基于PXI總線的數(shù)字電路故障診斷系統(tǒng)

自上世紀50年代以來，隨著微電子技術、通信技術及計算機網絡技術的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的廣泛應用，電子設備數(shù)字電路故障維修越來越復雜，測試難度越來越大。與此同時，數(shù)字電路的測試與診斷研究也取得了突破性的進展，屬于組合電路測試生成算法的偽窮舉法、布爾差分法、特征分析法、隨機測試法、D前沿敏化法以及因果函數(shù)法，屬于時序電路測試生成算法的時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算工作復雜，測試開銷巨大，在工程實踐中仍存在很多困難。因此，如何利用這些理論和測試方法更好更快地進行故障診斷，是目前亟待解決的問題。自動測試設備（ATE）的發(fā)展是測試技術的一次革命，帶來了測試設備的成熟，為測試診斷理論在工程應用上提供了新的前景。

航天測控公司針對數(shù)字電路自動測試系統(tǒng)的開發(fā)需求，數(shù)字電路中較為復雜的時序電路測試為側重點，將含有CPU、FPGA等的數(shù)字電路作為測試對象，結合目前常用的時序電路仿真方法，成功研制一套基于PXI總線技術的便攜式自動測試系統(tǒng)（HTEDS8300便攜式PXI總線數(shù)字電路板測試診斷系統(tǒng)）。該系統(tǒng)具備性價比高、體積小、易攜帶、TPS開發(fā)難度小等特點，適用于軍用和民用領域的半導體、航天/國防、通訊才消費電子產品的設計驗證、測試和維修。下面具體介紹HTEDS8300便攜式PXI總線數(shù)字電路板測試診斷系統(tǒng)的軟硬件組成和特點，并應用該系統(tǒng)實現(xiàn)對含有CPU的數(shù)字電路板的自動測試。

PXI（PCI Extensions for Instrumentation）是一種用于測量和自動化系統(tǒng)領域的基于PC的模塊化儀器平臺。它結合了PCI總線的電器性能和CompactPCI的堅固、模塊化、歐卡機械特性，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，使其擴展成為一種用于測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本的開發(fā)平臺。HTEDS8300便攜式PXI總線數(shù)字電路板測試診斷系統(tǒng)采用PXI機箱內嵌控制器，結構輕便小巧，易于攜帶。

本系統(tǒng)采用功能測試法，直接利用電路的輸入和輸出接口作為激勵點和響應點，通過與預期響應比較，判定被測板是否工作正常，并將故障定位到最小可更換單元。對于電路板中的內部節(jié)點，可以通過夾具、探筆等設備連接。

系統(tǒng)配置了4塊數(shù)字I/O模塊，用于數(shù)字電路數(shù)字信號的發(fā)送和采集?？紤]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個數(shù)字I/O通道，擁有50MHz的最大數(shù)據(jù)速率，最大可擴展到352個通道。在測試含CPU、FPGA的數(shù)字電路板時，測試端口需要根據(jù)時序改變方向，測試系統(tǒng)具有實時動態(tài)輸入輸出方向的測試能力，并且可以對采集到的響應數(shù)據(jù)進行實時硬件比較。

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

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)字電路測試中，尤其是高速數(shù)字電路的測試中都需要使用示波器來觀察動態(tài)波形，測量波形上升/下降時間等特征值，從而為故障診斷提供依據(jù)。測試系統(tǒng)還配置了6.5位數(shù)字多用表，能夠測量電壓、電流、電阻、電感、電容和阻抗。這樣，測試時系統(tǒng)中不同資源如數(shù)字I/O和示波器能夠同步工作，自動測試方法更加靈活多樣，能夠滿足用戶對復雜數(shù)字電路的測試需求。

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

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)軟件主要由測試診斷程序（TPS）開發(fā)、測試診斷程序執(zhí)行、綜合查詢、信息共享、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)安全保障、在線幫助7大部分組成。能夠實現(xiàn)多種類型PCB的測試診斷程序的開發(fā)與執(zhí)行，系統(tǒng)通過測試得到的信息，經過測試診斷程序的分析判斷，完成對PCB的故障檢測與定位。

為了使電路板測試與維修人員打破通過編寫代碼程序完成電路板測試診斷的傳統(tǒng)，降低開發(fā)人員編輯TPS的技術難度，軟件平臺采用了圖形化TPS編輯環(huán)境，提供一個通用開發(fā)環(huán)境，能夠完成不同類型的電路TPS的開發(fā)、調試與運行，系統(tǒng)軟件能夠利用數(shù)字電路仿真軟件輸出的標準IEEE1445格式數(shù)據(jù)對電路板進行測試，提高了TPS開發(fā)人員的工作效率和開發(fā)質量。

軟件平臺提供可視化界面向導功能，利用平臺提供的各種流程模塊配合相應的功能組件，用戶只需輸入專家知識及必要的其它信息即可建立一個具體的診斷程序。開發(fā)人員不需要學習和進行復雜的源程序編碼就可以完成TPS開發(fā)，避免了以往一個電路模塊對應一套診斷軟件的弊端，具有很強的通用性和可擴展性。

目前大多數(shù)數(shù)字電路板測試系統(tǒng)基本上都是針對不帶CPU、FPGA的數(shù)字電路板進行測試和故障診斷，這類電路板所具有的共同點就是響應與激勵一一對應，即由程序控制自動測試設備向電路板輸入信號，當電路板的輸入確定時，電路板產生相應的輸出信號，根據(jù)這種固定的輸入輸出關系很容易判斷電路板的故障，并判斷故障節(jié)點。但是對于帶微處理器件的電路板，不能簡單的使用這種測試方法在ATE設備上進行故障檢測。由于微處理器采用三總線或者編程端口對電路進行控制，因此這類電路板的輸入輸出的時序并不是固定的，也就導致每次輸入激勵和輸出響應不一定是一一對應的。針對這個問題，判斷故障時必須對總線信號或端口信號進行可靠控制，以保證每次均是同步測試，也就是要保證每次輸入激勵信號在時序上是一致的。這樣再和預期響應信號比較時才不會因為時序差別而錯誤判斷故障。

微處理器的控制信號實際上是數(shù)字信號，而測試系統(tǒng)能提供104路以上的動態(tài)I/O信號，因此可以采用測試系統(tǒng)的I/O信號模擬微處理器各管腳信號，驅動電路中的其他功能模塊，從而達到模擬微處理器件時序，完成同步測試的目的，并有效檢測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，驗證系統(tǒng)的I/O測試能力。該電路板CPU通過串并行總線控制FLASH、溫度傳感器和驅動電機。

電路原理框圖

平臺可以選擇I/O信號電平電壓、每周期改變I/O信號方向，在軟件提供的圖形化開發(fā)環(huán)境編輯測試激勵及響應信號，并采集響應信號，以交互式的方式對電路板進行測試。該系統(tǒng)能夠準確定位電路板故障，有效提高了測試效率。