电子装备数字电路板自动检测仪设计

1 引言
    电子装备在海军舰艇上应用广泛，如观通、导航、指挥控制、电子战和武器控制等，属于舰艇关键设备，电子装备以其智能化、小型化、高速、高复杂度的特点，在大幅度提高舰艇生命力和作战效能的前提下，也为舰艇维修保障部门和人员带来了巨大的挑战。随着部队信息化建设的不断普及与深入，武器装备的维修保障技术正在发生新的变化口_引：自动测试系统及设备ATE(Automatic　Test Equipment)、便携式维修辅助PMA(Portable Maintenance Aids)、交互式电子技术手册IETM(Interactive Electronic　Technical Manual)等已经成为武器装备维修领域的研究热点。ATE是以计算机为基础的故障诊断技术设备，投入使用后，加速了测试过程，提高了维修速度，还可以预防未发生的故障，进而提高装备的质量和性能。舰艇电子装备中的电路板存在多种类型，这里仅考虑针对单纯的数字逻辑型电路板ATE设备的设计。

2 系统总体设计
    测试单纯的数字逻辑型电路板，首先需要找出电路板接口引脚上的信号特性，如信号电平(TTL型、CMOS型等)、信号方向(输入、输出或双向)、信号功能(电源信号、逻辑信号)，在此基础上通过电路原理图分析电路板功能，设计测试向量，以确定响应向量。信号特性及电路原理图的获取有以下途径：(1)由电路板研制设计单位提供；(2)使用测量仪表手工测绘。
    ATE测试的原理就是向电路板输入测试向量，获取相应的输出向量，将此输出向量与正常的响应向量相比较，结果一致表明电路板无故障，否则表明该电路板已损坏。整个过程由ATE自动完成，因此效率高，但测试向量的完备与否对故障诊断结果有重要影响。该ATE设备是针对某电子装备系统而研发的，其结构框图如图1所示。

    从图1可见，ATE由信号发生、信号采集、与上位机的USB通信以及用于连接被测板的接插件4大模块组成。信号发生模块和信号采集模块采用单片机AT89S51+FPGA的技术方案实现，因此整个测试系统是一个PC机→单片机→FPGA→被测板的4级结构。USB通信模块选用USB/RS－232转换器实现，AT89S51串口经电平转换电路转换为RS-232接口后连接到USB／RS－232转换器。接插件模块主要考虑与被测板连接的电气与机械特性。

3 关键模块设计
3．1 信号发生模块设计
    该模块由单片机控制桥(AT89S51)、测试向量存储器(静态存储器HM628128x2，排列方式为256 Kx8 bit)、信号发生FPGA(Altera公司Cyclone系列PLD器件EP1C3)、通道控制CPLD(Altera公司MAX7000系列PLD器件EPM7128S)及三态选通门阵列(74LS126x16)组成，模块组成结构如图2所示。

    单片机控制桥收到上位PC机传来的测试向量后，将其写入测试向量存储器(单片机内的存储器不够用)，并将被测电路板的引脚信号特性数据写入通道控制CPLD。由CPLD控制三态门阵列的选通端，三态门阵列的输入数据由信号发生FP-GA提供，FPGA接收到控制桥的信号发生命令后，从测试向量存储器取出测试向量送往三态门阵列。控制桥重用FPGA访问测试向量存储器的总线，为防止两者对存储器的访问冲突，用信号Ctrl0和Ctrl1进行开关控制，当Ctrl0=0且Ctrl1=0时，控制桥掌控存储器的访问总线，否则由FPGA掌控。
    这里要解决的关键问题之一是自动配线问题。由于各块电路板的输入输出引脚不固定，自动配线除了保证信号送达被测板相应的输入通道外，需要避免信号发生模块将信号输出到被测电路板的输出通道，以防止损坏被测板。设计中该问题通过三态门的高阻态得以解决。
3．2 信号采集模块设计
    由于被测板是单纯的数字逻辑电路，电路板的输出信号是数字信号，因此信号采集时无须A／D转换，只需按照一定的采样周期采集输出信号即可。由于单片机数据输入口的位宽一般仅为8位，为了保证采样速度，利用FPGA器件的内在并行性快速采集输出信号，并存入存储器中，在到达测试深度后，FPGA向单片机发送中断请求，单片机从存储器中读取采集到的输出信号，通过USB传送到上位PC机。该模块组成结构如图3所示。

    与信号发生模块类似，单片机控制桥重用FPGA访问输出向量存储器的总线，为了避免总线访问冲突，控制桥利用控制信号Ctrl0和Ctrl1，当Ctrl0=0，Ctrl1=0时，控制桥掌控访问存储器的总线，否则由FPGA掌握该总线。

4 系统工作原理
4．1 系统工作过程
    ATE测试的基本原理：向被测板输入测试信号，然后获取被测板的输出信号，并与响应信号相比较，依据两者是否完全一致，判断被测板有无故障。ATE工作过程如下：
    (1)完成硬件连线：PC机与ATE的USB连接，被测板与ATE插接，电源连接；
    (2)在上位PC机上运行ATE测试控制软件TCS(Test Con-trol Software)，TCS中已经预先录入每块待测板的型号，维修人员选择电路板型号，点击启动测试按钮；
    (3)TCS将该型号电路板的引脚信号特性、测试向量、响应向量、触发字、触发方式、采样周期、采样深度、信号发生周期等测试数据和参数从数据库中读出，并将除响应向量外的数据和参数分别发往信号发生模块中的单片机AT89S51和信号采集模块中的单片机AT89S51；
    (4)AT89S51单片机通过配置FPGA完成系统的自动配线工作；
    (5)TCS依先后顺序向信号采集模块和信号发生模块的单片机发送开始测试命令；
    (6)TCS在收到信号采集模块传来的数字逻辑电路板输入输出向量后，以波形方式显示采集到的数据，并将输出向量与从数据库中读人的响应向量相比较，依据两者是否一致，得出被测数字逻辑电路板是否完好的诊断结果。
    上述(3)～(6)项由ATE自动完成。
4．2 测试向量与响应向量设计
    测试诊断结果的正确与否也与测试向量的完备性有关，测试向量可由两种方式获得：
    (1)向量空间完全集方式设电路板输入管脚的数量为n，则n根信号线的信号组合共有2n种，即测试向量空间为集合{0，1，2，…2n-1}，取此集合的所有元素作为测试输入向量，该方式可以由机器自动完成。
    (2)人工方式由人工分析电路板的逻辑功能。以每个逻辑门、触发器等器件的各种状态能够完全遍历为原则，设计测试输入向量，对时序逻辑电路板还需确定复位存储功能器件的复位向量，由此获得整个电路板的测试输入向量。
    人工方式获得的测试向量的规模比向量空间完全集方式要小很多，有利于节约时间和存储空间，且人工方式设计的测试向量对时序逻辑电路来说更容易反映电路板的功能特性。因此该电子装备系统数字逻辑电路板的测试向量全部由人工方式分析、设计而得。
    判断测试结果所需要的响应向量也有两种方式：(1)响应向量由ATE测试无故障板获得并保存，作为测试维修时比对的基准，此种方式可以由机器自动完成；(2)根据人工分析，确定测试输入向量相对应的响应向量，此响应向量还需与ATE测试无故障电路板获得的电路板输出向量进行人工比对，两者一致，才能确定该响应向量是正确可用的。
4．3 测试结果自动比较设计
    为实现ATE测试所得输出向量与响应向量之间的自动比对，在测试向量中引入虚信号BASE，该信号在测试向量的每步之间跳变，将该信号送往ATE上空闲的第64路信号口。采集到的响应向量(无故障板)和输出向量(被测板)中包含BASE信号，此信号成为步长指针，信号的两次跳变之间的时间成为一个窗口，该窗口代表测试步骤中的一步，用此窗口分别截取响应向量和输出向量，再进行比较，即可实现软件自动诊断。这种自动诊断方式能够处理单步中出现单稳的情形。至此整个测试过程完全实现自动化，可在1分钟内完成单块数字电路板故障检测工作，操作简单，工作效率高。

5 结束语
    针对某电子装备系统数字逻辑电路板而设计的ATE，能够完成该系统中所有数字电路板的故障测试工作，测试过程自动完成，高效经济，能够满足战时该电子装备系统中数字电路板的快速维修任务，操作简便，实际应用效果良好。该ATE在以下方面还可进一步改进：(1)对接插件模块进行改造，将该ATE用于舰艇上其他电子装备系统数字逻辑电路板的维修工作，这是下一步的工作重点，即将该ATE由某电子装备系统的专用数字电路板维修自动测试设备，改进为该舰艇上所有电子装备系统数字逻辑电路板的通用ATE；(2)该ATE目前尚只能用于较低速数字电路板(20 MHz以下)的故障测试，需要进一步改进；(3)在前述基础上，可以考虑改进、研制成我国海军在役主要舰艇上电子装备系统数字逻辑电路板的通用ATE。