1］；輸出數據文件符合國際標準IEEE-STD-1445數字交換格式DTIF（Digital Test Interchange Format）。軟件仿真具有測試向量生成速度快，故障覆蓋率高的優點。但是，軟件仿真無法完全仿真與硬件相關的部分，最終還要通過硬件仿真來完成最終的設計；軟件仿真雖然可以自動產生測試程序，但成本是相對高的；隨著芯片設計的規模越來越大，結構越來越復雜，給器件建模增加了難度；模擬電路對于信號激勵的反應是有變化曲線的［2］，而無法像數字電路那樣根據電路原理圖以及FPGA程序模型進行分析，這也是軟件仿真無法承擔的。

2 一種新的性能測試程序開發系統

本文綜合實板仿真和軟件仿真的優點，推出了一種新的電路板性能測試程序開發系統。該系統能開發是數字、模擬和數?；旌想娐钒宓臏y試程序，它降低了對器件建模的要求，以UUT的運行速度進行測試與仿真，能產生較高的故障覆蓋率、隔離率和診斷測試程序，沿用了傳統的技術手段，低成本運行。

2.1 系統組成

此系統組件包括：（1）一塊足夠大的通用面包板。可以容納需要開發測試程序的UUT（Unit Under Test）的所有器件。（2）一組特定的可編程芯片。用以完成面包板上的UUT器件的電氣連接，也可根據需要修改程序改變連接關系來滿足故障插入的需要。（3）一系列集成的標準適配器裝置組合。在UUT器件與可編程芯片至今啊提供機械和電氣連接，并提供信號調節。（4）測試儀或其他的激勵和響應監控系統。通過主輸入/輸出端口施加激勵信號和檢測響應。（5）測試開發、診斷軟件。產生測試代碼和進行響應判斷及故障診斷引導等程序代碼。備好UUT器件，將器件安裝到相應的適配器，插入面包板。將UUT原理圖的標準網絡表載入系統，生成的連接關系信息載入可編程芯片。這樣，就可以按照UUT實際的連接關系對面包板進行“電子化”編程了。UUT通過電纜連接測試儀或其他的激勵響應監控系統，電纜的另一端連在支撐面包板底座的標準連接器上。UUT的每一次主輸入輸出都可以通過可編程芯片“連線”到這些連接器。測試儀提供激勵給面包板，同樣，從面包板上采集和存儲響應數據。這樣“好板”仿真就可以在面包板上執行了。

2.2 故障仿真

故障仿真流程如圖1所示。

圖1 基于硬件仿真測試程序開發系統故障仿真流程

該系統提供了一種檢測測試輸出響應的實板仿真環境，該環境很大地簡化了檢測測試產生的難度，避免了繁瑣的輸出響應推導工作和可能發生的錯誤。故障仿真是類似于實板仿真的方式執行的，卻可以提供和軟件仿真等質量的診斷數據。每個故障插入都需要修改連接關系。比如：為插入一個引腳開路故障，電路網絡表就會自動修改使引腳點開路，可編程芯片根據被修改的網絡表重新編程并產生激勵、錄取響應。通常，由于電路設計或激勵時序定義錯誤導致某一節點的狀態在仿真時處于不穩定狀態，而存在時序冒險的問題。只要提供了UUT上所有元件類型的時序模型就可以將邊沿時序分析加入到系統中，動態的時序分析程序可以訪問時序模型，合并這些信息和“好板”仿真時錄取的每個元器件管腳的實際變化，經過分析可以推斷因果關系，產生最大最小時序。有了這些信息，動態時序分析程序就可以做時序冒險分析，產生冒險信息和最壞時序仿真。由后處理軟件將仿真生成可讀的ASCII文件或與目標測試儀兼容的文件［3］。為了使這種新的測試方法得到更廣泛的應用，導出的文件同樣符合DTIF。

所有的故障仿真和響應錄取結束之后，軟件程序就開始分析故障覆蓋率并開始構建故障字典。故障字典的故障仿真支持：固定型故障（固定0和固定1）、短路故障和開路故障。

引導探筆診斷允許用戶通過探測電路板內部節點來診斷故障，只要改變可編程芯片的程序就可以改變“電氣連接”以自動采集內部各節點數據［4］。當測試儀在電路板的主輸出端沿著故障的傳遞路徑進行追蹤，直至將故障定位。該系統在產生診斷測試數據時，能不失真地獲得各探測點規定時刻或時間段的狀態或高速變化的波形。測試儀的通道數決定了需要幾個好板仿真周期來獲得所有的內部節點數據。

2.3 系統優點

（1）激勵發生器包括數字和模擬儀器，仿真實際的目標測試系統。無需特定的工作環境和人工干預。無論安裝在適配器上的是模擬、數字或數模混合板，都可以處理。

（2）這種新的硬件仿真方法沒有直接表明測試向量的出處，它減少了對精短，最優化向量集的需求。既然仿真速度不再成為制約條件，就可以尋求各種激勵源。

（3）與軟件仿真建模不同的是，元器件的準備時間和電路板的功能復雜性無關。耗時最長最首要的任務是在面包板上安裝器件。一塊含有80個集成電路的UUT需要一般技術人員花費大概4天的時間去準備，相比5-28天的軟件建模開發與驗證來說較大地縮短了開發周期。

（4）該系統以UUT的運行速度進行仿真，比傳統的軟件仿真能更好地預測運行時間，尤其是故障分析。確定了一個故障的仿真運行時間，只需將其與故障總數相乘就可知道總耗時。

實驗證明，該系統產生的響應數據和軟件仿真是完全相同的。故障插入仿真系統，通過修改電路網絡表產生的錯誤響應與軟件仿真完全相同。

2.4 系統缺點

通用面包板上的器件布局，會在互聯的器件之間產生附加的信號路徑延遲［5］，比如：在有嚴格時間誤差要求的地方產生持續的干擾，有可能產生時序冒險。

3 發展前景

這種新的電路板測試程序開發系統降低了對器件建模的要求，以UUT的運行速度進行測試與仿真。它將故障和時序分析設計進來，在降低數字、模擬和數模混合電路測試程序的開發成本和提高測試質量方面具有深遠意義。

參考文獻

［1］楊士元.一種新的模擬電路K故障診斷方法［J］.清華大學學報（自然科學版），1992，01﹕83-92.

［2］楊士元，胡梅，王紅.模擬電路軟故障診斷的研究［J］.微電子學與計算機，2008，01﹕1-8.

［3］孫麗平，孟凡波，孫亞麗，張允強.數字電路板自動測試技術淺析［J］.科技傳播，2015，06﹕73-74.

［4］孫麗平，孟凡波，張允強，丁曉玲.含復雜可編程邏輯器件電路板的自動測試技術研究［J］.艦船電子工程，2015，07﹕15-17+176.

［5］DavidRolincekc，Next Generation Function Test Program Development System，AUTOTESTCON2000.

作者簡介：

孫麗平（1976—），女，碩士，工程師，研究方向：設備維修。