基于PXI总线的数字电路故障诊断系统

自上世纪50年代以来，随着微电子技术、通信技术及计算机网络技术的发展和大规模集成电路的广泛应用，电子设备数字电路故障维修越来越复杂，测试难度越来越大。与此同时，数字电路的测试与诊断研究也取得了突破性的进展，属于组合电路测试生成算法的伪穷举法、布尔差分法、特征分析法、随机测试法、D前沿敏化法以及因果函数法，属于时序电路测试生成算法的时间帧展开方法和基于仿真的方法等，使数字系统的诊断理论趋于完善。但数字电路故障诊断的计算工作复杂，测试开销巨大，在工程实践中仍存在很多困难。因此，如何利用这些理论和测试方法更好更快地进行故障诊断，是目前亟待解决的问题。自动测试设备（ATE）的发展是测试技术的一次革命，带来了测试设备的成熟，为测试诊断理论在工程应用上提供了新的前景。

航天测控公司针对数字电路自动测试系统的开发需求，数字电路中较为复杂的时序电路测试为侧重点，将含有CPU、FPGA等的数字电路作为测试对象，结合目前常用的时序电路仿真方法，成功研制一套基于PXI总线技术的便携式自动测试系统（HTEDS8300便携式PXI总线数字电路板测试诊断系统）。该系统具备性价比高、体积小、易携带、TPS开发难度小等特点，适用于军用和民用领域的半导体、航天/国防、通讯才消费电子产品的设计验证、测试和维修。下面具体介绍HTEDS8300便携式PXI总线数字电路板测试诊断系统的软硬件组成和特点，并应用该系统实现对含有CPU的数字电路板的自动测试。

PXI（PCI Extensions for Instrumentation）是一种用于测量和自动化系统领域的基于PC的模块化仪器平台。它结合了PCI总线的电器性能和CompactPCI的坚固、模块化、欧卡机械特性，并且增加了适合仪器使用的触发总线、局部总线等硬件特性，使其扩展成为一种用于测量和自动化系统的高性能、低成本的开发平台。HTEDS8300便携式PXI总线数字电路板测试诊断系统采用PXI机箱内嵌控制器，结构轻便小巧，易于携带。

本系统采用功能测试法，直接利用电路的输入和输出接口作为激励点和响应点，通过与预期响应比较，判定被测板是否工作正常，并将故障定位到最小可更换单元。对于电路板中的内部节点，可以通过夹具、探笔等设备连接。

系统配置了4块数字I/O模块，用于数字电路数字信号的发送和采集。考虑到一般的CPU电路板至少含有32位地址线和32位数据线以及其他的控制线，系统配置了104个数字I/O通道，拥有50MHz的最大数据速率，最大可扩展到352个通道。在测试含CPU、FPGA的数字电路板时，测试端口需要根据时序改变方向，测试系统具有实时动态输入输出方向的测试能力，并且可以对采集到的响应数据进行实时硬件比较。

目前大部分数字电路板都带有边界扫描端口的芯片，为了适应这类电路板的测试需求，系统提供了遵循IEEE1149.1的边界扫描测试通道。

另外，系统中配置了数字示波器模块，这主要是考虑到在数字电路测试中，尤其是高速数字电路的测试中都需要使用示波器来观察动态波形，测量波形上升/下降时间等特征值，从而为故障诊断提供依据。测试系统还配置了6.5位数字多用表，能够测量电压、电流、电阻、电感、电容和阻抗。这样，测试时系统中不同资源如数字I/O和示波器能够同步工作，自动测试方法更加灵活多样，能够满足用户对复杂数字电路的测试需求。

系统配有外置的电路板测试夹具，该夹具可自由旋转180度，方便测试人员在分析和测试电路板时，能够把电路板固定住，并且翻转电路板来测量电路板的两面。

该系统适用于各类型数字电路板的测试与诊断，并将故障隔离定位到发生故障的最小可更换单元（元器件），测试范围包括：中、小规模集成数字电路PCB；含中、小规模可编程逻辑系列芯片；含具有边界扫描接口的大规模集成电路、CPU芯片、DSP信号处理电路的PCB、以及其它种类的数字电路PCB。

系统软件主要由测试诊断程序（TPS）开发、测试诊断程序执行、综合查询、信息共享、系统维护、系统安全保障、在线帮助7大部分组成。能够实现多种类型PCB的测试诊断程序的开发与执行，系统通过测试得到的信息，经过测试诊断程序的分析判断，完成对PCB的故障检测与定位。

为了使电路板测试与维修人员打破通过编写代码程序完成电路板测试诊断的传统，降低开发人员编辑TPS的技术难度，软件平台采用了图形化TPS编辑环境，提供一个通用开发环境，能够完成不同类型的电路TPS的开发、调试与运行，系统软件能够利用数字电路仿真软件输出的标准IEEE1445格式数据对电路板进行测试，提高了TPS开发人员的工作效率和开发质量。

软件平台提供可视化界面向导功能，利用平台提供的各种流程模块配合相应的功能组件，用户只需输入专家知识及必要的其它信息即可建立一个具体的诊断程序。开发人员不需要学习和进行复杂的源程序编码就可以完成TPS开发，避免了以往一个电路模块对应一套诊断软件的弊端，具有很强的通用性和可扩展性。

目前大多数数字电路板测试系统基本上都是针对不带CPU、FPGA的数字电路板进行测试和故障诊断，这类电路板所具有的共同点就是响应与激励一一对应，即由程序控制自动测试设备向电路板输入信号，当电路板的输入确定时，电路板产生相应的输出信号，根据这种固定的输入输出关系很容易判断电路板的故障，并判断故障节点。但是对于带微处理器件的电路板，不能简单的使用这种测试方法在ATE设备上进行故障检测。由于微处理器采用三总线或者编程端口对电路进行控制，因此这类电路板的输入输出的时序并不是固定的，也就导致每次输入激励和输出响应不一定是一一对应的。针对这个问题，判断故障时必须对总线信号或端口信号进行可靠控制，以保证每次均是同步测试，也就是要保证每次输入激励信号在时序上是一致的。这样再和预期响应信号比较时才不会因为时序差别而错误判断故障。

微处理器的控制信号实际上是数字信号，而测试系统能提供104路以上的动态I/O信号，因此可以采用测试系统的I/O信号模拟微处理器各管脚信号，驱动电路中的其他功能模块，从而达到模拟微处理器件时序，完成同步测试的目的，并有效检测出其他功能模块的故障。如果其他功能模块均正常而电路板不能工作，则可将故障定位到微处理器上。

以某CPU装备板为例，验证系统的I/O测试能力。该电路板CPU通过串并行总线控制FLASH、温度传感器和驱动电机。

电路原理框图

平台可以选择I/O信号电平电压、每周期改变I/O信号方向，在软件提供的图形化开发环境编辑测试激励及响应信号，并采集响应信号，以交互式的方式对电路板进行测试。该系统能够准确定位电路板故障，有效提高了测试效率。