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通用電路板自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

發(fā)布時間:2011-11-07

中心議題:

  • 電路板自動測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
  • 電路板自動測試系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

解決方案:

  • 針床設(shè)計
  • 信號采集
  • 信號傳輸和控制協(xié)議
  • 系統(tǒng)的軟件設(shè)計


本文介紹了一種通用的電路板自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)從針床到測試軟件的各個環(huán)節(jié)都采用了開放型的設(shè)計,通用性很強,可以用于多種電路板的自動測試;具有高達(dá)2 Gs/s 的信號采樣率,可以比較準(zhǔn)確地采集頻率為153 MHz 的信號,用于多款電路板的測試。

電路板已經(jīng)成為當(dāng)今電子產(chǎn)品的重要組成部分,隨著電子技術(shù)及印制板制造技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代電子產(chǎn)品日趨復(fù)雜,印制電路板的密度日趨增加,隨之而來的是印制板的測試及修理也愈加困難。為了提高印制電路板的檢測及維修的自動化程度,設(shè)計電路板的自動測試系統(tǒng)是非常必要的。

目前,印制電路板自動測試技術(shù)發(fā)展迅速,印制板在線測試系統(tǒng)(ATE)廣泛應(yīng)用于印制板光板及各種產(chǎn)品的印制電路板的生產(chǎn)、檢測和維修等環(huán)節(jié)。由于用戶的測試要求、測試對象各不相同,其具體性能(或功能)、測試原理及測試方法也各不相同,它需要量體裁衣、單臺定制才能滿足用戶的要求,并且系統(tǒng)的通用性較差,資源可重復(fù)利用率低。鑒于上述狀況,本文設(shè)計了一款較為通用的自動測試系統(tǒng),用來測試電路板是否工作正常,實現(xiàn)了對多款電路板的在線測試。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體考慮
本系統(tǒng)的主要目的是測試電路板是否工作正常,是通過對電路板上關(guān)鍵信號進行測試來達(dá)到的。因此,本系統(tǒng)的任務(wù)就是對電路板上的關(guān)鍵信號進行采集,通過PC 端的軟件進行分析得出測試結(jié)果。系統(tǒng)分為針床、信號采集和傳輸模塊、測試軟件3個部分。作為一個通用的測試系統(tǒng),在3 個部分中均考慮了較強的通用性。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。系統(tǒng)的工作原理是:通過針床將待測信號導(dǎo)出,F(xiàn)PGA 通過控制多路模擬開關(guān)將待測信號采集進來,將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)協(xié)議傳送到PC 機,用自動測試軟件測試各個信號是否正常。

由于待測信號的頻率相差較大,有直流信號,也有頻率高于103 MHz 的脈沖信號,以及在其間的多種頻率的信號,因此本系統(tǒng)采用低頻和高頻2 組信號采樣電路,來適應(yīng)不同信號采集的需要。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 針床設(shè)計
針床是電路板測試系統(tǒng)的重要部件,是電路板信號導(dǎo)出的平臺。針床的通用性較差,一般是每種電路板對應(yīng)一個特定的針床,這使系統(tǒng)的通用性受到很大的限制。為使針床具有一定的通用性,本系統(tǒng)中對針床的相關(guān)部件進行了一些改進:

(1)探針設(shè)計。探針見圖2 a。本探針是以目前市場上的探針為基礎(chǔ)、自行設(shè)計的內(nèi)含彈簧的探針,易于固定,信號導(dǎo)出方便:
探針的一端為探頭,是與電路板接觸,并導(dǎo)出信號的部分;另一端是固定座,是絕緣體,中空,內(nèi)含彈簧,使探頭能夠伸縮;中間為信號的導(dǎo)出端子。為減少各個信號間的干擾,導(dǎo)線均采用屏蔽線。為適應(yīng)不同信號要求,按粗細(xì)和允許的信號帶寬要求探針分為多種型號,使用時根據(jù)需要對探針型號進行選擇。
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(2)探針的固定:在本系統(tǒng)的針床上,探針的固定是采用兩塊相同的探針固定板和4 塊擋板組成,固定板和探針的固定示意圖見圖2 b 和圖2c:固定板的大小與待測板相同,板上固定孔位置需根據(jù)電路板的技術(shù)文件來確定,孔的大小需根據(jù)選取探針的型號來決定。擋板可以在整個針床的底座上進行移動調(diào)整,以適應(yīng)不同尺寸電路板的固定要求;擋板的寬度,前后兩個為233 mm,左右兩個為73 mm。

2.2 信號采集
電路板上輸出的待測信號主要有三類:電源信號、脈沖數(shù)字信號、電平變換信號。此外還有一些頻率較高的模擬信號,如音視頻信號,此類信號一般不作為關(guān)鍵測試信號,若需測試時可按高頻信號進行采集。其中電源信號和電平變換信號均可視為直流信號來采集,用 AD7864 完成采集。而脈沖數(shù)字信號的頻率較高,動輒就幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲,需要用高速的AD(本系統(tǒng)中用的是AT84AD331) 來進行采集,并且需要對頻率進行測量。因此本系統(tǒng)信號采集分為低頻和高頻兩個部分,下面分別敘述:

(1)低頻部分。本部分主要采集的是電源信號和電平變換信號,采用AD7864 作為采集芯片。AD7864 具有片內(nèi)時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內(nèi)部精確的2。5 V 參考電壓,這使得其與高速處理器的接口變得非常簡單。AD7864 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀取采用轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)的方式,其讀取時序見圖3。

采集到的數(shù)據(jù)為D3~D11 共12 位,需根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來計算電壓值,計算公式如下:

當(dāng)D11 位為3 時,電壓為正值,計算公式為:

當(dāng)D11 位為1 時,電壓為負(fù)值,計算公式為:

以上兩式中D 為讀取的12 位數(shù)據(jù),FSR 為AD7864 的測量范圍,本例中為23 V(測量范圍為V)。
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(2)高頻部分。主要是對脈沖數(shù)字信號的采集,包括頻率測量和信號采集兩個部分。脈沖數(shù)字信號的頻率是確定電路板是否工作正常的重要參數(shù),因此確定脈沖信號的頻率是否正常是本測試系統(tǒng)的必要工作。本系統(tǒng)是將待測信號接入FPGA 與53MHz 的高精度時鐘同時開始計數(shù),一段時間后,通過兩個信號的計數(shù)值來計算脈沖信號頻率的。信號采集是以AT84AD331 作為采集芯片。AT84AD331 與EP2S63 的連接見圖4。

AT84AD331 可以配置成I 路和Q 路單獨使用,此時可以同時采集兩路信號,最高采樣率為1 Gs/s;也可以配置成I 和Q 路的交錯采樣,此時只能采集1 路信號,等效采樣率為2 Gs/s,使用時可以根據(jù)需要對該芯片進行在線配置。FPGA 對AT84AD331數(shù)據(jù)讀取時序見圖5。

由于AT84AD331 輸入信號為差分信號,且信號峰峰值要求不超過533 mV。電路板上的待測信號都是單端的并且峰峰值一般在4 V~5 V 之間。本系統(tǒng)中采用了13∶1 的變壓器耦合輸入方式,可以完成單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換,并且使信號電壓滿足要求。

在FPGA 內(nèi)部完成對LVDS 信號的讀取、組合、排序以及存儲等操作。一般情況下存儲的采樣點的值在1 333 以內(nèi),然后對這些采樣點的值進行計算,可以得到實際電壓值,計算公式如下:

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2.3 數(shù)據(jù)傳輸和控制協(xié)議
系統(tǒng)中待測信號較多,低頻和高頻部分分別是32 個,而數(shù)據(jù)采集芯片都只有一個,各個信號都是由FPGA 控制模擬開關(guān)分時地進行采集的。為使各個通道的數(shù)據(jù)存儲、傳輸和控制有序地進行,在FPGA 中為每一個信號都設(shè)置了工作狀態(tài)控制模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊(以下稱為寄存器和數(shù)據(jù)存儲器)。本系統(tǒng)中所有控制過程的命令都是從PC 端發(fā)出的,F(xiàn)PGA 接收控制指令后,按指令進行相應(yīng)的操作。

(1)寄存器和數(shù)據(jù)存儲器介紹。FPGA 對每一路信號都設(shè)有5 bit 的控制寄存器、12 bit 的最終結(jié)果寄存器和16 bit 的原始數(shù)據(jù)存儲器。此外在高頻部分還擁有一個公共的高速采樣數(shù)據(jù)的存儲器,大小為1 kB,及其對應(yīng)的一個8 bit 的控制寄存器。5 bit的控制寄存器每個通道只設(shè)有一個,該寄存器D3 位為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志(1 有效),其余4 位為控制位,各位的功能見表1,每一位都是1 為肯定,每一位都可通過PC 端發(fā)來的控制指令更改,F(xiàn)PGA 只能向D3 位寫1 ,表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。上電或復(fù)位后該寄存器值為33333B。


表1 5bit控制寄存器的位功能

12 bit 的最終結(jié)果寄存器每個通道也只設(shè)有一個,該寄存器的值是向PC 機發(fā)送的最終結(jié)果。該寄存器的數(shù)據(jù)在低頻和高頻部分,存放的數(shù)據(jù)不同:低頻部分存放的是13 次采樣結(jié)果的平均值,高頻部分存放的是計算后的頻率值。

16 bit 的原始數(shù)據(jù)存儲器,其低頻和高頻部分的數(shù)量是不相同的:高頻部分一般是2 個,分別用來存放標(biāo)準(zhǔn)和待測時鐘的計數(shù)值;低頻部分為13 個,用來存放13 個采樣點的值,12 bit 的最終結(jié)果寄存器的值是根據(jù)這13 個數(shù)據(jù)的平均值。

高速采樣數(shù)據(jù)存儲器是高頻部分的32 路共有的,由于波形采樣的數(shù)據(jù)量比較大,本系統(tǒng)設(shè)計時在同一時刻只允許采樣1 路信號,采樣點數(shù)可以設(shè)定(最多為1 K),待這些數(shù)據(jù)全部發(fā)送出后,才可以開始下一次采集。對應(yīng)的控制寄存器的位功能見表2。


表2 高速采樣控制寄存器的位功能

其中D7~D4 為數(shù)據(jù)采集的點數(shù)設(shè)置,3333B 表示64 個,1111 表示1 324 個,步進為64。D3~D1 為數(shù)據(jù)抽取的間隔設(shè)置,333 表示抽取間隔為3,全部數(shù)據(jù)有效;111 表示抽取間隔為28,即每隔28 個點抽取一個點,步進為4。設(shè)置這幾位的目的是為了適應(yīng)信號頻率的要求,防止采集數(shù)據(jù)不足一周期的狀況發(fā)生。D3位為標(biāo)志位,功能和操作與5 bit 的寄存器的對應(yīng)位完全相同。本寄存器分高4 位和低4 位兩次設(shè)置。

(2)控制命令介紹。本系統(tǒng)中的控制命令都是由PC 機發(fā)出的,共8 個命令:選擇控制寄存器1(低頻部分);選擇控制寄存器2(高頻部分);選擇控制寄存器3(高速采樣部分);寫控制寄存器數(shù)據(jù);讀取數(shù)據(jù)1(低頻部分);讀取數(shù)據(jù)2(高頻部分的頻率值);讀取波形采樣數(shù)據(jù);開始/停止測試。

PC 機發(fā)送的控制字都是8 位的,其中高3 位為控制命令字,用來區(qū)分8 個命令,低5 位為輔助功能,具體見表3。FPGA 接收到主機發(fā)來的命令信號后,按命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。


表3 控制命令的位功能

(3) 數(shù)據(jù)傳輸過程簡述。系統(tǒng)中與PC 機的通信采用的是RS232 接口,數(shù)據(jù)的傳輸完全符合RS232 標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)將數(shù)據(jù)的傳輸過程簡述如下:系統(tǒng)啟動后,首先進行自檢,以確定系統(tǒng)工作是否正常;系統(tǒng)工作正常后,PC 機通過測試軟件對FPGA 內(nèi)部的各個寄存器進行配置;然后發(fā)送開始命令,開始對有效的各個信號進行采集;采集完成后向PC 機返回信息,PC 機根據(jù)需要通過測試軟件從FPGA 讀取相應(yīng)通道的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)計算后與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較并得出測試結(jié)果。也可以根據(jù)需要讀取某一通道的原始數(shù)據(jù)以及采集某一通道信號的波形。在FPGA 內(nèi)部還擁有關(guān)鍵信號(電源)的監(jiān)測:任何一路電源信號不正常則重新進行采集,若3 次采集結(jié)果均不正常則直接關(guān)閉電路板的供電電源,避免損壞電路板,并向PC 發(fā)送電源不正常的消息,并給出出現(xiàn)異常的通道號。
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2.4 測試軟件設(shè)計
測試軟件是本系統(tǒng)的人機接口部分,在本系統(tǒng)中需包括如下功能:設(shè)置各個通道信號的參數(shù)值,并能保存和讀取設(shè)置的參數(shù);顯示各個通道的信號測試結(jié)果,并能夠保存;能夠采集并顯示某一通道的信號波形。

擁有上述功能即可進行測試,至于界面方面可以根據(jù)個人的習(xí)慣和愛好進行設(shè)計。本系統(tǒng)的測試軟件實現(xiàn)了上述的功能,至于界面并未追求美觀,其功能大致如下:

系統(tǒng)主界面見圖6,除了“開始停止”鍵外,有設(shè)置、查看信號波形和保存結(jié)果3 個按鈕,還有一個結(jié)果的輸出窗口。

設(shè)置窗口見圖7,本窗口中可以設(shè)置每一路信號的屬性,也可以直接調(diào)出以前保存的設(shè)置,設(shè)置完成后即可按該設(shè)置進行測試。設(shè)置完成后,可以將本次的設(shè)置保存成文件,以便下次直接調(diào)出。

查看信號波形的設(shè)置和顯示窗口見圖8。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的電路板自動測試系統(tǒng)通用性強、使用方便、工作穩(wěn)定,可以應(yīng)用于多款電路板的測試;對不同的電路板,只需制作2 塊對應(yīng)的固定板即可。系統(tǒng)已經(jīng)對123 mm×133 mm 和253mm×213 mm 兩款電路板進行測試,結(jié)果令人滿意。該系統(tǒng)具有一定的推廣價值。

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