基于PXI總線的數(shù)字電路板測試系統(tǒng)設計

陳 燦，王建業(yè)，王孔華，王 勇

（空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安710051）

0 引 言

在電子信息技術高速發(fā)展的今天，隨著微電子技術廣泛應用于科學研究等諸多領域，國內(nèi)外在電子設備的測試領域都有著快速的發(fā)展，以國內(nèi)的研究現(xiàn)狀為例，電子設備測試系統(tǒng)日益向著小型化、高可靠性和高速自動化等方面發(fā)展［1－3］。

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

結合上述數(shù)字電路測試需求，針對數(shù)字電路中的邏輯電路和時序電路的測試 （尤其是時序電路），同時為了更好地對使用表面貼裝技術和BGA 封裝等新技術的芯片 （例如FPGA 芯片等）的數(shù)字電路進行測試，采用模塊化思維設計實現(xiàn)了一套基于PXI總線的小型化數(shù)字電路板測試系統(tǒng)。相對傳統(tǒng)的數(shù)字電路板測試系統(tǒng)性價比較低、設備體積大不宜攜帶和通用性不強等不足，該測試系統(tǒng)具有體積小、處理速度快、功耗低和抗干擾能力強等優(yōu)點，與此同時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總線在儀器儀表領域的擴展 （PCI eXtensions for instrumentation，PXI）總線是將周邊元件擴展接口 （peripheral component interconnect，PCI）總 線 擴 展 到 儀 器 方面而推出的以個人計算機為基礎的高性能低價位的模塊儀器系 統(tǒng)［2－4］。PXI的 核 心 是 緊 湊 型PCI（compact peripheral component interconnect，CPCI）的結構與微軟公司的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展槽的CPCI模塊結構結合起來，并保持了原有機械結構的堅固性和便于集成等優(yōu)勢，同時整合了微軟公司的Microsoft Windows軟件實現(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標準的高性能和VME 總線在儀器儀表領域 的 擴 展 （VME bus eXtensions for instrumentation，VXI）的高可靠性，同時與VXI相比具有更好的價格優(yōu)勢［5－7］。PXI規(guī)范符合當前多項工業(yè)標準和IEEE 國際標準，為包括測試系統(tǒng)在內(nèi)的自動化設備提供了堅實的基礎，PXI的電氣規(guī)范是在PCI總線的基礎上加以擴展而來，面向儀器的電氣擴展包括內(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總線結構擴展而來［8－10］。在測試要求較高的大型測試設備中VXI總線可以說是唯一的選擇，而在對測試需求要求不高的情況下，PXI總線技術則是構建故障檢測平臺的最佳選擇，綜合上述思想并結合數(shù)字電路板測試系統(tǒng)的現(xiàn)實需求，此次設計將采用PXI總線技術。PXI總線的電氣結構如圖1所示。

圖1 PXI總線的電氣結構

此次數(shù)字電路板測試系統(tǒng)設計采用的是功能測試方法，將待測數(shù)字電路板的I／O 端口作為激勵點和響應點，在激勵點送入測試矢量并在響應點采集響應信號，分析測試輸出信號并與預期響應相對比，判斷所測試的數(shù)字電路板是否實現(xiàn)正常的電路功能，同時測試系統(tǒng)選擇相應的算法對故障點進行定位，故障定位可以精確到最小可變換單元。針對數(shù)字電路板中的內(nèi)部節(jié)點，采用夾具、探筆等在內(nèi)的傳統(tǒng)測試設備進行測試。測試系統(tǒng)的組成結構如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)的組成結構

此測試系統(tǒng)硬件設備的搭建主要由PXI機箱、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現(xiàn)。其中數(shù)字I／O 模塊是用于測試系統(tǒng)向待測電路板輸入測試矢量和對測試響應信號進行采集。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，因此在測試系統(tǒng)設計中設置了3塊數(shù)字I／O 模塊共104個數(shù)字I／O 通道，這使得測試系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率能夠達到50 MHz［1，9，10］，即意味著測試系統(tǒng)有著較高的精度，同時根據(jù)測試需求可以對通道加以擴展，且最大能夠擴展到352個通道。值得注意的是，當待測數(shù)字電路板包含支持邊界掃描的芯片 （例如FPGA、ARM 等）時，一定要注意測試端口的方向。考慮到在對數(shù)字電路板進行測試的過程中需要使用數(shù)字示波器來實時觀察測試矢量的動態(tài)波形、測量波形上升／下降時間和峰值等特征值，能夠為故障診斷提供依據(jù)，從而在該測試系統(tǒng)中配置了數(shù)字示波器模塊。對于待測數(shù)字電路板中的電阻、電容和電感等則是由測試系統(tǒng)中配置的數(shù)字萬用表來完成測量的。這些模塊在測試系統(tǒng)處于正常工作模式下，能夠同步實現(xiàn)各自的功能，共同完成測試行為。

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

2 測試系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

測試系統(tǒng)的硬件設計是根據(jù)結構框架將各個功能模塊進行規(guī)劃和搭建。測試系統(tǒng)的主要硬件選型有PXI機箱、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、開關模塊、電源模塊、任意波形發(fā)生器模塊、定時／計數(shù)器模塊以及適配器和系統(tǒng)控制器等。

測試系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。對硬件部分進行整體規(guī)劃，將其分為3個部分：

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

（2）自動測試系統(tǒng)部分，這是實現(xiàn)具體測試要求和功能的直接功能部位；

（3）測試系統(tǒng)與待測單元連接部分。

圖3 測試系統(tǒng)的硬件組成

圖3中，系統(tǒng)控制器是用戶與自動測試系統(tǒng)交互的連接部分，通過該系統(tǒng)控制器可以進行過程執(zhí)行選擇和實現(xiàn)結果顯示。在該系統(tǒng)設計的硬件選擇中，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試接口適配器，該適配器的設置是為了對測試系統(tǒng)設備向待測電路板輸出輸入的信號進行調(diào)理，針對不同的待測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個部分，分別是接地點、公共點、短路線、負載和總線。待測單元是實際中的被測對象，也就是需要測試的數(shù)字電路，在進行測試時應將待測單元通過適配器與測試系統(tǒng)相連。測試系統(tǒng)硬件設計的核心部件是PXI機箱以及配置在機箱內(nèi)的各個功能模塊，本系統(tǒng)采用北京航天測控技術有限公司提供的功能模塊來完成測試系統(tǒng)主機箱的設計。

（1）PXI機箱：AMC57103，該機箱是8槽高性能機箱并采用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算處理能力，采用了可靠的電氣設計，同時此類控制器結構堅固緊湊，有著良好的機械性；

（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 開關模塊：AMC4610，該開關模塊是基于PXI總線的矩陣開關模塊，引出線較少，這種模塊特別適用于需要多種信號復合的情況下；

（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／計數(shù)器模塊：AMC4307A。

2.2 軟件設計

軟件部分的實現(xiàn)是在LabWindows／CVI環(huán)境下來進行的，首先在該環(huán)境下構造軟件的總體框架，之后依次設計各個軟件模塊，并基于C 語言編寫算法代碼。在測試系統(tǒng)工作時也可以為I／O 等功能模塊的驅動并實現(xiàn)模式識別等算法。根據(jù)測試系統(tǒng)的功能要求，將測試系統(tǒng)的軟件設計部分分為7個模塊，測試系統(tǒng)的軟件組成如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)的軟件組成

（1）測試執(zhí)行管理平臺：處于電路板測試系統(tǒng)的核心位置，控制管理著其它模塊的進程，能夠實時反饋測試過程的信息并顯示最終測試結果；

（2）用戶管理模塊：該模塊的設置有利于測試系統(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、在對待測電路板開始進行測試前可以對硬件連接與配置進行自檢測，檢查各功能模塊能否進行正常的工作狀態(tài)；

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

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

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

根據(jù)軟件設計模塊，構建測試系統(tǒng)的測試軟件程序如圖5所示。

圖5 測試軟件流程

3 測試與結果

在完成測試系統(tǒng)平臺設計后，對測試系統(tǒng)硬件進行自檢測以檢驗系統(tǒng)搭建是否正確。在完成自檢測之后將待測電路板通過適配器與測試系統(tǒng)連接，測試系統(tǒng)向待測電路板的輸入端口送入測試矢量，并在輸出端口對響應進行采集并與預期響應進行對比，可以快速判定電路板是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，該測試系統(tǒng)通過相應測試診斷方法和算法對數(shù)字電路板的故障范圍進行定位；同時，對于數(shù)字電路板中的內(nèi)部節(jié)點進行可通過傳統(tǒng)的連接夾具、探筆等設備進行測試。

利用測試系統(tǒng)對含有FPGA 芯片的數(shù)字電路板進行測試，測試結果如下：

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

圖6 正常情況下充電電容器兩端電壓信號波形

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

圖7 焊接球脫落時測試波形

測試結果表明，該電路板測試系統(tǒng)能夠很好的對集成度較高的芯片進行測試。而且這一測試系統(tǒng)還可以對中、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)字電路進行故障檢測，保證了較高的故障覆蓋率。

4 結束語

采用模塊化的思想設計實現(xiàn)了一套基于PXI總線的數(shù)字電路板的測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)具有體積小、處理速度快、通用性強、功耗低和抗干擾能力強等優(yōu)點，有效地改善了以往傳統(tǒng)數(shù)字電路板測試系統(tǒng)或設備性價比較低、設備體積大不宜攜帶、故障覆蓋率不高以及通用性不強等缺點，與此同時最大限度的保證了故障檢測率。不足之處在于該測試系統(tǒng)不能對電路板數(shù)字化、高密度化及復雜多樣化趨勢下帶來的焊料橋接故障等一系列故障類型進行有效地診斷，下一步工作的重點將在此測試系統(tǒng)的基礎上糅合邊界掃描測試技術，使測試系統(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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