（电力电子与电力传动专业论文）pcb故障诊断路内测试系统的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt e s t i n gs y s t e mf o rp c bf a u l td i a g n o s i s u s i n g i n c i r c u i tt e s t a b s t r a c t n l ee l e c t r o n i cf u n c t i o nm o d u l ei st h eb a s eo ft h em e c h a n i s ma n de l e c t r o n i c p r o d u c t s 1 1 l eq u a l i t yo f w h o l ei n s t r u m e n ti sd e t e r m i n e db ye a c hc o m p o n e n to np c b n o wa u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mo i lp c bi sm o s t l yp r o d u c e db ye u r o p e a no ra m e r i c a n i ti sm o r ee x p e n s i v ea n df a rb e y o n dt h ea f f o r d a b i l i t yo fs m a l la n dm e d i u me l e c t r o n i c e n t e r p r i s e si nc h i n a i no r d e rt os t r e n g t h e nt h e i rc o m p e t i t i v ep o w e r , t h ep a p e r d e v e l o p st h et e s t i n gs y s t e mf o rp c bu s i n gi n c i r c u i tt e s t ( i c t ) w h i c hi se a s yt ou s e ， h a sl o wp r i c ea n ds u i t st ot h e m t m sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sp c bt e s t i n g t e c h n o l o g i e si nd e t a i l a c c o r d i n gt ou s e r sw h i c ht h ec a s ef a c e sa n dt h e i rr e q u i r e m e n t s o fp c bt e s t , i n - c i r c u i tt e s ti su s e di nt h et e s t i n gs y s t e mf o rp c b b a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , i tc a nt e s ta n a l o ge l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，c o m b i n a t i o n a ll o g i c c i r c u i t sa n df u n c t i o n a lm o d u l e st h a ta r ec o n s i s t e do f0 1 1p c b n es y s t e mi n c l u d e d i c ti n s t r u m e n t ，l o g i c a la n a l y s i su n i t ，s i g n a lg e n e r a t o r s ，h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n , m u l t i - p a t hc h a n n e ls c a n n e r sa n dn a i l s b e d i c ti n s t r u m e n tu s e dd i f f e r e n tt e s t i n g m e t h o df o rd i f f e r e n to b j e c ta n dc a r r i e do u tt h es e g r e g a t i o nb e t w e e nt e s t e do b j e c ta n d o t h e rc o m p o n e n t so nt e s t e dp c bb yp o t e n t i a li s o l a t i n gw a y s ，a n dt h ep r e c i s i o no f t e s t e do b j e c tw a si m p r o v e db yu s i n gs e l f - a d a p t i v et e s t i n gm e t h o d l o g i c a la n a l y s i s u n i tc a nt e s tu s u a lc o m b i n a t i o n a ll o g i cc i r c u i t su s i n gr e v e r s ed r i v e rt e c h n o l o g y s i g n a lg e n e r a t o rc a np r o d u c ed o u b l eu s u a lw a v e f o r ms u c ha ss i n ew a v e ，s q u a r ew a v e ， o b l i q u ew a v e ，t r i a n g l e w a v ee t c d a t a a c q u i s i t i o n c a nc o l l e c tf o u r s i g n a l s s i m u l t a n e o u s l ya n dc o m m u n i c a t ew i t hp cb yu s bi n t e r f a c e m u l t i c h a n n e l ss c a n n e r w a sd e s i g n e db ym i n i - r e l a ym a t r i xw i t hb e t t e rs c a l a b i | i t y n a i l s - b e du s e dn e w t y p e f i x t u r e ，w h i c hn o to n l yh a sg o o dc o n t a c tp e r f o r m a n c eb u ta l s od o e sn oh a r mt o c o n t a c tp o i n t p r a c t i c a lt e s t i n gd a t ai n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a l li m p l e m e n tt h ea u t o m a t i c t e s t i n gf o ru s u a lp c bf u n c t i o nm o d u l e ，a n da c h i e v e st h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s i n - c i r c u i tt e s t ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，v i r t u a li n s t r u m e n t 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 p c b 故障诊断路内测试系统 的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：蒋7 z 芙 日期：加眵矽年弓月，日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 p c b 故障诊断路内测试系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密厂1 ，在 年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：薅石l z 美 新躲” 日期：撕移年) 月缮日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 课题背景 电子功能模件是指装有各种电子元器件的印制电路板，是机电产品的基 本组成部分，其水平高低直接决定整个机电产品的工作质量。据统计，电子 制造领域的可视化检测的平均费用可达到整个制造过程花费的5 0 以上m 。 由此可见电子功能模件检测的重要性。目前测试电子功能模件的设备系统大 多为欧美产品，价格相当昂贵，不适合在我国中小企业中推广。为了提高中 小企业的产品质量，本课题决定自主研发适合于我国中小企业、价格低廉、 使用方便的p c b 功能模件路内测试设备。 1 1 2 国内外发展现状 1 1 2 1p c b 检测技术的发展现状当前应用于p c b 检测技术主要有：路内 测试、功能测试、边缘扫描测试、总线测试和红外热像测试等。 1 路内测试( i n c i r c u i tt e s t )路内测试是上世纪七十年代后期盛行的 p c b 检测方法，它以编程与判断简易快速见长嘲。路内测试的主要任务是测试 已经安装部分或全部元器件的p c b 电子功能模件有无元件插错( 如电阻、电 容、电感、集成电路等元器件的型号、参数是否正确) 、插漏、，插反( 如二极 管、三极管的管脚是否接错，电解电容的极性是否接反，i c 的方向是否正确 等) 的错误现象，同时也可以检测焊接点有无虚焊、漏焊，以及所装元件本 身质量等问题口1 。路内测试的基本方法是通过专用针床中的一组测试探针， 一方面给被测元件输入激励信号，另一方面从被测元件弓i 出响应信号，以此 检查元件在电路中的状态，并推断其参数。由于被测元件被连接在整个电路 中。其它元件会对被测元件的测试产生不可忽略的影响，因此在测试时需要 采用专门的技术将被测元件与其它元件的作用隔离开来，从而确保测试的精 度，这是路内测试是否成功的关键“一。由于路内测试是对p c b 上的各个元器 件分别进行测量，所以通用性很好，测试程序编制简单，可以在不知道p c b 整体功能的情况下进行。路内测试也可在分阶段安装元件的模件生产过程中 进行，这样有利于及早发现故障，并及时下线处理，从而降低生产的成本。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 皇置喜篁葛曙鼍皇冒置置- 皇盲鲁阜暑蕾| 暑皇皇詈暑掌昌皇鲁暑皇昌皇暑鲁昌置葺暑曩置暑墨皇皇穹暑暑鲁葛皇昌詈皇暑毒 一 i n mi 暑暑暑皇暑鼻_ 其特点是测定p c b 上各个元器件本身性能、安装的正确性1 。是在非正常通电 的情况下进行测试的。一般用于p c b 生产流水线中 1 。 2 功能测试( f u n c t i o n a lt e s t )功能测试是在上世纪六十年代后期常 用的自动化测试方法，到七十年代后期，编程和判断日趋简单的路内测试的 出现，似乎要取代功能测试之势，但随着电路的复杂化，可探测的节点越来 越少时，功能测试又重新得到人们的关注乜1 。功能测试是用来测定p c b 功能模 件是否能够完成既定的功能要求，同时也能对一些可调参数的元件( 如电位 器、可调电感或电容) 进行参数值的调整哺1 。进行功能测试时，需要使用一 系列的激励源，如直流信号、方波信号、正弦波信号或随机信号，将模件的 功能特性激励起来，以便检测模件的好坏并找出故障m 。由于功能测试是针 对p c b 整体功能进行的，因此自然需要全面了解被测模件电路实际功能n 同时，因为通常功能测试是在生产过程的最后阶段进行，所以能够最直观地 反映p c b 功能模件的实际使用质量，测试结果也是用户最为关心的1 。 3 边缘扫描测试( b o u n d a r ys c a nt e s t ) 随着芯片的集成度越来越高， 以针床或探针为基础的路内测试的触及问题越来越突出“列。1 9 8 5 年，在欧美 工业界的支持下，集成电路测试领域的工程师和学者组成了联合测试行动小 组( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) ，经过四年多的努力，提出了边缘扫描方法。 1 9 9 0 年初，i e e e 正式将其宣布为工业标准，称为i e e e l l 4 9 1 n 3 1 。边缘扫描测 试是在芯片引脚和芯片内部逻辑电路之间增加边缘扫描单元，各边缘扫描单 元连接成串行扫描链，通过串行扫描方式设定和读取芯片的引脚状态来实现 对芯片的测试和诊断n 虬。其特点是面向芯片的测试，需要在芯片设计阶段考 虑可测试性设计，将边缘扫描测试方法集成到芯片内部，而且芯片的功能和 边缘扫描测试是相互独立的。这种测试方法只需连接标准接口的少数引脚， 大大减化了测试设备和探头装置n 酣。但是就目前的情况看，i e e e l1 4 9 1 标准 在短期内还难以被工业界普遍采用。主要有以下原因：考虑可测性需要一定 的硬件开销，出于经济原因，有的生产厂商不愿考虑；由于历史原因，市场 上销售的器件，。绝大多少集成电路都没有可测性设计；从事集成电路和p c b 设计人员对可测性设计的必要性和紧迫性认识不足朝。 4 总线测试( b u st e s t )总线测试专门用于那些以微处理器为核心的 p c b 功能模件呻1 。在微处理器总线结构下，挂在总线上的器件运行必然直接 影响总线的状态，因此如果采用适当的测试程序对挂在总线上的接口器件进 行充分的i o 操作，则有可能将这类器件的测试简化为对总线状态的分析。在 总线测试时，通常使用特征分析仪和逻辑分析仪。前者通过对总线上的数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 序列进行特定的移位反馈记录，得到不重复的特征字，从而以此快速判定总 线工作是否正常；后者则可对总线传输数据进行严格的时序分析，从而找出 故障的具体根源n 7 埔1 。 5 红外热像测试( i n f r a - r e dt h e r m a li m a g i n gt e s t )红外热像测试的基 本思路是：当一个元件的参数发生变化时，元件上的电压和电流必有变化， 导致它消耗的功率及其表面温度产生变化。如果对印刷电路板( p c b ) 做红 外摄像，通过计算机处理，寻找到温度有显著差异( 与无故障的标准模件下 的情况相比较) 的特征，即可定位故障元件的位置。现代的红外摄像仪的灵 敏度相当高( o 1 以下) ，完全可以达到测试所需的要求。其不足之处在于 其投资过高，且某些故障不能测量( 例如电容短路等) “引。 几种测试方法不是互相取代关系，而是相互补充关系。共同使用它们可 以有效地提高p c b 检测系统的故障覆盖率啪2 1 o 例如在线测试和功能测试合 并的测试系统，如z e h n t e li n c 的8 5 0 f i 和g e n r a d 的g r 2 7 5 0 等，据称这种 系统可以探测到9 9 的故障馏引。 1 1 2 2 路内测试技术的发展现状路内测试技术是由美国g e 公司率先研制 成功，现在已有美国的z e h n t e l 、g e n r a d 、f l u k e 、h p 、t e r a d y n e ，英国的 m a r c o n i 公司等数十家公司生产的重要电子测试仪器。根据资料报导，美国 在线测试仪器的产值处于美国电子仪器的第五位，仅次于微机发展系统、示 波器、集成电路测试器和功能测试器。采用在线测试技术对于模拟元器件可 探测到9 0 多扛- 9 5 的故障，对于数字电路故障可探测到8 5 9 4 的故障， 对于混合电路可探测到8 7 乡扣- 9 4 的故障嘲。 路内测试技术的特点：故障定位快。编制测试程序简单直观，甚至 可以自己生成测试程序。相对于其它自动测试系统，价格较低聆射。 路内测试的原理：路内测试的出发点是如果所有元件都正确安装，元件 参数在设计允许范围内，电路板没有开短路，那么电路板将能正确工作船1 。 在线测试可分为两类：在线测试元件和在线测试参数。对于在线测试元件的 关键是p c b 上被测元件的隔离问题。由于被测元件的性质不同，其测试方法 也各不相同。对于模拟元器件，大部分元器件都采用屏蔽法( 或称为电位隔 离法) 来进行测试。其基本思想：就是与被测元件相连的元件两端无电压 差，那么将无电流流过该元件，该元件可被认为等效开路。这样，该元件虽 然在p c b 上与被测元件相连，但对实际测试没有影响。路内测试的缺点是不 能发现设计的错误，只能发现元件和组装中的错误，因此一般都用于成熟产 品，用于工厂的生产线上踟。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 根据电气特性的不同，路内测试技术可分为模拟元器件测试技术和组合 逻辑电路测试技术。 模拟元器件测试技术：测试对象主要有：电阻、电容、电感、二极管、 三极管、放大器、变压器等胁1 。 电阻：对于普通电阻一般采用三线测试法瑚和六线测试法瞳乳别。对于 小电阻，目前的测试方法有：大脉冲电流测量小电阻法、直流恒流源测量 小电阻法嘲、低频交流电流测量小电阻法啪1 。 电容：回路阻抗法、谐振法、振荡法、充放电法d 、交流电桥法、双 谐振电容测量法瞰1 。 电感：谐振法1 、相位差法1 。 二极管：主要利用二极管的正向导通性和反向截止性，测试其正向压降 和反向漏电流懈1 。 三极管：主要是测试三极管的放大倍数啪1 。 互感器：主要测试互感器的变比和角差m 1 。 变压器：主要测试变压器的源边副边的直流电阻汹1 。 组合逻辑电路测试技术：测试对象主要有：门电路、非时序的集成电路 鱼鏖【忿】 可 测试方法主要采用向量测试法和非向量测试法。向量测试法：利用反向 驱动技术，即依照被测数字电路的真值表，在门电路、集成电路的输入端瞬 间强行置高、低电平，测试其输出电平，看是否符合真值表的输出，来判断 数字电路的好坏嘲。非向量测试法是假定被测数字器件功能是正常的，仅仅 测试数字器件与电路板的连接故障的测试方法。 随着电子工业的发展，表面安装技术s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 和超大规模集成电路v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 应用越来越广，这 些都会给路内测试技术带来新的挑战。表面安装技术s m t 的p c b ；i 见 j 试点间距 非常小，接近0 1 m m ，并且双面均需测试。传统的针床不能满足上述要求。 需要开发新的夹具，研究新的测试方法。近年来国际上一些a t e 的制造商将 自动测试的三种主流方法路内测试、功能测试和边缘扫描测试合并在一个测 试系统中，如z e l m t e li n c 的8 5 0 f i 和g e n r a d 的g r 2 7 5 0 等，据称这种系统可以 探测到9 9 的故障覆盖率阮1 。 1 1 2 3u s b 设备的发展现状目前，绝大多数u s b 设备都是p c 机的外围 设备，它们只能在p c 机的控制下进行被动操作，比如打印数码相机的照 片。大多数u s b 设备必须在p c 机的控制下才能够完成工作。这是u s b 协议 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的局限所在，无法实现“点对点 的通信模式。如果这些设备增加了u s b 协 议规范所规定的主机功能，那么它们就可以实现“点对点”的快捷通信。2 0 0 1 年提出了“嵌入式主机 的概念h ，2 0 0 2 年由三家公司推出嵌入式u s b 主机 控制器，如c y p r e s s 半导体公司的s l 8 1 l m l ，p h i l i p s 公司的i s p l l 6 0 和 i s p l l 6 1 ，其中s l 8 11 是8 位的主机控制器，适合低速的、少量的嵌入式设 计，i s p l1 6 0 、l1 6 1 是1 6 位主机控制器h 习，适合低速、高速混合的嵌入式设 计。目前国内外，嵌入式u s b 主机也只是刚刚起步，只有很少的嵌入式主机 芯片，关于这方面的研究开发，也不系统，没有什么规范，更没有行业标 准。u s b 协议是一个开放的系统，在不断的发展和完善，o t g ( o n t h e g o ) 作为u s b 的补充协议被提出，使得设备具有主从机双重角色，与主机 连接就是外设，与外设连接就是主机，让u s b 设备完全脱离主机，突破了 u s b 设备的拓扑结构，完成点对点通信，这需要u s b 设备本身支持o t g 协 议。但o t g 是2 0 0 1 年草定协议，2 0 0 3 年1 月2 2 日u i f 正式发布邝一1 ， 目前几乎没有产品具有该功能；而且芯片成本很高，适宜在高端的智能设 备，例如高级打印机，高级c e l l u l a r - p h o n e ，p d a ，数码相机等消费类电子产 品中应用。 1 1 2 4 虚拟仪器的发展现状虚拟仪器是以通用计算机为核心，将计算机技 术和测量技术融合于一体，在计算机丰富的软硬件资源的支持下，用计算机 软件尽可能的代替传统测量仪器的硬件部分，用计算机的显示器代替传统测 量仪器的操作面板的一种仪器形式，它强调尽可能的采用通用计算机及其软 件来实现原先专用仪器设备的硬件功能。对虚拟仪器来说仪器与计算机之间 的界限模糊了，是对以硬件设计为中心环节的传统仪器的一场革命h 。 在虚拟仪器中计算机成为仪器的一部分，使计算机可以得到充分发挥。 通过p c 机利用w i n d o w $ 操作系统的强大图形功能可以随心所欲地构造仪器 面板，利用计算机的显示器、键盘和鼠标等进行人机交互，利用通用计算机 巨大的内存、丰富的软件、多媒体、数据库和网络通信等功能以及友好的开 发环境，进行各种数值计算和诸如频谱分析、小波分析、数字滤波等信号处 理功能。还可以根据专门用户的测试任务建立诸如数据采集、系统辨识、专 家系统等m 1 。 。 虚拟仪器最早可以追溯到1 9 7 8 年的g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c e b u s ) 通用接口总线嗍，它将不同国别厂家的可程控仪器与计算机相连，组建 自动测试系统并取得了巨大的成功。但就虚拟仪器的观点来看，它只体现了 计算机控制却没有充分发挥通用计算机的作用。1 9 8 6 年出现的v x i ( v m e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线，将取消传统仪器面板的卡式仪器插入在 冷却和电磁兼容方面具有严格规定的特殊机箱中，仪器控制、人机交互和通 信等功能都集中在计算机中! 矧。这种总线系统在软、硬件标准化，开放式结 构及仪器驱动程序设计方法的虚拟仪器软件结构( v i s a ) 等方面都做出了很 好的规范，特别是在n i 公司的l a b w i n d o w s 、l a b v i e w 和h p 公司的v e e 等 面向测试软件的支持下，深受用户欢迎，一时被称为虚拟仪器的理想平台。 但v x i 系统要求配置专门的机箱和控制器，系统价格很高，常常超出一般用 户的承受能力。因此，一种在计算机内部总线扩展槽中直接插卡的虚拟仪器 方式开始得到人们的关注，但这种方法存在的问题很多：插拔卡时需关机打 开机箱；计算机机箱内的冷却和电磁兼容环境难以满足测试仪器要求：计算 机内部总线升级过快，插卡难以跟上其升级速度；而笔记本p c 内部空间环 境更差等，于是追求一种充分利用计算机资源且不受计算机更新换代影响， 速度高又价格低的虚拟仪器构成方式就成为人们的迫切愿望璩。 随着计算机技术的迅速发展，通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 成为通用计算机的基本配置，u s b 总线支持带电插拔，即插即用，无须外接 电源，传输速率快嫩3 ，并为w i n d o w s 操作系统广泛支持等优点，无疑将成为 构建虚拟仪器最为理想的方案，为自动测试系统提供了一种理想的组建方 式，必将有力的推动虚拟仪器的发展，成为广大民营中小企业和个人创新事 业的首选。 1 2 课题研究内容 本课题来源于黑龙江省科技攻关项目。项目编号：g c 0 5 a 5 1 3 。 由于本课题的客户群为国内的中小企业，他们的经济承受能力低，又迫 切需要提高他们的产品质量，以便在市场经济的浪潮中发展壮大。因此本课 题决定组建一个面向我国中小电子企业的p c b 功能模件的路内测试系统。 本课题研究的内容主要包括： 1 路内测试系统的组建：本系统是基于虚拟仪器思想的。通过时下流 行的u s b 总线实现p c 机和路内测试设备之间的通讯。该系统由p c 机、波形发生器、高速数据采集器、路内测试仪、多路通道扫描器 和针床组成。 2 路内测试仪的理论研究和设计：主要解决两个问题，其一是要根据 被测对象自身的特点，寻找到适合的测试方法；其二是要解决被测 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 对象在其电路板上与前级、后级的隔离问题。 3 基于u s b 2 0 的数据采集波形发生器理论研究和设计：首先要深入 学习u s b 2 0 接口的通讯原理和数据采集，波形发生器的设计原理， 然后选择合适的元器件，再设计出他们的软、硬件设计方案。 4 多路通道扫描器的原理与设计：利用单片机接收p c 机发送的命令， 通过单片机，c p l d 可编程逻辑模块、二级驱动模块和锁存模块的共 同解析，得到控制信号，来控制多路通道扫描器上继电器的开闭。 5 研究针床的原理与设计：采用新型夹具。造价低廉，使用方便，便 于升级。 1 3 本文结构 第l 章对课题的背景进行讨论，阐明了课题的研究现状，介绍了课题的 研究内容。 第2 章论述了路内测试系统的总体设计，包括硬件和软件总体设计方案 两部分。 第3 章论述了路内测试系统的硬件设计，包括路内测试仪、基于u s b 2 0 的数据采集波形发生器、多路通道扫描器、系统逻辑控制器和针床的硬件设 计。 第4 章论述了路内测试系统的软件设计，包括：上位机软件和下位机软 件设计。 本课题的创新之处是：为了响应党中央关于加快发展中国的中小企业的 一系列政策，研究设计性价比较高的p c b 路内测试设备，符合我国当前中小 企业和民营企业的承受能力和需求，而且该设备还结合了虚拟仪器设计思想 和u s b 总线技术。 1 4 本章小结 本章叙述了课题的研究背景和现实意义，详细分析了p c b 检测技术、路 内测试技术、u s b 设备和虚拟仪器的发展现状，并根据产品面向的客户群， 决定采用路内测试技术组建p c b 测试系统。该系统基于虚拟仪器思想，包括 路内测试仪、数据采集发生器、多路通道扫描器、系统逻辑控制器及针床。 本章还对课题研究的内容作了归纳，为下一步工作奠定了基础和指明了方 向。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 2 1 路内测试系统设计思路 2 1 1 系统设计要求 为了兼顾系统的成本和性能，本课题对系统设计的目标做了如下规定： 1 路内测试方法能够测试p c b 上常用的模拟元器件、组合逻辑电路及由 其组成的电子功能模块，如：电阻、电容、电感、二极管、三极管、 放大器、变压器、组合逻辑电路、非时序集成电路等通用元器件。 2 能够根据元器件的标准值，允许误差范围和实际测量的结果分析判断 出p c b 上被测元器件是否存在故障。 3 输出( 打印或保存) 测试结果。 4 可以根据需要，灵活配置需要测试p c b 上元器件的个数。 5 路内测试系统能够方便的升级和扩展。 2 1 2 路内测试系统工作结构分解 为了使系统达到上述的设计目标，本课题从虚拟仪器的思想出发，进行工 作分解如图2 1 所示。 图2 - 1 系统的模块划分框图 f i g 2 1t h em o d u l e sd i v i s i o nc h a r to f s y s t e m p c 机：利用p c 机的高速数据处理的功能。因为p c 机已经广泛普及，为 本课题所研究的系统的推广降低的门槛：而且p c 机性能也越来越高，完全能 够满足本课题所要求的高速数据处理要求。时下的p c 机与外部设备连接的接 口丰富，有u s b 接1 ：3 、r s 2 3 2 接1 ：3 、1 2 c 接1 ：3 等等，特别是u s b 2 0 接口，凭 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 借其高速传输性能、使用方便等特点而得到首肯。 高速数据采集波形发生器：为了达到系统的设计目标，本课题将采用高 速的数据采集波形发生器来产生路内测试所要求的对被测元器件的激励信 号，同时能够迅速采集该被测元器件所产生的响应信号。因此数据采集波形 发生器要求波形发生精确、足够数据采样深度及高速数据传输的能力。为了能 测试p c b 上的不同元器件，数据采集波形发生器应能产生丰富的波形，以满 足不同的激励需要。为了实现足够数据的采样深度，数据采集波形发生器应 有足够的采样字长，高速的转换速度，足够的模拟输入通道，以及足够大的缓 存空间。为了实现高速传输能力，本课题将采用时下较流行的u s b 2 0 接口实 现p c 机与数据采集波形发生器之间的通讯。 路内测试仪：本课题对通用元器件的特性进行了分析，借鉴时下流行的各 种元器件的路内测试方法，针对不同元器件给出了不同的测试方法，并且系统 要有自适应功能，即：能够根据不同的元器件，系统自动选择与之相匹配的测 试方法。测试过程中，其激励信号由波形发生器产生，其响应信号由高速数据 采集器进行采集。 多路通道扫描器：为了实现系统自动化测试，本课题将设计一个大型的多 路通道扫描器，要求切换速度快、电气性能好，导通电阻小、切换干扰少，而 且具备高速、便携、良好的扩展性的要求。 针床：自动测试用的测试夹具叫做针床。时下较流行的有针床设计和飞针 设计，由于本系统设计的初衷是面向中小企业，为了降低产品的成本，将采用 简易的针床，针床设计要求成本较低，而且单独设计，以方面更换。 逻辑分析单元：对于组合逻辑电路的测试，其激励信号和响应信号都是数 字的，无需高速数据采集波形发生器：在测试过程中也无需路内测试仪的调 理，因此在系统设计过程中，可独立设计逻辑分析单元。 2 2 路内测试系统总体实现方案 2 2 1 路内测试系统的主要工作原理 p c b 路内测试系统的工作原理主要是：用户根据被测p c b 上被测元器件 的类型，在p c 机客户端程序中进行测试数据的配置，测试数据配置完成后， 系统上电，开始执行测试操作。如果被测对象为模拟元器件，则系统执行模拟 元器件测试部分，即：p c 机通过r s 2 3 2 串口总线发送指令给系统逻辑控制 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 器，经过系统逻辑控制器解析后，形成控制信号，用来控制路内测试仪和多路 通道扫描器上的继电器的通断，从而实现选择被测元器件的测试方法和测试所 需的总线。上述步骤完成后，将状态反馈给p c 机，p c 机收到反馈信号后，就 通过u s b 2 0 给数据采集发生器发送指令，数据采集发生器解析指令，决定 需要产生的波形类型和需要采集的数据，产生的波形通过测试总线传送到针床 上被测元器件的相应引脚，作为被测元器件的激励信号；同时采集被测对象产 生的响应信号，采集的数据经过转换后，通过u s b 2 0 接口传送到p c 机上。 p c 机根据被测元器件的类型，以及激励信号和响应信号，选择不同的计算公 式，得到被测元器件的参数值，该参数结果将与元器件的标准值进行比较，最 终得出被测p c b 是好是坏；如果被测p c b 存在故障，则指出故障存在的位 置。测试结果可以方便的输出或打印出来。如果被测对象为组合逻辑电路，则 执行组合逻辑电路测试部分，即：p c 机通过r s 2 3 2 接口给系统逻辑控制器发 送指令，系统逻辑控制器经过处理，形成控制信号，形成组合逻辑电路测试总 线，此时p c 机根据被测对象的类型，通过r s 2 3 2 接口给被测组合逻辑电路发 送数字激励信号，系统逻辑控制器将收到的激励信号加到被测组合逻辑电路相 应的引脚上，然后采集其特定引脚上的响应数字信号，再通过r s 2 3 2 接口传送 到p c 机上。p c 机将采集的响应信号，与对应的知识库中的向量进行比较，得 到被测数字电路是好是坏；如果被测p c b 存在故障，则指出故障存在的位 置。测试结果可以方便的输出或打印出来。 根据路内测试系统的工作原理，下节将给出系统总体的方案，明确定义各 个功能模块的功能，以及各个功能模块之问的接口定义。下面将从系统的硬 件、软件两个方面进行分析。 2 2 2 硬件总体方案 图2 2 为p c b 路内测试系统硬件方案，可以分为模拟元器件测试和组合逻 辑电路测试两大部分。 2 2 2 1 模拟元器件测试模拟元器件测试由p c 机、数据采集发生器、路内 测试仪、系统逻辑控制器、多路通道扫描器和针床等部分组成。 p c 机：利用r s 2 3 2 接口和u s b 接口的通信技术，发送指令和激励信号， 接收响应信号。利用p c 机的强大的数据处理能力，处理测试数据，加快了测 试速度。w i n d o w s 图形界面功能强大，可构建界面友好的路内测试系统客户 端，使得系统易学易用。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 2 系统硬件框图 f i g 2 - 2t h eh a r d w a r ec h a r to fs y s t e m 数据采集，发生器：采用采样深度为1 2 位的模数转换器，具有4 路模拟量 输入和2 路输出，并利用u s b 2 0 接口高速传输性能，提高数据的传输能力。 基于c p l d 的波形发生器能够产生常用的波形，如斜波、方波、三角波、正弦 波等等。 系统逻辑控制器：通过r s 2 3 2 串口接收指令，采用单片机和c p l d 技术 解析指令，形成系统需要的各种控制信号。系统逻辑控制器还包括电源管理模 块，2 2 0 v 输入，产生+ 5 v ，：l ：1 2 v 电源供路内测试仪和多路通道扫描器使用。 路内测试仪：首先根据被测元器件的特性选择不同的测试方案。然后利用 电位隔离法实现“隔离 问题，不同方案之间的自动切换通过多路通道开关的 开闭来实现，其开闭的控制信号由系统逻辑控制器提供。系统还采用自适应技 术，来提高测试精度。 多路通道扫描器：将形成4 x 6 0 的继电器阵列，用于形成路内测试仪与针 床之间的测试总线。即：路内测试仪四根测试总线上的任一根测试总线都可以 与针床上6 0 根针中的任意一根针进行双向信号传输。其扩展性强，继电器开 关切换灵活。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 针床：用来固定被测p c b 和针床上的针。选用的针应具有良好的弹性， 使得触针与被测点接触性能良好，又不会破坏被测点。 各模块之间的接口：p c 机和高速数据采集发生器之间通过u s b 2 0 接口 进行通信，用以传输指令和采集的数据，并为高速数据采集发生器提供+ 5 v 电源。高速数据采集发生器和路内测试仪之间的接口为四路a d 和二路d a ， 通过扁平电缆相连，用于传输激励信号和采集响应信号。路内测试仪和多路通 道扫描器之间的接口为测试总线，通过扁平电缆相连，用于实现路内测试方法 作用于针床上的被测对象，实现激励信号和响应信号的传输。系统逻辑控制器 与路内测试仪、多路通道扫描器的接1 3 都是为了传输控制信号，控制他们的继 电器的开闭；同时还为他们提供+ 5 v 、1 2 v 的电源。通过双排插座插针相 连。同时系统逻辑控制器与p c 机连接的接口为r s 2 3 2 接口，用于传送指令， 产生控制信号。针床与多路通道扫描器的接口都是为了实现触及被测对象特定 引脚，实现激励信号和响应信号的传输，通过扁平电缆相连。 2 2 2 2 组合逻辑电路测试组合逻辑电路测试由p c 机、系统逻辑控制器 ( 逻辑分析单元) 和针床组成。 p c 机：同模拟元器件测试( 除了使用u s b 接n j l ) 。 系统逻辑控制器：通过r s 2 3 2 串1 ：3 接收指令，采用单片机和c p l d 技术 解析指令，形成系统需要的各种控制信号。通过r s 2 3 2 串口接收激励信号，发 送响应信号。并根据实际需要，设计一个逻辑分析单元，利用反向驱动技术， 实现组合逻辑电路的测试。 针床：同模拟元器件测试。 各模块之间的接口：p c 机与系统逻辑控制器的接口为r s 2 3 2 接口。针床 与系统逻辑控制器的接口为数字测试总线，通过扁平电缆连接。另外p c 机和 系统逻辑控制器都外接2 2 0 v 电源。 2 2 3 软件总体方案 路内测试系统的软件设计主要包括两大部分，即上位机软件设计和下位机 软件设计，如图2 3 所示。 2 2 3 1 上位机程序包括系统客户端软件、u s b 接口驱动程序和r s 2 3 2 接口 驱动程序。其中系统客户端还包括：测试数据配置程序、执行测试和数据处理 程序，以及输出测试结果程序。客户端程序要求能提供友好的客户界面、方便 的测试数据配置、自动的测试过程和测试数据处理过程、测试结果能方便的输 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 出和打印。u s b 2 0 接口驱动和r s 2 3 2 接口驱动要求能够正确驱动u s b 2 0 接 口电路和r s 2 3 2 接口电路，使他们能够进行正常的通信传输。 2 2 3 2 下位机程序包括u s b 固件、系统逻辑控制固件。 u s b 2 0 接口固件程序用于解析p c 机通过u s b 接口发送来的命令，控制 高速数据采集发生器的何时在哪个通道上进行何种信号的发生和何时采集哪 个通道上的数据，并控制其进行相应的a d d a 转换。 客户端程序 测试数据配置程序 执行测试程序 i 输出测试结果程序 iu s b 2 0 接口li r s 2 3 2 接e l l 上位机程序 i 驱动程序 fl 驱动程序 l l _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ j o 。一 下位机程序围圈 图2 3 系统软件框图 f i g 。2 - 3t h es o f t w a r ec h a r to fs y s t e m 系统逻辑控制固件用来解析p c 机通过r s 2 3 2 接口发送来的命令，根据被 测对象的不同，分别进行不同的处理。如果被测对象为模拟元器件，则解析命 令，控制生成相应的控制路内测试仪和多路扫描器的控制信号；如果被测对象 为组合逻辑电路，则解析命令，生成组合逻辑单元的控制信号，并通过r s 2 3 2 接口接收来自p c 机的数字激励信号和发送被测组合逻辑电路的响应信号给p c 机。 2 3 本章小结 本章给出了系统的设计要求，并根据该设计要求进行了系统工作结构分 解，然后进一步给出了系统的软、硬件总体设计方案，并作了全面详细的论 述，明确了各个模块要实现的功能，定义了各个功能模块之间的接口，为下一 步详细设计p c b 路内测试系统做了一个很好的铺垫。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 根据上一章给出的路内测试系统硬件总体设计方案，本章将对其中提到的 硬件功能模块进行详细设计。 3 1 基于u s b 2 0 的数据采集发生器硬件设计 3 11 芯片的选择 3 1 1 1 主控芯片的选择目前市面上有很多的u s b 接口芯片，它们需要在外 部的微控制器的控制下进行操作，如果微控制器的工作频率较低，势必影响数 据传输速度。c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片中的f i f o s 不需要微控制器的控制就能直接与 外围电路进行数据传输。解决了u s b 高速模式下的带宽问题。这也是本课题 选用该芯片为主控芯片的主要原因。 c y p r e s s 公司生产的e zu s bf x 2 系列芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 ，包括了1 个兼容 增强型8 0 5 1 、1 个u s b 2 0 收发器、1 个串行接口引擎( s i e ) 、8 5 k b 的 r a m 、4 k b 的f i f o 、1 2 c 总线、两个r s 2 3 2 串口及1 个通用可编程接口 ( g p i f ) 。 其中u s b 2 0 串行收发引擎s i e 具有收发数据、自动处理u s b 协议、数据 序列化和错误校验等功能，并且在s i e 内部嵌有描述符，在没有固件程序存在 的情况下，它可以作为预设u s b 设备与计算机通信。通用可编程接口g p i f 能 够与a t a 、u t o p i a 、e p p 和p c m c i a 等接口通信，并能与a s i c 、d s p 等直 接相连。 此外，芯片内部的从f i f o 采用灵活配置机制，默认情况下定义了7 个端 点，3 个6 4 字节的端点缓冲区e p 0 、e p l i n 、e p l o u t 和4 k b 的可配置的缓冲 区e p 2 、e p 4 、e p 6 和e p 8 。e p 0 是默认的控制传输端点，双向传输。e p l i n 、 e p l o u t 支持批量、中断和同步传输，e p 0 、e p i