劉春來 張 東 史宏亮

(北京自動測試技術(shù)研究所 100088)

1 引言

印制電路功能板(PCB)是電子產(chǎn)品的重要組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是數(shù)字技術(shù)及各種超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，電子儀器、設(shè)備尤其是軍用電子裝備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。雖然電子儀器、設(shè)備的性能得到提高，但是對測試和維修保障也產(chǎn)生了測試流程復(fù)雜、測試時間長、維修保障困難等諸多難題，這些都嚴(yán)重影響了電子儀器、設(shè)備的完好性和壽命周期。

電路板（PCB）級功能測試是指對被測電子線路板（或功能模塊）提供模擬的運行環(huán)境，使目標(biāo)板工作于設(shè)計狀態(tài)，從而獲取輸出信號，進(jìn)行驗證目標(biāo)板的功能狀態(tài)。簡單地說，就是對目標(biāo)板加載合適的激勵，測量輸出端響應(yīng)是否合乎要求。同時也能對一些可調(diào)參數(shù)的元件(如電位器、可調(diào)電感)進(jìn)行參數(shù)值的調(diào)整，進(jìn)行功能測試時需要按正常工作方式接通電源，通過從輸入端施加若干測試激勵，觀測其相應(yīng)的輸出響應(yīng)，并與預(yù)期的正確結(jié)果進(jìn)行比較，以判定電路板是否滿足設(shè)計要求。如有故障，則找出故障產(chǎn)生的原因并進(jìn)行維修。

本文研究了一種適合于目前電子產(chǎn)品需求的電路板板級功能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PXI總線為主要接口形式，利用FPGA及相關(guān)硬件實現(xiàn)對電路板快速、準(zhǔn)確的功能測試，實驗結(jié)構(gòu)證明了系統(tǒng)可實現(xiàn)測試界面的可視化，并極大提高了電路板板級功能測試的效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

電路板功能測試的基本原理是暗箱原理，如圖1所示，即被測對象是一個“神秘”的不可及“暗箱”，在不允許打開“暗箱”的情況下又要了解“暗箱”中的奧秘。因此，只能通過對它施加激勵信號后產(chǎn)生輸出響應(yīng)來完成對系統(tǒng)的分析。根據(jù)測試原理圖，可知電路板測試系統(tǒng)要完成如下四步工作：

① 向被測對象送出測試的激勵信號(測試矢量)。

② 接收被測對象在激勵信號下的響應(yīng)信息。

③ 根據(jù)激勵與響應(yīng)之間的關(guān)系分析并“決策”下一個激勵矢量。

④ 根據(jù)激勵矢量序列來確定故障的地點和類型。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

電路板功能測試的主要問題是如何實現(xiàn)被測電路板與測試系統(tǒng)的連接。由于電路板接口種類眾多，且信號數(shù)量龐大，數(shù)據(jù)信號速率高，電源信號功率大。針對系統(tǒng)這一特點，本文采用了國際通用的PXI標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，在保證系統(tǒng)信號傳輸?shù)母咚傩阅芎涂煽啃郧疤嵯拢瑫r也增強(qiáng)了測試系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展性。因待測試電路板都是基于標(biāo)準(zhǔn)總線的(PXI、VXI、CPCI等)，系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線測試區(qū)提供了各種標(biāo)準(zhǔn)總線的工裝。每種電路板可直接安裝于測試系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)被測電路板的功能編寫測試程序并利用非標(biāo)準(zhǔn)總線測試區(qū)的各種儀表對其進(jìn)行測試。適配器分布以及適配器與系統(tǒng)連接方式如圖2所示。

圖2 適配器與系統(tǒng)連接方式框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)主要包括主控IPC、測試儀器（硬件模塊構(gòu)成）、系統(tǒng)軟件、測試連接裝置等部分。系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

圖3 功能測試系統(tǒng)硬結(jié)構(gòu)框圖

PCB測試系統(tǒng)的硬件平臺由主控計算機(jī)、測試儀器、通用測試接口連接裝置等部分構(gòu)成。主控計算機(jī)完成測試控制、故障診斷、控制用戶界面、和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)管理等任務(wù)。測試儀器通過測試總線與主控計算機(jī)連接，在主控計算機(jī)的控制下完成測試任務(wù)。通用測試接口連接裝置由通用接口電路、接口適配電路和連接裝置構(gòu)成，通過信號轉(zhuǎn)接等將被測電路板的信號接入測試系統(tǒng)，必要時還需要對信號進(jìn)行調(diào)理、變換。測試軟件完成人機(jī)交互、硬件控制、測試控制、數(shù)據(jù)管理等功能。

通用測試接口分為標(biāo)準(zhǔn)總線測試區(qū)與非標(biāo)準(zhǔn)總線測試區(qū)。非標(biāo)準(zhǔn)總線測試區(qū)中，測試系統(tǒng)中所有硬件資源的輸出連接至最終面板，為操作者提供統(tǒng)一的操作接口定義。根據(jù)被測電路板或系統(tǒng)的不同，操作者可根據(jù)需求連接所需的資源制作適配器。針對每一種電路板或系統(tǒng)的輸入、輸出信號排布，測試人員可制作一個測試適配器與測試系統(tǒng)的信號輸出面板相連接，與測試系統(tǒng)信號輸出面板相連接的適配器示意圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)信號輸出面板

4 系統(tǒng)軟件

軟件系統(tǒng)是功能測試系統(tǒng)研究項目的重要組成部分，分上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中，上位機(jī)軟件利用LabVIEW編寫。采用虛擬儀器圖形化編程來實現(xiàn)系統(tǒng)的大部分功能，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和測試結(jié)果管理部分都是依靠軟件系統(tǒng)來完成。LabVIEW的基本單位是VI，LabVIEW可以通過圖形化編程的方法建立一系列的VI，進(jìn)而完成用戶指定的各項測試任務(wù)。用LabVIEW編制出的VI是分層次和模塊化的，對于同一個VI，可以將其作為頂層的程序，也可以用做其他程序或子程序的子程序。用戶通過上位機(jī)軟件設(shè)定測試項目。向下位機(jī)發(fā)送測試命令，接收下位機(jī)上傳的測晟數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出測試結(jié)論。下位機(jī)軟件包括接口通信程序、SPI驅(qū)動、A/D配置、I/O配置等。用于接收上位機(jī)通過USB總線傳送過來的命令?？刂聘鱾€模塊正常工作．按照從上位機(jī)接收到的指令生成激勵信號，測量激勵信號在每個測點產(chǎn)生的響應(yīng)，并將測量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。

根據(jù)測試系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和系統(tǒng)軟硬件的規(guī)劃，測試系統(tǒng)軟件主要包括如下功能：

①參數(shù)設(shè)置；②模擬檢測；③數(shù)字檢測；④自動檢測；⑤信號存儲及報表生成；⑥分析與診斷。

電路板功能測試的一個重要難點是如何生成測試程序及功能測試圖形，以快速的對被測單元進(jìn)行檢測。測試圖形“學(xué)習(xí)法”對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行針對性設(shè)計，測試系統(tǒng)對已知被測電路板施加激勵的同時，可自動學(xué)習(xí)輸出信號，從而達(dá)到縮短編程時間的效果。對于被測電路板資料缺失的現(xiàn)象，基于學(xué)習(xí)法的測試過程可準(zhǔn)確的測試未知電路板是否存在故障，并對電路板進(jìn)行分析。

基于上述技術(shù)路線研制的電路板功能測試系統(tǒng)，易于對各種類型電路板進(jìn)行功能測試分析。針對每種電路板的測試軟件開發(fā)流程：

①被測電路板 進(jìn)行分析提出測試需求并設(shè)計測試流程；

②跟據(jù)測試需求確定硬件資源的使用情況，構(gòu)建測試接口連接裝置；

③依據(jù)測試流程開發(fā)測控軟件；

④ 完成功能測試過程并進(jìn)行分析。

測試程序的編寫流程如圖5所示。

圖5 測試程序編寫流程

5 總結(jié)

本文研究了一種電路板板級自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。針對電路板測試要求可視化、性能穩(wěn)定、便于移植等特點，構(gòu)建了基于LabVIEW、NI數(shù)據(jù)采集卡的電路板自動測試系統(tǒng)。自投入運行以來，無論在經(jīng)濟(jì)性、實時性、開放性還是整個系統(tǒng)的信息集成方面，都取得了很好的應(yīng)用效果，各項控制指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求精度，滿足了系統(tǒng)測試要求。

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