一种数字电路板测试诊断系统的设计

党晓军

（水利部发展研究中心，北京 100053）

0 引言

过去的几十年内，我国从国外引进了一些自动化系统和设备，其中军方和火力发电厂是主要的引进单位。这些设计芯片自成体系，典型的以微处理器 1806BM 系列为核心，总线收发器、锁存器、中断控制器等形成自己独立的通信和控制设备。随着时间的推移，备件也几乎耗尽，为了维护系统的正常运行，必须进行板级的替代，替代板量很大，由不同的单位完成，而一些核心、加解密设备又只能由总装单位管理，因此如何保证替代板的研制正确率，如何测试替代板是一个迫切的问题。

对批量生产的厂家而言，即使有1套完整的设备，可是如果每个人研制的替代板都要上设备插拔，一是影响其它人的测试，二是如果有错误会产生误动作，影响设备寿命。因此，有1套直接测试的简易设备，以自己的固定序列形成测试库是很有必要的。

目前我们国家仍然引进不少的设备，这些设备仍然坚持自己的芯片和系统，因此将来还存在板级、芯片的替代，研制的数字电路板测试诊断系统（以下简称 TE3）仍然有使用空间。

1 TE3的设计

1.1 组成

TE3主要针对中小规模数字逻辑芯片构成的电路板，实现组合和时序等逻辑网络的逻辑功能正确性的测试检查，为专业技术人员诊断数字电路板故障，查找故障元件提供多种技术手段。

TE3主要针对特定的数字电路板（中小规模芯片）进行设计，由自动测试设备（ATE）、测试程序集（TPS）和测试运行环境（TE）3个主要部分组成[1]。

ATE 主要用于提供一个实现电路板功能测试和故障诊断的自动化平台，作用是通过针对被测对象编写专门的测试程序和运行环境来完成的。ATE 由PC 计算机、通信接口、自动测试控制部件和管理程序组成。PC 计算机通过通信口与自动测试控制部件交换信息[2]。自动测试控制部件接受 PC 机的命令，测试数据流，生成测试向量，将测试向量输出到标准版和故障板；接受标准版和故障板的输出向量回送给 PC 机[3]。测试程序集由测试诊断程序、引导测试操作和 TPS 执行文档组成[4]。

测试运行环境包括 TPS 结构说明、测试编程手段，以及测试诊断向量设计需求的标准描述格式和测试方案信息。

1.2 工作原理

TE3采用功能测试法，直接利用电路板的输入和输出端口作为激励和响应点，对测试和标准2种样本在相同的环境下使用相同的测试序列同时进行测试，并回收两者的输出序列，用计算机比对两者输出，以判定被测试样本的逻辑功能是否正确。设备连接关系如图1所示。

图1 设备连接关系图

PC 程序采用 VC 和 VB 混合编程，底层通信程序使用 VC[5]，界面使用 VB[6]。界面是编辑波形序列，通过点击波形使其在 0，1之间进行取舍。界面容量可以达20000个时序[7]。通过人工编辑可以形成测试向量库，并形成测试经验库[8]。VC 主要完成和单片机之间的双向通信程序，通信的顺序如下：选择测试向量→形成测试流→采用乒乓方式通信→测试设备序列→形成显示。其中乒乓通信保证了发送方和接受方的实时切换。显示内容放在1个大的缓冲区中，缓冲区在充满后实时写入硬盘。乒乓通信方式实现原理如下：设 A 和 B 两个缓冲区，在发送 A 缓冲区的数据之后，立即读取 B 缓冲区的数据，此时单片机处理 A 区的数据形成测试向量加载，读单片机 B 的同时，A 区也写满了加载向量的测试结果。乒乓机制必须保证1个读写的启动，形成一种兵乓连续的读写机制，保证测试数据的发送和接收的准实时[9]。

读写机理：初始化 A，B；发 A，B，循环开始读 A，发 A，读 B，发 B，最后读 B 即可。

通信协议格式如图2所示。

图2 通信协议格式

数据生成主要由主界面完成，在主界面上可以对相应位上、通道上的测试序列进行点击修改，并作为测试文件保留在历史库，测试文件以时间到秒命名并保留。

VB 程序完成数据矢量的编辑和测试结果的显示[10]。

系统主界面可以对时序信号点击编辑，随时让某个时间点的输入信号变化，也可以选择某列使整个列的信号变化。界面以外的信号可以通过滚动条观察，使用比较方便。界面可以单步设置断点，对某个时间界面上的信号持续观察，也可以循环对1段信号连续发送观察，适合电路板的调试。

单片机采用 CF8051F120系列单片机。该单片机提供 USB 驱动，并有丰富的 I/O 接口，可以保证对外部设备的扩展。对 I/O 口采用统一编址的方法，逐一读取其 I/O 上的电平，并进行轮询。工作过程中为了保证电源加载安全，给出上述协议中类型位为 0和 1，分别是电源的加载和去载。每次完成测试，都有这个过程。形成测试结果送 PC 机显示保存。

2 应用前景

目前 TE3已经用于某型系统国内板级仿制测试。为了安全考虑，不能对仿制、替代的电路板直接运行系统调试，必须在对仿制板的线下测试可靠后，才允许上机替代。TE3可为线下测试提供可靠的保障。

未来以 TE3测试设备为基础，建立以 PC 为基本测试点的网络测试系统，可形成远程故障和诊断系统，如图3所示。

图3 网络测试结构图

中心站通过通用网络，建立各个测试点的测试和反馈向量数据库，并在一定的时段向测试点发出测试指令，检查测试点上传的向量，对测试点板级设备进行诊断，实时了解远程设备的运行情况。

网络点之间协议交换格式如图4所示。

图4 网络点之间协议交换格式

接收方根据目的地址，判定自己是否是节后指令，并提取检测次数和开始时间，根据检测序列号对设备进行检测，检测后的结果存入用户根据历次测试形成的分类库，该库由系统自动生成，用户只要按存入按键即可，并通过网络上报中心节点。

上报中心节点协议交换格式，交换以大文件的方式上传，如图5所示。

图5 网络上报传输测试结果桢结构图

3 结语

本测试诊断系统，目前主要针对数字和通信系统测试，对于模拟系统尚未展开，以后可以进行扩充，现在正在用 PCI-E 总线替代 USB，这样测试理论速率可达 G 级。运用本系统可以对任意序列组合进行单步和循环的发送，直接对结果在标准电路板和测试电路板间进行比对，给出故障信号的来源，大大提高了电路板设计和调试的效率，可以推广应用在各个电子设计领域。目前已经在工信部第十五研究所应用，效果良好，现正在和水利信息领域的专家接洽，希望在水利领域推广。

长江微电子技术（大连）股份有限公司针对FPGA（现场可编程门阵列）电路板的测试和仿真、逻辑判断技术先进，已经取得国家发明专利，但缺少系统可编辑的序列输入，不能满足设计者根据自己的逻辑反复测试和试验的要求。

数字电路板测试诊断系统有待完善的地方：FPGA CPLD 等大规模逻辑电路，基于 Verilog 语言的设计，可以针对其 Verilog 程序的编译系统在系统内加入，这样根据其综合生成逻辑门级电路，可以将信号逐级传送，推导各个点直至出口信号，形成真正的职能诊断系统。

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