單片機應(yīng)用電路板的故障診斷方法及實現(xiàn)
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單片機以其體積小、功耗低、應(yīng)用靈活、性價比高等優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用在儀表、家用電器智能化和工業(yè)控制等領(lǐng)域。在我軍新型電子裝備中，單片機的應(yīng)用也很普遍。當這些裝備出現(xiàn)故障時，可利用機內(nèi)自檢程序?qū)⒐收隙ㄎ坏接≈齐娐钒?。因此，電路板的性能測試及故障診斷就成為裝備維修工作中的重點。我們在研制電子裝備通用自動測試系統(tǒng)時，將PCB的測試，尤其是帶單片機的PCB（簡稱CPU板）的故障診斷作為難題之一來研究。CPU板的測試和診斷與普通數(shù)字電路板有相同之處，也有其自身的特點，因為CPU板是總線結(jié)構(gòu)的PCB板，其總線結(jié)構(gòu)中的總線器件（如：RAM、ROM等）隨著程序指令的進行而完成不同的功能，管腳數(shù)據(jù)信息隨著程序的執(zhí)行不斷變化，一般采用仿真方法進行測試。仿真測試是將單片機系統(tǒng)開發(fā)的仿真器應(yīng)用于電路板測試。一般的仿真測試方法有：處理器仿真測試、存儲器仿真測試、總線周期仿真測試、DMA仿真測試等。對非總線器件（如：邏輯器件、時序器件等）進行測試，可利用隔離技術(shù)注入測試激勵，采集相應(yīng)節(jié)點的響應(yīng)進行在線測試、功能測試等。通過權(quán)衡被測裝備CPU板的性能、種類及其測試速度的要求，我們在測試系統(tǒng)中選擇了處理器仿真測試與自動探針測試相結(jié)合的方法。
2 測試內(nèi)容及實現(xiàn)方法
CPU板上一般有單片機、ROM、RAM、數(shù)字I／O及其他IC器件。被測CPU板由測試系統(tǒng)提供特定激勵信號，執(zhí)行專用測試程序，完成測試任務(wù)，在電路板輸出端口產(chǎn)生輸出信號。測試系統(tǒng)采集輸出信號與預(yù)期信號進行門限比較，以判斷電路板的功能是否正常。當功能測試無法通過時，測試系統(tǒng)利用程控探針對電路板內(nèi)部關(guān)鍵節(jié)點進行信號采集，并與預(yù)定數(shù)據(jù)進行比較，通過故障樹分析程序進行故障隔離與顯示，將故障確定到一個或幾個器件。對無法利用測試程序進行判斷的非總線邏輯和時序數(shù)字集成器件，可結(jié)合輔助IC夾具測試的方法，采用實時仿真測試方法進行故障診斷，將故障定位到某一集成器件。
完成上述CPU板的性能測試和故障診斷需要用到以下幾種技術(shù)支持。
2．1 處理器仿真測試技術(shù)
電路板本身攜帶的工作程序無法提供測試系統(tǒng)所需的測試向量并完成測試任務(wù)。測試開發(fā)人員需 要根據(jù)被測電路板的工作原理、電路設(shè)計及器件種類，編譯相應(yīng)的單片機程序，以實現(xiàn)復雜的測試算法，并將單片機測試程序編輯成庫。測試操作人員在對特定電路板進行功能測試時，首先用與被測板上的單片機相對應(yīng)的仿真頭取代被測板上的單片機，測試系統(tǒng)調(diào)用開發(fā)的單片機程序并寫入仿真機中，然后執(zhí)行仿真機脫機運行狀態(tài)，利用仿真系統(tǒng)對被測板上的總線器件進行讀／寫操作，判斷其功能是否正常。因目前單片機仿真開發(fā)與調(diào)試技術(shù)已日見成熟，只需對市場上供應(yīng)的單片機仿真器硬件及軟件進行少量改進，就能應(yīng)用到通用自動測試系統(tǒng)中。處理器仿真測試的優(yōu)勢是：以與被測板相同的工作速率進行動態(tài)功能測試；可實現(xiàn)復雜的測試算法，易于生成復雜的測試圖形；對總線器件測試故障覆蓋率較高；由于采用市場成熟的仿真技術(shù)，開發(fā)工作量較少。
2．2 程控探針自動檢測技術(shù)
程控自動探針可程控定位探測點并刺穿防護層，獲取檢測信號。它利用步進電機開環(huán)控制，由電機驅(qū)動完成探針的矢量移位，探針接觸電路焊點的壓力可調(diào)。此裝置有兩種工作狀態(tài)：遠控和本地。程控信號使用IEEE488接口實現(xiàn)，檢測信號由專用電纜引出。在對被測PCB進行開發(fā)時，首先對被測PCB在程控探針裝置上的物理位置進行校準，一般選取兩個校準點記錄在案；再通過人工輔助定位方式確定所選節(jié)點的坐標參數(shù)，此時用到了其本地功能：利用控制面板上的位移鍵將探針準確定位到被測節(jié)點；再執(zhí)行其遠控功能，由計算機準確讀取并記錄坐標參數(shù)；將測試點坐標參數(shù)調(diào)入測試程序，計算測試點與當前探針所在位置的距離，調(diào)用設(shè)備的抬針、位移命令，將探針定位在被測節(jié)點處，再調(diào)用落針、相對位移劃破涂層程序，控制矩陣開關(guān)、測量儀器進行測量，記錄檢測數(shù)據(jù)。此自動檢測方法與傳統(tǒng)的人工檢測方法相比，自動化程度高，人為故障少。與針床相比，通用性好，且測試速度相對較快，適應(yīng)目前芯片集成度高、安裝密集的發(fā)展趨向。但對異型PCB進行測試時，因電路板難于安裝固定而無法進行檢測。
2．3 數(shù)字集成電路實時仿真測試技術(shù)
對于處理器仿真測試無法涉及的非總線器件，輔助測試夾具可實現(xiàn)數(shù)字集成電路的檢測。在測試系統(tǒng)中，我們摒棄傳統(tǒng)的反驅(qū)動（Back Drive）技術(shù)，采用對電路器件工作環(huán)境進行實時仿真的測試方法，使用圖形化編程工具提供的邏輯關(guān)系、條件函數(shù)建立仿真器件庫，將實際被測器件的輸入信息同步注入仿真器件的輸入端，采集實際電路的輸出數(shù)據(jù)，并與輸入數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯關(guān)系、條件函數(shù)計算之后的仿真輸出相比較，從而檢測此集成電路的工作性能。組合邏輯器件的仿真實現(xiàn)較簡單，根據(jù)功能表利用數(shù)學邏輯公式即可組建仿真器件。時序電路器件的輸出不但與當時的輸入有關(guān)，還和電路前一級時序狀態(tài)有關(guān)，需要存儲觸發(fā)器所組成的存儲電路進行記憶和表征，因此其組建過程需要解決時序電路的初態(tài)、存儲和記憶等問題。我們選用HPVEE軟件進行仿真，使用它的Math、Sample＆Hold和ShiftRegister等特殊功能函數(shù)來實現(xiàn)仿真器件庫的組建。
此技術(shù)避免了反驅(qū)動技術(shù)可能對CMOS電路帶來的器件損壞，擴大了應(yīng)用范圍。改進鋸齒形人工夾具增強了其刺破涂層的能力，減少了因接觸不良帶來的測試故障。但在仿真測試開發(fā)工作中，龐大的仿真器件庫占用了大量空間，有可能影響運行速度。
3 實例分析
電子裝備通用自動測試系統(tǒng)是集VXI總線技術(shù)和各種測試診斷技術(shù)于一體的新型、高性能綜合測試系統(tǒng)，用于完成新型電子裝備的性能測試與故障診斷。該系統(tǒng)硬件由主控計算機、VXI機箱及卡式儀器、程控交直流電源、通用適配器、程控探針定位儀組成；軟件設(shè)計平臺選擇HPVEE，基本環(huán)境為Windows98，編程語言為HPVEE和VC＋＋，漢化平臺為中文之星。軟件結(jié)構(gòu)主要由被測件診斷信息庫、系統(tǒng)編輯開發(fā)軟件庫、系統(tǒng)測試診斷數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)測試診斷程序集、被測件測試診斷報告五部分組成。PCB的檢測診斷是測試系統(tǒng)的主要功能之一。進行CPU板測試的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
軟件測試流程見圖2，軟件設(shè)計過程中，被測PCB板的性能測試與故障診斷可單獨進行，也可連續(xù)進行，并對故障診斷歷史記錄進行保存。故障顯示利用測試點圖像顯示方法，可調(diào)用被測板電路圖，動態(tài)顯示測試節(jié)點及故障隔離器件位置。
在本測試系統(tǒng)中從CPU板的核心（單片機）由內(nèi)向外進行測試，既提高了故障診斷準確率，又提高了測試系統(tǒng)的故障覆蓋率。另外需要提及的是：本系統(tǒng)中RAM測試采用k／n碼提取圖形法，其測試性能和測試時間基本滿足被測武器裝備的需求。ROM測試使用原碼比較法，利用仿真機的附加功能，讀取被測板上的實際工作程序代碼，與系統(tǒng)保存的標準原程序代碼進行比較，得出診斷結(jié)果，此方法無須添加硬件與軟件，簡單易行。
目前，已在該系統(tǒng)上完成了多種裝備測試診斷軟件的開發(fā)工作。通過故障模擬實驗，計算機通信板、信息機CPU板、信息機通信板、火炮終端機CPU板、通信板等13種單片機應(yīng)用電路板的典型故障均可被測試系統(tǒng)正確隔離。
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