基于PXI總線的數(shù)字電路故障診斷系統(tǒng)

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備數(shù)字電路故障維修越來(lái)越復(fù)雜，測(cè)試難度越來(lái)越大。與此同時(shí)，數(shù)字電路的測(cè)試與診斷研究也取得了突破性的進(jìn)展，屬于組合電路測(cè)試生成算法的偽窮舉法、布爾差分法、特征分析法、隨機(jī)測(cè)試法、D前沿敏化法以及因果函數(shù)法，屬于時(shí)序電路測(cè)試生成算法的時(shí)間幀展開方法和基于仿真的方法等，使數(shù)字系統(tǒng)的診斷理論趨于完善。但數(shù)字電路故障診斷的計(jì)算工作復(fù)雜，測(cè)試開銷巨大，在工程實(shí)踐中仍存在很多困難。因此，如何利用這些理論和測(cè)試方法更好更快地進(jìn)行故障診斷，是目前亟待解決的問(wèn)題。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）的發(fā)展是測(cè)試技術(shù)的一次革命，帶來(lái)了測(cè)試設(shè)備的成熟，為測(cè)試診斷理論在工程應(yīng)用上提供了新的前景。

航天測(cè)控公司針對(duì)數(shù)字電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)需求，數(shù)字電路中較為復(fù)雜的時(shí)序電路測(cè)試為側(cè)重點(diǎn)，將含有CPU、FPGA等的數(shù)字電路作為測(cè)試對(duì)象，結(jié)合目前常用的時(shí)序電路仿真方法，成功研制一套基于PXI總線技術(shù)的便攜式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（HTEDS8300便攜式PXI總線數(shù)字電路板測(cè)試診斷系統(tǒng)）。該系統(tǒng)具備性價(jià)比高、體積小、易攜帶、TPS開發(fā)難度小等特點(diǎn)，適用于軍用和民用領(lǐng)域的半導(dǎo)體、航天/國(guó)防、通訊才消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、測(cè)試和維修。下面具體介紹HTEDS8300便攜式PXI總線數(shù)字電路板測(cè)試診斷系統(tǒng)的軟硬件組成和特點(diǎn)，并應(yīng)用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)含有CPU的數(shù)字電路板的自動(dòng)測(cè)試。

PXI（PCI Extensions for Instrumentation）是一種用于測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域的基于PC的模塊化儀器平臺(tái)。它結(jié)合了PCI總線的電器性能和CompactPCI的堅(jiān)固、模塊化、歐卡機(jī)械特性，并且增加了適合儀器使用的觸發(fā)總線、局部總線等硬件特性，使其擴(kuò)展成為一種用于測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本的開發(fā)平臺(tái)。HTEDS8300便攜式PXI總線數(shù)字電路板測(cè)試診斷系統(tǒng)采用PXI機(jī)箱內(nèi)嵌控制器，結(jié)構(gòu)輕便小巧，易于攜帶。

本系統(tǒng)采用功能測(cè)試法，直接利用電路的輸入和輸出接口作為激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)與預(yù)期響應(yīng)比較，判定被測(cè)板是否工作正常，并將故障定位到最小可更換單元。對(duì)于電路板中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)夾具、探筆等設(shè)備連接。

系統(tǒng)配置了4塊數(shù)字I/O模塊，用于數(shù)字電路數(shù)字信號(hào)的發(fā)送和采集。考慮到一般的CPU電路板至少含有32位地址線和32位數(shù)據(jù)線以及其他的控制線，系統(tǒng)配置了104個(gè)數(shù)字I/O通道，擁有50MHz的最大數(shù)據(jù)速率，最大可擴(kuò)展到352個(gè)通道。在測(cè)試含CPU、FPGA的數(shù)字電路板時(shí)，測(cè)試端口需要根據(jù)時(shí)序改變方向，測(cè)試系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸入輸出方向的測(cè)試能力，并且可以對(duì)采集到的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)硬件比較。

目前大部分?jǐn)?shù)字電路板都帶有邊界掃描端口的芯片，為了適應(yīng)這類電路板的測(cè)試需求，系統(tǒng)提供了遵循IEEE1149.1的邊界掃描測(cè)試通道。

另外，系統(tǒng)中配置了數(shù)字示波器模塊，這主要是考慮到在數(shù)字電路測(cè)試中，尤其是高速數(shù)字電路的測(cè)試中都需要使用示波器來(lái)觀察動(dòng)態(tài)波形，測(cè)量波形上升/下降時(shí)間等特征值，從而為故障診斷提供依據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)還配置了6.5位數(shù)字多用表，能夠測(cè)量電壓、電流、電阻、電感、電容和阻抗。這樣，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)中不同資源如數(shù)字I/O和示波器能夠同步工作，自動(dòng)測(cè)試方法更加靈活多樣，能夠滿足用戶對(duì)復(fù)雜數(shù)字電路的測(cè)試需求。

系統(tǒng)配有外置的電路板測(cè)試夾具，該夾具可自由旋轉(zhuǎn)180度，方便測(cè)試人員在分析和測(cè)試電路板時(shí)，能夠把電路板固定住，并且翻轉(zhuǎn)電路板來(lái)測(cè)量電路板的兩面。

該系統(tǒng)適用于各類型數(shù)字電路板的測(cè)試與診斷，并將故障隔離定位到發(fā)生故障的最小可更換單元（元器件），測(cè)試范圍包括：中、小規(guī)模集成數(shù)字電路PCB；含中、小規(guī)模可編程邏輯系列芯片；含具有邊界掃描接口的大規(guī)模集成電路、CPU芯片、DSP信號(hào)處理電路的PCB、以及其它種類的數(shù)字電路PCB。

系統(tǒng)軟件主要由測(cè)試診斷程序（TPS）開發(fā)、測(cè)試診斷程序執(zhí)行、綜合查詢、信息共享、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)安全保障、在線幫助7大部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)多種類型PCB的測(cè)試診斷程序的開發(fā)與執(zhí)行，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試得到的信息，經(jīng)過(guò)測(cè)試診斷程序的分析判斷，完成對(duì)PCB的故障檢測(cè)與定位。

為了使電路板測(cè)試與維修人員打破通過(guò)編寫代碼程序完成電路板測(cè)試診斷的傳統(tǒng)，降低開發(fā)人員編輯TPS的技術(shù)難度，軟件平臺(tái)采用了圖形化TPS編輯環(huán)境，提供一個(gè)通用開發(fā)環(huán)境，能夠完成不同類型的電路TPS的開發(fā)、調(diào)試與運(yùn)行，系統(tǒng)軟件能夠利用數(shù)字電路仿真軟件輸出的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1445格式數(shù)據(jù)對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試，提高了TPS開發(fā)人員的工作效率和開發(fā)質(zhì)量。

軟件平臺(tái)提供可視化界面向?qū)Чδ?，利用平臺(tái)提供的各種流程模塊配合相應(yīng)的功能組件，用戶只需輸入專家知識(shí)及必要的其它信息即可建立一個(gè)具體的診斷程序。開發(fā)人員不需要學(xué)習(xí)和進(jìn)行復(fù)雜的源程序編碼就可以完成TPS開發(fā)，避免了以往一個(gè)電路模塊對(duì)應(yīng)一套診斷軟件的弊端，具有很強(qiáng)的通用性和可擴(kuò)展性。

目前大多數(shù)數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)基本上都是針對(duì)不帶CPU、FPGA的數(shù)字電路板進(jìn)行測(cè)試和故障診斷，這類電路板所具有的共同點(diǎn)就是響應(yīng)與激勵(lì)一一對(duì)應(yīng)，即由程序控制自動(dòng)測(cè)試設(shè)備向電路板輸入信號(hào)，當(dāng)電路板的輸入確定時(shí)，電路板產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，根據(jù)這種固定的輸入輸出關(guān)系很容易判斷電路板的故障，并判斷故障節(jié)點(diǎn)。但是對(duì)于帶微處理器件的電路板，不能簡(jiǎn)單的使用這種測(cè)試方法在ATE設(shè)備上進(jìn)行故障檢測(cè)。由于微處理器采用三總線或者編程端口對(duì)電路進(jìn)行控制，因此這類電路板的輸入輸出的時(shí)序并不是固定的，也就導(dǎo)致每次輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)不一定是一一對(duì)應(yīng)的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，判斷故障時(shí)必須對(duì)總線信號(hào)或端口信號(hào)進(jìn)行可靠控制，以保證每次均是同步測(cè)試，也就是要保證每次輸入激勵(lì)信號(hào)在時(shí)序上是一致的。這樣再和預(yù)期響應(yīng)信號(hào)比較時(shí)才不會(huì)因?yàn)闀r(shí)序差別而錯(cuò)誤判斷故障。

微處理器的控制信號(hào)實(shí)際上是數(shù)字信號(hào)，而測(cè)試系統(tǒng)能提供104路以上的動(dòng)態(tài)I/O信號(hào)，因此可以采用測(cè)試系統(tǒng)的I/O信號(hào)模擬微處理器各管腳信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路中的其他功能模塊，從而達(dá)到模擬微處理器件時(shí)序，完成同步測(cè)試的目的，并有效檢測(cè)出其他功能模塊的故障。如果其他功能模塊均正常而電路板不能工作，則可將故障定位到微處理器上。

以某CPU裝備板為例，驗(yàn)證系統(tǒng)的I/O測(cè)試能力。該電路板CPU通過(guò)串并行總線控制FLASH、溫度傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。