LED測(cè)試與控制的自動(dòng)化

發(fā)光二極管（LED）常被用于各種現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)與系統(tǒng)中，以提供影像顯示與狀態(tài)檢視的功能。在機(jī)板日趨復(fù)雜之際，廠(chǎng)商紛紛尋求更多的測(cè)試功能，來(lái)檢驗(yàn)每個(gè)組件。而這將會(huì)使得邊界掃瞄測(cè)試（Boundary Scan Test；BST）演進(jìn)到加入具備完整功能的內(nèi)建自我測(cè)試（Build-in Self Test；BIST）技術(shù)。業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)在于至今仍有一些組件的自動(dòng)測(cè)試功能有限，必須依賴(lài)人工測(cè)試或目測(cè)來(lái)偵測(cè)故障狀況。這類(lèi)LED可制造出1美元成本的零組件，應(yīng)用在售價(jià)達(dá)1萬(wàn)美元的線(xiàn)路卡或系統(tǒng)中，因此，零組件質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接影響顧客滿(mǎn)意度，以及對(duì)整體產(chǎn)品質(zhì)量的觀(guān)感。

LED測(cè)試瓶頸

LED的故障通?？煞譃閮纱箢?lèi)。第一，當(dāng)LED在插入前置面板顯示器或其它狹小空間時(shí)，因組件故障、電路板組裝問(wèn)題以及機(jī)械組裝破損，會(huì)造成電子開(kāi)路與短路。第二種則是當(dāng)鄰近LED在被激化至相同狀態(tài)時(shí)，其色彩與亮度會(huì)出現(xiàn)不一致的狀況。利用BST檢驗(yàn)線(xiàn)路的連續(xù)性，就能在其它組件中找出第一種故障形態(tài)。但在獨(dú)立型LED中，內(nèi)建BST功能并不是一種可行的作法，制造工程師只好以目測(cè)方式來(lái)檢驗(yàn)LED。目測(cè)的檢驗(yàn)流程是由技術(shù)人員觀(guān)察LED狀態(tài)，之后再回報(bào)所有組件都正常無(wú)誤。這種重復(fù)性的作業(yè)容易出現(xiàn)人為失誤，因此檢驗(yàn)更加復(fù)雜，以確保技術(shù)人員沒(méi)有分心出錯(cuò)。對(duì)于測(cè)試人員與業(yè)者而言，這種測(cè)試流程都不是一種有效率、具有附加價(jià)值的方法。
　
在尋找LED測(cè)試的替代方法之前，有必要檢視LED在正常系統(tǒng)運(yùn)作下的運(yùn)作程序?；径?，當(dāng)施加電壓讓二極管進(jìn)入偏壓狀態(tài)時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光，如(圖一)(a)所示。由于二極管的反應(yīng)屬于非線(xiàn)性模式，因此通常會(huì)在電路中加入一個(gè)限流電阻器，以確保不會(huì)超過(guò)驅(qū)動(dòng)針腳的電流上限。一般而言，單色LED通常是由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器所控制，并連結(jié)至一個(gè)針腳上，另一根針腳則接地（GND）。這種設(shè)計(jì)可使得一個(gè)針腳就可以控制一個(gè)LED。要顯示多種顏色，只要加入其它顏色的LED，并將其輸入端連結(jié)至其它針腳即可。

簡(jiǎn)易LED測(cè)試解決方案

顯示一個(gè)雙色LED組態(tài)，使用一個(gè)共同的接地端，并連結(jié)不同的驅(qū)動(dòng)器。在同一空間內(nèi)結(jié)合兩個(gè)或更多不同顏色LED會(huì)發(fā)生的情況之一便是若兩個(gè)LED同時(shí)被激化，其所呈現(xiàn)的混色則取決于兩個(gè)LED所顯示的顏色。另一種建置雙埠雙色LED的方法，則是把兩個(gè)組態(tài)過(guò)的LED以頭接尾的方式連結(jié)，任一方的發(fā)光狀態(tài)則取決于進(jìn)入偏壓狀態(tài)的另一方LED。若需要顯示混色，情況就變得更復(fù)雜，系統(tǒng)必須以更快的速度在兩種激化狀態(tài)之間進(jìn)行切換，如此肉眼才不會(huì)看到切換時(shí)的閃爍，而讓混色呈現(xiàn)單一顏色狀態(tài)，如圖一(c)所示。在以下的討論中，將介紹這種雙色LED，因?yàn)樗碜顝?fù)雜的狀況，而且也涵蓋了其它種類(lèi)的建置方法。
　
若針腳1與針腳2輸入相同的電壓（通常為 Vcc 或GND），不會(huì)有任何電流產(chǎn)生，而電路中所有點(diǎn)都會(huì)測(cè)得相同的電壓。當(dāng)兩個(gè)針腳的電壓高低不同時(shí)，雙色LED就會(huì)產(chǎn)生偏壓，測(cè)量點(diǎn)的電壓就會(huì)成為一個(gè)diode drop（通常為0.7伏特），會(huì)高于或低于針腳2的電壓。若能測(cè)量到此點(diǎn)的電壓，LED的狀態(tài)就能確定，也能發(fā)展出涵蓋各個(gè)LED的自動(dòng)化測(cè)試機(jī)制；并且可藉此辨識(shí)出LED在制造與測(cè)試過(guò)程中大部份的故障狀況。就最基本的層面而言，若每個(gè)LED連結(jié)至一個(gè)比較器，并選擇合適的設(shè)定點(diǎn)作為比較器的輸入來(lái)源，LED就能進(jìn)行測(cè)試流程。在這種測(cè)試中，測(cè)試器處在完全被動(dòng)的狀態(tài)，因此，LED控制器必須把LED放在適合的電子狀態(tài)中。

此外，由于理想狀況是LED在各種不同的狀態(tài)下受測(cè)（受激化后顯示不同顏色或是關(guān)閉），因此比較器的設(shè)定點(diǎn)最好能夠加以調(diào)整。但這需要用到更多的組件，機(jī)板研發(fā)人員也須增加耗電量。這種方法的主要缺點(diǎn)在于零組件數(shù)量過(guò)高，因?yàn)槊總€(gè)LED需要自己專(zhuān)屬的比較器，或某種形態(tài)的多任務(wù)機(jī)制來(lái)提高LED的涵蓋率，但另一方面卻須減少零組件數(shù)量。此外，還須面臨控制所有設(shè)定點(diǎn)的復(fù)雜作業(yè)，以確保在適當(dāng)?shù)脑O(shè)定點(diǎn)中檢查到正確的數(shù)值。
整合度略高的解決方案可使用多種A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并透過(guò)多任務(wù)機(jī)制對(duì)所有測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行采樣，將結(jié)果匯整成處理元素的格式。這些信息可用來(lái)分析其所測(cè)出的電壓值，對(duì)于處于測(cè)試中的現(xiàn)有LED組態(tài)而言是否合適。雖然這種方法可減少零組件數(shù)量，但仍需要多個(gè)組件來(lái)執(zhí)行作業(yè)，以及處理從測(cè)試點(diǎn)所擷取到的數(shù)據(jù)。而整合度更高的系統(tǒng)，則是運(yùn)用一個(gè)具備多種模擬功能的微控制器。這種方式能把A/D采樣以及處理功能整合至單一組件。
實(shí)際的測(cè)試流程則類(lèi)似其它機(jī)板測(cè)試，其中可能發(fā)生組裝（機(jī)板與機(jī)箱）錯(cuò)誤。單一測(cè)試模式僅能檢驗(yàn)出激態(tài)LED是不足以確保運(yùn)作正常，因此業(yè)界必須發(fā)展出一套完整的測(cè)試方案。以下顯示一個(gè)雙色LED的范例：

(1)所有LED關(guān)閉（兩個(gè)連結(jié)至Vcc的針腳）–接地端偵測(cè)為短路狀態(tài)；
(2)所有LED關(guān)閉（兩個(gè)連結(jié)至接地端的針腳）–Vcc端偵測(cè)為短路狀態(tài)；
(3)所有LED開(kāi)啟（顏色一）–在顏色一電路信道中偵測(cè)到故障；
(4)所有LED開(kāi)啟（顏色二）–在顏色二電路信道中偵測(cè)到故障；
(5)所有LED關(guān)閉（鄰近LED線(xiàn)路在Vcc端與接地端之間切換）–于LED線(xiàn)路間偵測(cè)到短路狀態(tài)；
(6)反復(fù)第(5)步驟，偵測(cè)反方向的通道。

完成這六項(xiàng)步驟，就可確定LED所有功能都正常無(wú)誤，而且在原始機(jī)板組裝或是前置面板的機(jī)械組件也沒(méi)有任何故障狀況。如此一來(lái)，能大幅降低對(duì)于人工目測(cè)LED功能的依賴(lài)，讓制造工程師能夠在制造流程中的任何階段均能夠測(cè)試LED功能。此外，設(shè)計(jì)人員還必須額外考慮負(fù)責(zé)控制與驅(qū)動(dòng)LED組件，與測(cè)試組件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作。組件之間必須具備握手（handshaking）機(jī)制，確保測(cè)試組件了解目前LED 的「預(yù)期」?fàn)顟B(tài)，點(diǎn)1的電壓值代表通過(guò)測(cè)試與測(cè)試失敗，如圖二所示。(圖三)顯示一個(gè)可程序化的測(cè)試電路組態(tài)，這個(gè)組件是設(shè)計(jì)用來(lái)監(jiān)控26個(gè)LED，并透過(guò)一個(gè)I2C接口與整個(gè)系統(tǒng)相連結(jié)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)能對(duì)所有設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，并指定接下來(lái)要測(cè)試的組件。運(yùn)用I2C接口讓外部系統(tǒng)能分析任何測(cè)試的結(jié)果，以及每個(gè)LED的效能表現(xiàn)。
　
另一種在設(shè)計(jì)中加入微控制器的方法，就是將控制與測(cè)試功能整合在同一個(gè)組件中。一般使用的連結(jié)埠擴(kuò)充器可用來(lái)支持設(shè)計(jì)中的LED控制功能，組件中的模擬功能則可用來(lái)同時(shí)執(zhí)行測(cè)試工作。這項(xiàng)整合可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員僅須發(fā)出一個(gè)測(cè)試指令，讓微控制器負(fù)責(zé)控管所有的程序，完成后還會(huì)自動(dòng)切換至正常的系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)。由于組件必須支持控制與測(cè)試功能，雖然額外的針腳與軟件復(fù)雜度將衍生出更多的硬件需求；但另一方面也降低系統(tǒng)處理器在制造測(cè)試，與正常系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)LED控制作業(yè)的負(fù)載量。

結(jié)語(yǔ)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，目前許多LED都是以目測(cè)方式進(jìn)行檢驗(yàn)，很容易遇到人為疏失的問(wèn)題，因此，業(yè)界已發(fā)展出許多替代的測(cè)試方法。這些方法不僅能提高測(cè)試的可靠度，還帶來(lái)部份自動(dòng)化測(cè)試的效益，以取代人工測(cè)試流程。這不僅能降低成本，而且能讓LED在組裝流程的任何階段都能進(jìn)行測(cè)試，甚至成為正常啟動(dòng)程序中的一環(huán)。而現(xiàn)有的LED測(cè)試程序均無(wú)法提供上述這些功能。