一種數字電路板測試診斷系統(tǒng)的設計

黨曉軍

（水利部發(fā)展研究中心，北京 100053）

0 引言

過去的幾十年內，我國從國外引進了一些自動化系統(tǒng)和設備，其中軍方和火力發(fā)電廠是主要的引進單位。這些設計芯片自成體系，典型的以微處理器 1806BM 系列為核心，總線收發(fā)器、鎖存器、中斷控制器等形成自己獨立的通信和控制設備。隨著時間的推移，備件也幾乎耗盡，為了維護系統(tǒng)的正常運行，必須進行板級的替代，替代板量很大，由不同的單位完成，而一些核心、加解密設備又只能由總裝單位管理，因此如何保證替代板的研制正確率，如何測試替代板是一個迫切的問題。

對批量生產的廠家而言，即使有1套完整的設備，可是如果每個人研制的替代板都要上設備插拔，一是影響其它人的測試，二是如果有錯誤會產生誤動作，影響設備壽命。因此，有1套直接測試的簡易設備，以自己的固定序列形成測試庫是很有必要的。

目前我們國家仍然引進不少的設備，這些設備仍然堅持自己的芯片和系統(tǒng)，因此將來還存在板級、芯片的替代，研制的數字電路板測試診斷系統(tǒng)（以下簡稱 TE3）仍然有使用空間。

1 TE3的設計

1.1 組成

TE3主要針對中小規(guī)模數字邏輯芯片構成的電路板，實現組合和時序等邏輯網絡的邏輯功能正確性的測試檢查，為專業(yè)技術人員診斷數字電路板故障，查找故障元件提供多種技術手段。

TE3主要針對特定的數字電路板（中小規(guī)模芯片）進行設計，由自動測試設備（ATE）、測試程序集（TPS）和測試運行環(huán)境（TE）3個主要部分組成[1]。

ATE 主要用于提供一個實現電路板功能測試和故障診斷的自動化平臺，作用是通過針對被測對象編寫專門的測試程序和運行環(huán)境來完成的。ATE 由PC 計算機、通信接口、自動測試控制部件和管理程序組成。PC 計算機通過通信口與自動測試控制部件交換信息[2]。自動測試控制部件接受 PC 機的命令，測試數據流，生成測試向量，將測試向量輸出到標準版和故障板；接受標準版和故障板的輸出向量回送給 PC 機[3]。測試程序集由測試診斷程序、引導測試操作和 TPS 執(zhí)行文檔組成[4]。

測試運行環(huán)境包括 TPS 結構說明、測試編程手段，以及測試診斷向量設計需求的標準描述格式和測試方案信息。

1.2 工作原理

TE3采用功能測試法，直接利用電路板的輸入和輸出端口作為激勵和響應點，對測試和標準2種樣本在相同的環(huán)境下使用相同的測試序列同時進行測試，并回收兩者的輸出序列，用計算機比對兩者輸出，以判定被測試樣本的邏輯功能是否正確。設備連接關系如圖1所示。

圖1 設備連接關系圖

PC 程序采用 VC 和 VB 混合編程，底層通信程序使用 VC[5]，界面使用 VB[6]。界面是編輯波形序列，通過點擊波形使其在 0，1之間進行取舍。界面容量可以達20000個時序[7]。通過人工編輯可以形成測試向量庫，并形成測試經驗庫[8]。VC 主要完成和單片機之間的雙向通信程序，通信的順序如下：選擇測試向量→形成測試流→采用乒乓方式通信→測試設備序列→形成顯示。其中乒乓通信保證了發(fā)送方和接受方的實時切換。顯示內容放在1個大的緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)在充滿后實時寫入硬盤。乒乓通信方式實現原理如下：設 A 和 B 兩個緩沖區(qū)，在發(fā)送 A 緩沖區(qū)的數據之后，立即讀取 B 緩沖區(qū)的數據，此時單片機處理 A 區(qū)的數據形成測試向量加載，讀單片機 B 的同時，A 區(qū)也寫滿了加載向量的測試結果。乒乓機制必須保證1個讀寫的啟動，形成一種兵乓連續(xù)的讀寫機制，保證測試數據的發(fā)送和接收的準實時[9]。

讀寫機理：初始化 A，B；發(fā) A，B，循環(huán)開始讀 A，發(fā) A，讀 B，發(fā) B，最后讀 B 即可。

通信協(xié)議格式如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議格式

數據生成主要由主界面完成，在主界面上可以對相應位上、通道上的測試序列進行點擊修改，并作為測試文件保留在歷史庫，測試文件以時間到秒命名并保留。

VB 程序完成數據矢量的編輯和測試結果的顯示[10]。

系統(tǒng)主界面可以對時序信號點擊編輯，隨時讓某個時間點的輸入信號變化，也可以選擇某列使整個列的信號變化。界面以外的信號可以通過滾動條觀察，使用比較方便。界面可以單步設置斷點，對某個時間界面上的信號持續(xù)觀察，也可以循環(huán)對1段信號連續(xù)發(fā)送觀察，適合電路板的調試。

單片機采用 CF8051F120系列單片機。該單片機提供 USB 驅動，并有豐富的 I/O 接口，可以保證對外部設備的擴展。對 I/O 口采用統(tǒng)一編址的方法，逐一讀取其 I/O 上的電平，并進行輪詢。工作過程中為了保證電源加載安全，給出上述協(xié)議中類型位為 0和 1，分別是電源的加載和去載。每次完成測試，都有這個過程。形成測試結果送 PC 機顯示保存。

2 應用前景

目前 TE3已經用于某型系統(tǒng)國內板級仿制測試。為了安全考慮，不能對仿制、替代的電路板直接運行系統(tǒng)調試，必須在對仿制板的線下測試可靠后，才允許上機替代。TE3可為線下測試提供可靠的保障。

未來以 TE3測試設備為基礎，建立以 PC 為基本測試點的網絡測試系統(tǒng)，可形成遠程故障和診斷系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 網絡測試結構圖

中心站通過通用網絡，建立各個測試點的測試和反饋向量數據庫，并在一定的時段向測試點發(fā)出測試指令，檢查測試點上傳的向量，對測試點板級設備進行診斷，實時了解遠程設備的運行情況。

網絡點之間協(xié)議交換格式如圖4所示。

圖4 網絡點之間協(xié)議交換格式

接收方根據目的地址，判定自己是否是節(jié)后指令，并提取檢測次數和開始時間，根據檢測序列號對設備進行檢測，檢測后的結果存入用戶根據歷次測試形成的分類庫，該庫由系統(tǒng)自動生成，用戶只要按存入按鍵即可，并通過網絡上報中心節(jié)點。

上報中心節(jié)點協(xié)議交換格式，交換以大文件的方式上傳，如圖5所示。

圖5 網絡上報傳輸測試結果楨結構圖

3 結語

本測試診斷系統(tǒng)，目前主要針對數字和通信系統(tǒng)測試，對于模擬系統(tǒng)尚未展開，以后可以進行擴充，現在正在用 PCI-E 總線替代 USB，這樣測試理論速率可達 G 級。運用本系統(tǒng)可以對任意序列組合進行單步和循環(huán)的發(fā)送，直接對結果在標準電路板和測試電路板間進行比對，給出故障信號的來源，大大提高了電路板設計和調試的效率，可以推廣應用在各個電子設計領域。目前已經在工信部第十五研究所應用，效果良好，現正在和水利信息領域的專家接洽，希望在水利領域推廣。

長江微電子技術（大連）股份有限公司針對FPGA（現場可編程門陣列）電路板的測試和仿真、邏輯判斷技術先進，已經取得國家發(fā)明專利，但缺少系統(tǒng)可編輯的序列輸入，不能滿足設計者根據自己的邏輯反復測試和試驗的要求。

數字電路板測試診斷系統(tǒng)有待完善的地方：FPGA CPLD 等大規(guī)模邏輯電路，基于 Verilog 語言的設計，可以針對其 Verilog 程序的編譯系統(tǒng)在系統(tǒng)內加入，這樣根據其綜合生成邏輯門級電路，可以將信號逐級傳送，推導各個點直至出口信號，形成真正的職能診斷系統(tǒng)。

[1] Cygnal Integrated Products,Inc.C8051F 單片機應用解析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002: 43-49.

[2] 潘琢金，施國君.C8051Fxxx 高速 soc 單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002: 52-63.

[3] 閻石.數字電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2006: 70-100.

[4] 賴麒文.8051單片機 C 語言軟件設計的藝術[M].北京：科學出版社，2002: 87-95.

[5] Jan Axelson.USB 開發(fā)大全[M].李鴻鵬，鄭瑞霞，陳香凝，等譯.北京：人民郵電出版社，2011: 30-50.

[6] CSDN gaokaji16.VC 下 USB 編程[EB/OL].[2013-04-15].http://download.csdn.net/detail/v200x/4133499.

[7] CSDN weirdyouyang.USB2.0協(xié)議 （英文版）[EB/OL].[2013-04-15].http://download.csdn.net/detail/lingess/3500079.

[8] 龔正虎.測試序列生成的形式方法[J].計算機工程與應用，1996（2）: 1-2.

[9] CSDN bloghome.VC 多線程編程技術資料集[EB/OL].[2013-04-15].http://download.csdn.net/detail/bloghome/1169588.

[10] CSDN manjixingkong.VB 界面設計[EB/OL].[2013-04-15].http://download.csdn.net/detail/manjixingkong/437095.