電路板TPS驗證評估系統(tǒng)設(shè)計

白 天， 郭 明

（1.海軍駐北京地區(qū)特種導彈專業(yè)軍事代表室 北京 100076；2.海軍航空工程學院 山東 煙臺 264001）

隨著以微電子技術(shù)和計算機技術(shù)為核心的高新技術(shù)飛速發(fā)展并不斷在電子裝備上廣泛應(yīng)用，新一代裝備的發(fā)展進入到數(shù)字化、自動化、智能化和光機電一體化的綜合電子系統(tǒng)階段。但隨著高新技術(shù)在電子裝備中的應(yīng)用，電子裝備的維修難度急劇加大，并對綜合技術(shù)保障的要求增加了許多，傳統(tǒng)的維修保障技術(shù)已經(jīng)遠遠不能滿足電子裝備戰(zhàn)技性能保障的需要，對電子裝備的維修測試保障也提出了更新、更高、更嚴的要求。電路板作為這些電子裝備的基本單元，其測試維修具有舉足輕重的作用。針對電路板開發(fā)其測試程序集（Test Program Set，TPS），利用自動測試系統(tǒng)（ATS）對電路板進行自動測試，具有操作簡單、故障覆蓋率高、故障定位精度高的優(yōu)點[1]，能夠經(jīng)濟有效地解決裝備電路板測試維修問題，也是國際上普遍采用的有效手段。因此，如何對電路板TPS進行客觀全面地驗證評估，已經(jīng)成為當前亟需解決的一個問題[2]。

美國較早就展開了對TPS驗證評估方面的研究，制訂并頒布了不少有關(guān)TPS方面的軍用標準，例如 《被測裝備與ATE的兼容性要求》[3]、《TPS一般要求》[4]等。泰瑞達公司開發(fā)的LASAR（邏輯自動激勵與響應(yīng)）軟件是用于數(shù)字電路測試開發(fā)和邏輯分析的仿真軟件系統(tǒng)，它可以幫助測試工程師選擇高質(zhì)量的測試激勵，并給出對測試激勵的評價數(shù)據(jù)，輔助測試工程師改進測試激勵；美國Naval Air Systems Command利用Qualtech公司的測試性工程和維修系統(tǒng)軟件TEAMS（Testability Engineering and Maintenance System）開發(fā)了測試程序開發(fā)驗證軟件環(huán)境[5]。

國內(nèi)對電路板TPS的驗證評估主要利用抽樣注入故障的方式，由于故障選擇單一、驗證充分性差，造成驗證評估結(jié)果置信度低。系統(tǒng)地對電路板TPS進行驗證與評估更屬空白。

通過對研究現(xiàn)狀的分析，不難發(fā)現(xiàn)無論是國外還是國內(nèi)，對電路板TPS的驗證評估都僅停留在對測試激勵的驗證評估上，然而測試激勵并不是TPS的唯一組成部分，高質(zhì)量的測試激勵并不一定就意味著高質(zhì)量的TPS。將TPS作為一個整體對其進行驗證評估是客觀全面評價電路板TPS的一個先決條件。筆者從電路板TPS的組成入手，對電路板TPS的驗證評估技術(shù)進行了分析，并對電路板TPS驗證評估系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 系統(tǒng)設(shè)計

電路板測試程序集（TPS）由測試程序（TP）、接口裝置（ID）和測試程序集文件（TPSD）組成。對電路板TPS的驗證評估，也應(yīng)該按這3方面展開。然而，由于目前對同一電路板可以使用不同的自動測試系統(tǒng)來進行測試，因此電路板TPS在各種自動測試系統(tǒng)中的可移植性也成為評價電路板TPS質(zhì)量好壞的一個重要方面。即完整的電路板TPS驗證評估應(yīng)該包括以下4個方面：測試程序（TP）的驗證評估、接口裝置（ID）的驗證評估、測試程序集文件（TPSD）的驗收評估和電路板TPS可移植性的驗證評估。

1.1 測試程序（TP）的驗證評估

測試程序（TP）是TPS的核心，由于脫離了接口裝置，因此對TP的驗證評估主要方法就是基于仿真的驗證評估，即在電路板模型中注入一定數(shù)量的故障，用測試程序?qū)泄收系碾娐愤M行故障檢測與隔離，根據(jù)故障檢測率和故障隔離率來對測試程序進行定量的驗證評估。由于電路板固有的測試性不一樣，而電路板固有測試性決定了測試程序所能檢測的最大故障檢測率和故障隔離率。因此，要客觀地對測試程序進行評估，必須將電路板的固有測試性考慮進來；并且，各電路板的復雜程度不一樣，測試程序的開發(fā)難度也不一樣，測試程序的驗證評估也應(yīng)該將其考慮進來。對測試程序的驗證評估是以電路板固有測試性分析和電路板測試程序開發(fā)難度分析為基礎(chǔ)的。

1.1.1 電路板固有測試性分析與評估

利用測試程序（TP）進行電路板故障檢測、定位和隔離過程中，F(xiàn)DR、FIR和FAR等測試性參數(shù)與TP的故障檢測能力有關(guān)，其理論極限值決定于電路板的固有測試性水平。只有了解電路板的固有測試性水平，才能客觀合理地對測試程序（TP）做出評價。

在數(shù)字電路中，有許多點是無法接觸的，這些點上的故障是否可以測試，以及測試的難易程度，取決于電路的可達輸入端是否能方便地控制這些點的邏輯值，以及這些點的邏輯值能否容易地敏化到電路的可達輸出端加以觀測，即電路的可控性和可觀測性[6]。

從故障診斷理論角度看，電路板中各節(jié)點的值越易控制（容易使故障得到激活），故障信號越易觀察或測量（容易使故障信號傳輸至可及端），則系統(tǒng)中的故障越易檢測和診斷（定位），也即系統(tǒng)具有良好的測試性。由于一個電路中各節(jié)點的可控性和可觀測性是不同的，為了科學地評估它們，必須對它們進行量化，這就是所謂可測試性的度量。電路板測試性分析與評估的步驟[6]如下：

1）建立和檢查電路的連接關(guān)系和拓撲結(jié)構(gòu)；

2）電路中元件的可控制性傳遞因子的數(shù)據(jù)庫；

3）從原始輸出開始，利用回推的方式，逐步計算電路中各節(jié)點的可觀測性值，直到原始輸入為止（需要經(jīng)常訪問電路中元件的可觀察性傳遞因子的數(shù)據(jù)庫）；

4）利用可控性值和可觀測性值計算節(jié)點的可測性值；

5）計算并表達電路可測性的平均值，以及解釋所獲得的結(jié)果。

1.1.2 電路板測試程序開發(fā)難度分析與評估

我國對電路板進行可測試性設(shè)計開展較晚，現(xiàn)在使用的裝備電路板多數(shù)只注重功能設(shè)計，而忽略了可測試性設(shè)計。而且電路板設(shè)計比較混亂，電路劃分不合理。不同功能電路板之間差異較大，即使是完成相同功能的電路板，不同廠家之間生產(chǎn)的電路板也存在較大差異。這就造成了不同電路板測試程序的開發(fā)難度也不一樣。例如，有的電路板完成功能單一，所含器件少，而有的電路板完成的功能比較復雜，所含器件較多，前者的測試程序開發(fā)難度就要低于后者的測試程序開發(fā)難度；又如有的電路板所含器件較多，但是邏輯關(guān)系簡單，這樣的電路板測試程序的開發(fā)難度較低，而有的電路板雖然所含器件很少，但是含有復雜的反饋控制電路，測試難度大，這樣的電路板測試程序的開發(fā)難度就相應(yīng)較大。因此，要想客觀地評價電路板測試程序的開發(fā)水平，對電路板測試程序開發(fā)難度進行有效的分析與評估是十分必要的。

對電路板測試程序開發(fā)難度的分析與評估可以分兩步來完成：1）確定影響電路板測試程序開發(fā)難度的各個項目如元器件類型、邏輯關(guān)系、功能指標（如頻率、帶寬）等要素及其權(quán)值；2）根據(jù)影響電路板測試程序開發(fā)難度的要素及其權(quán)值，通過回歸分析等算法建立電路板難度系數(shù)計算公式。根據(jù)建立的難度系數(shù)計算結(jié)果，可以定量地對電路板測試程序開發(fā)難度進行分析與評估。

1.1.3 測試程序驗證評估

TP是在ATE的計算機上運行，用于控制ATE的資源來測試指定UUT的軟件的總稱，它包含對測試過程的控制及對所測得的響應(yīng)信號的處理，完成對被測對象是“正常”還是“故障”的判斷。在“故障”時，還應(yīng)能隔離故障，找出故障源。因此，TP所包含的測試激勵的故障覆蓋率與隔離率的定量分析可以在一定程度上反映TP性能的優(yōu)劣。首先，需要建立被測電路板的模型，進行好板仿真，得到無故障時電路板各測試節(jié)點的響應(yīng)；其次，進行故障模擬，將故障注入到電路模型中，得到含故障的電路模型；再次，將待評估的測試程序中的測試激勵依次施加到含故障的電路模型中，收集各節(jié)點的響應(yīng)，并與好板仿真得到的響應(yīng)相比較，最終可以得到評估所需的測試激勵的故障檢測率和故障隔離率。測試激勵驗證評估流程圖如圖1所示。

圖1 測試激勵驗證評估流程圖Fig.1 Flow chart of verification and evaluation for test stimulus

當然，測試激勵的優(yōu)劣并不能全面地體現(xiàn)TP的優(yōu)劣。TP在測試過程中的控制及對測試所得的響應(yīng)信號的處理除了其功能正確與否外，最能體現(xiàn)其優(yōu)劣程度的參數(shù)就是TP在測試中所耗費的時間。因此，高質(zhì)量的TP應(yīng)該是能在測試激勵的故障覆蓋和隔離能力與測試耗費時間上綜合達到最優(yōu)。

1.2 接口裝置（ID）的驗證評估

接口裝置（ID）是電路板TPS的組成部分，在被測電路板與ATE之間提供機械和電氣連接，并提供信號調(diào)節(jié)的裝置，它包括通用接口（GPI）和接口測試適配器（ITA）。通用接口（GPI）是將ATE提供的所有測試與測量通道引至其上的裝置，具有符合要求的電磁兼容、抗干擾、阻抗匹配和信號傳輸能力。對通用接口GPI的要求主要是由ATE來確定的，因此對接口裝置（ID）的驗收評估主要集中在對接口適配器（ITA）上。接口測試適配器（ITA）是提供UUT和GPI之間信號、電源連接與調(diào)節(jié)的裝置。驗收與評估主要包括以下內(nèi)容：

1）接口測試適配器（ITA）結(jié)構(gòu)設(shè)計、標識是否符合相關(guān)規(guī)定；

2）接口測試適配器（ITA）中UUT適配板的驗證評估內(nèi)容：

①電路板加固措施驗證評估；

②電源及保護措施驗證評估；

③可測試性驗證評估；

④標識電路驗證評估；

⑤連接電纜/布線底板驗證評估。

1.3 電路板測試程序集文件（TPSD）的驗收評估

電路板測試程序集文件（TPSD）是電路板TPS的組成部分，是用ATE確定電路板工作條件并完成對電路板故障檢測和故障診斷所必需的文字信息，它不包括由ATE提供的打印信息。電路板TPSD包括TPS操作使用手冊、電路板測試分析、接口裝置有關(guān)文檔、測試程序說明和測試源程序清單。對電路板測試程序集文件（TPSD）的驗收評估主要是檢查各種文檔是否齊全，編寫是否符合相關(guān)的規(guī)定。

1.4 電路板TPS可移植性的驗證評估

TPS開發(fā)過程中，由于開發(fā)平臺的差異，會造成電路板的測試分析文檔、ATE操作手冊、測試接口適配器、測試程序等幾部分內(nèi)容有很大的不同。同一塊電路板要想在不同的ATE上進行測試，往往需要在不同的開發(fā)平臺上進行重復開發(fā)，資源浪費嚴重。當ATE設(shè)備升級或在ATE間移植TPS時，用戶最關(guān)心的是TPS不經(jīng)改動或少量改動就能使用，以最大限度保護用戶投資。TPS可移植和互操作技術(shù)是實現(xiàn)測試軟件可重用，擴大測試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，提高開發(fā)效率和降低測試開發(fā)成本的關(guān)鍵。實現(xiàn)測試軟件可移植與互操作的2個基本條件是：

1）測試系統(tǒng)信號接口的標準化；

2）測試程序與具體測試資源硬件的無關(guān)。

測試軟件從結(jié)構(gòu)上可分為面向儀器、面向應(yīng)用和面向信號3種形式，而面向信號的開發(fā)是測試軟件互操作的前提。面向信號的開發(fā)使測試需求反映為針對電路板端口的測量/激勵信號要求，當測試資源模型也是圍繞“信號”而建立時，只要通過建立虛擬信號資源向真實信號資源的映射機制，就可以實現(xiàn)TPS在不同配置的測試系統(tǒng)上運行。

要想使得TPS具有最大的通用性，這就需要對不同測試系統(tǒng)上的TPS結(jié)構(gòu)進行詳細地分析。由于各自動測試系統(tǒng)所具有的儀器模塊、測試程序集（TPS）開發(fā)環(huán)境、測試接口不完全一樣，導致了在它們之上所開發(fā)的TPS不兼容的問題。從通用適配器、標準儀器配置和軟件接口標準化等方面研究入手，對其可移植性進行評估已經(jīng)成為TPS驗證與評估的重要研究內(nèi)容。

1.5 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)以上的分析，本文對電路板TPS驗證評估系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。系統(tǒng)共分為5個模塊，即TP驗證評估模塊、ID驗證評估模塊、TPSD驗收評估模塊、TPS可移植性驗證評估模塊和TPS總體評價模塊。TPS總體評價模塊對前4個模塊得出來的評估結(jié)果進行相應(yīng)的加權(quán)打分，給出待評估的電路板TPS的總體評價。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 電路板TPS驗證評估系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.2 Overall design block diagram of verification and evaluation system for PCB TPS

2 結(jié) 論

測試性作為維修性的一個重要設(shè)計特性，不僅對維修性產(chǎn)生重要影響，而且對降低產(chǎn)品全壽命周期費用具有重要意義。用TPS對電路板進行自動測試維修已經(jīng)在裝備保障中發(fā)揮了重要作用。筆者對電路板TPS的驗證評估系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，需要說明的是這僅僅是一個技術(shù)框架，許多技術(shù)上的細節(jié)還有待于進一步探索與研究。

[1]張波，陳巖申，王桂芝.海軍某型聲納電路板測試程序集（TPS）開發(fā)研究[J].儀器儀表學報，2002，23（3）：251-253.ZHANG Bo，CHEN Yan-shen，WANG Gui-zhi.Development of digital PCB Test Program Sets （TPS） for Navy sonar[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2002，23 （3）：251-253.

[2]趙勝，宋東，張超.ATS中TPS的軟件測試技術(shù)研究[J].測控技術(shù)，2006，25（3）：59-62.ZHAO Sheng，SONG Dong，ZHANG Chao.Research on the Software Testing Technology of TPS in ATS[J].Measurement＆ Control Technology，2006，25（3）：59-62.

[3]MIL-STD-2076.Unit under test compatibility with automatic test equipment general requirements for notice 1[S].1991.

[4]MIL-STD-2077，General requirements for test program sets[S].1978.

[5]Deb S，Pattipati K R，Raghavan V，et al.Multi-signal flow graphs：a novel approach for system testability analysis and fault diagnosis[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine，IEEE，1995，10（5）：14-25.

[6]丁謹.可靠性與可測試性分析設(shè)計[M].北京：北京郵電大學出版社，1995.