一種提高遙測信號處理器測試性方法

摘要針對遙測信號處理器的設(shè)計(jì)原理，增加少量硬件電路，利用其自身FPGA剩余邏輯資源完成自檢模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號處理器BIT測試功能，提高了信號處理器在掛機(jī)狀態(tài)下的測試覆蓋率和故障檢測率。
關(guān)鍵詞FPGA；BIT；測試性

可測試性定義為：產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)，隔離其內(nèi)部故障的設(shè)計(jì)特性，以提高產(chǎn)品可測試性為目的而進(jìn)行的設(shè)計(jì)被稱為可測試性設(shè)計(jì)?？蓽y試性是同可靠性、維修性相并列的一門新型學(xué)科，其發(fā)展和應(yīng)用對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的全壽命周期費(fèi)用具有重要意義。隨著集成電路設(shè)計(jì)方法與工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路的可測性已經(jīng)成為提高產(chǎn)品可靠性和成品率的重要因素。文中針對遙測產(chǎn)品中信號處理器的設(shè)計(jì)原理，通過增加BIT以提高信號處理器的測試覆蓋率。

1 信號處理器簡介
硬件電路軟件化是電路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。借助大規(guī)模集成的FPGA和高效的設(shè)計(jì)軟件，不僅可通過直接對芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能，而且由于管腳定義靈活，從而減輕了信號處理器電路圖設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的工作量及難度。這種基于可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)大幅減少了芯片的數(shù)量，縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也增加了信號處理器的測試復(fù)雜度，降低了故障隔離率。
信號處理器主要完成電壓模擬信號的分時(shí)采集、RS422總線信號的接收和編碼輸出等功能，原理框圖如圖1所示。

2 信號處理器測試現(xiàn)狀分析
信號處理器作為遙測產(chǎn)品的重要部件，其可測試性基本決定了遙測產(chǎn)品的可測試性，因此提高信號處理器的可測試性意義重大。由圖1可知信號處理器需要進(jìn)行測試的節(jié)點(diǎn)較多，主要包括多路模擬信號調(diào)理電路、交換子、A／D轉(zhuǎn)換器、RS422總線接口芯片、PCM碼輸出電路、FPGA內(nèi)部的各邏輯模塊、二次電源等，共計(jì)約34個(gè)測試節(jié)點(diǎn)。
在地面或試驗(yàn)室環(huán)境中，采用信號模擬器、萬用表、示波器、數(shù)據(jù)接收設(shè)備等對信號處理器進(jìn)行測試，可以考核全部測試節(jié)點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)信號處理器100％的測試覆蓋率和故障隔離率。
在供電、二次電源變換以及PCM輸出正常的前提下，在掛機(jī)自檢過程中通過接收到的PCM數(shù)據(jù)僅可獲取部分模塊的工作狀態(tài)，主要包括“供電”信號所在的調(diào)理電路、交換子、A／D轉(zhuǎn)換器、模擬量處理模塊和編碼控制模塊的部分功能，測試覆蓋率約為24％。當(dāng)4個(gè)單元中任意一個(gè)單元或多個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，無法通過數(shù)據(jù)分析完成故障的進(jìn)一步隔離，從而形成一個(gè)模糊度為4的模糊組，故障隔離率0％。

3 BIT設(shè)計(jì)分析
3．1 單一模擬信號采集通路BIT分析
通過對圖1中雙點(diǎn)劃線部分電路進(jìn)行分析，建立故障樹如圖2所示，根據(jù)故障樹形成相關(guān)性圖形模型如圖3所示，獲得一階相關(guān)性及相關(guān)D矩陣如圖4所示。

通過對D矩陣分析，識別冗余測試點(diǎn)和模糊組，完成檢測用測試點(diǎn)選擇，生成診斷樹和故障字典如圖5所示。
3．2 單一模擬信號采集通路的BIT設(shè)計(jì)
部分電路BIT分析是基于通過獲得測試點(diǎn)的狀態(tài)來識別故障和故障定位。根據(jù)信號處理器的特殊性，設(shè)計(jì)采用為電路各測試點(diǎn)引入激勵(lì)信號的方式，實(shí)現(xiàn)判斷功能模塊是否存在故障的功能，其BIT方案如圖6所示。

在信號處理器上增加D／A轉(zhuǎn)換器電路和開關(guān)矩陣模塊，F(xiàn)PGA中增加自檢模塊；信號處理器加電時(shí)，自檢模塊控制開關(guān)矩陣接入各測試點(diǎn)，由D／A轉(zhuǎn)換器接入特定電壓值；通過比較電路最終測試返回值與引入值即可了解各模塊的狀態(tài)。以模擬信號“供電”測試通道為例說明BIT工作流程。
(1)自檢模塊預(yù)設(shè)D／A輸出值為4 V。(2)通過開關(guān)矩陣將4 V電壓接入“供電”信號所在調(diào)理電路前端。(3)自檢模塊將通過A／D轉(zhuǎn)換器獲得的數(shù)據(jù)同預(yù)定值進(jìn)行比較。(4)如果比較結(jié)果一致，則輸出“000”表示無故障，自檢結(jié)束。(5)如果比較結(jié)果不一致，則控制開關(guān)矩陣將4 V電壓接入調(diào)理電路后端，即交換子前端，自檢模塊將通過A／D轉(zhuǎn)換器獲得的數(shù)據(jù)同預(yù)定值比較。(6)如果比較結(jié)果相一致，則輸出“110”表示調(diào)理電路故障，自檢結(jié)束。(7)如果比較結(jié)果不一致，則控制開關(guān)矩陣將4 V電壓接入交換子后端，即A／D轉(zhuǎn)換器前端，自檢模塊將通過A ／D轉(zhuǎn)換器的獲得的數(shù)據(jù)同預(yù)定值進(jìn)行比較。(8)如果比較結(jié)果相一致，則輸出“101”表示交換子故障，自檢結(jié)束。(9)如果比較結(jié)果不一致，則通過“100”表示A／D轉(zhuǎn)換器故障，自檢結(jié)束。
此流程存在盲點(diǎn)，即模擬信號處理模塊故障。因?yàn)樵摴收弦部赡軐?dǎo)致交換子輸出和A／D轉(zhuǎn)換器輸出故障，單一流程無法進(jìn)行識別和隔離。全部模擬通道均加入到此流程后，就可以通過多數(shù)原則判定和隔離上述故障。
3．3 RS422數(shù)據(jù)通道BIT設(shè)計(jì)
RS422數(shù)據(jù)接收只有兩級功能模塊，故障判定和隔離相對簡單。只需要在FPGA中增加相應(yīng)數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)RS422總線數(shù)據(jù)流，通過RS422總線接口芯片、開關(guān)矩陣和總線選擇器接入RS422總線接口芯片輸入端或RS422數(shù)據(jù)處理模塊。RS422數(shù)據(jù)通道BIT方案如圖7所示。

信號處理器加電后，自檢模塊首先發(fā)出預(yù)定格式的RS422信息，并控制開關(guān)矩陣切入RS422接口電路的輸入端，將接收到的數(shù)據(jù)同原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。如果一致則代表無故障；否則，將預(yù)定數(shù)據(jù)通過總線選擇器切入RS422接口電路后端，再將收到的數(shù)據(jù)與預(yù)定數(shù)據(jù)比較，比對結(jié)果數(shù)據(jù)一致則RS422接口電路存在故障，反之RS422數(shù)據(jù)處理模塊故障，但不能同時(shí)識別RS422接口電路是否故障。
3．4 信號處理器整體BIT設(shè)計(jì)
通過對單一模擬信號采集通道以及RS422數(shù)據(jù)通道的BIT設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，最終信號處理器整體BIT設(shè)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

自檢模塊為整個(gè)BIT設(shè)計(jì)的核心，自檢模塊需要控制D／A轉(zhuǎn)換、開關(guān)矩陣的切換、總線選擇器工作狀態(tài)、產(chǎn)生需要的激勵(lì)信號、完成數(shù)據(jù)判讀以及生成故障代碼。自檢模塊的功能框圖如圖9所示。

4 結(jié)束語
信號處理器完善BIT設(shè)計(jì)后，在掛機(jī)自檢狀態(tài)測試覆蓋率接近100％。如果信號處理器只有單一故障發(fā)生，則故障隔離率高達(dá)100％；如果多個(gè)故障發(fā)生，則故障發(fā)生越靠近信號輸入前端，故障隔離率越高，反之越低，平均故障隔離率約為70％。總之，信號處理器在增加BIT后，在掛機(jī)自檢狀態(tài)下的測試覆蓋率和故障隔離率有較大提高。