电子装备数字电路板自动检测仪方案设计

1 引言

电子装备在海军舰艇上应用广泛，如观通、导航、指挥控制、电子战和武器控制等，属于舰艇关键设备，电子装备以其智能化、小型化、高速、高复杂度的特点，在大幅度提高舰艇生命力和作战效能的前提下，也为舰艇维修保障部门和人员带来了巨大的挑战。随着部队信息化建设的不断普及与深入，武器装备的维修保障技术正在发生新的变化口_引：自动测试系统及设备ATE(Automatic　Test Equipment)、便携式维修辅助PMA(Portable Maintenance Aids)、交互式电子技术手册IETM(Interactive Electronic　Technical Manual)等已经成为武器装备维修领域的研究热点。ATE是以计算机为基础的故障诊断技术设备，投入使用后，加速了测试过程，提高了维修速度，还可以预防未发生的故障，进而提高装备的质量和性能。舰艇电子装备中的电路板存在多种类型，这里仅考虑针对单纯的数字逻辑型电路板ATE设备的设计。

2 系统总体设计

测试单纯的数字逻辑型电路板，首先需要找出电路板接口引脚上的信号特性，如信号电平(TTL型、CMOS型等)、信号方向(输入、输出或双向)、信号功能(电源信号、逻辑信号)，在此基础上通过电路原理图分析电路板功能，设计测试向量，以确定响应向量。信号特性及电路原理图的获取有以下途径：(1)由电路板研制设计单位提供;(2)使用测量仪表手工测绘。

ATE测试的原理就是向电路板输入测试向量，获取相应的输出向量，将此输出向量与正常的响应向量相比较，结果一致表明电路板无故障，否则表明该电路板已损坏。整个过程由ATE自动完成，因此效率高，但测试向量的完备与否对故障诊断结果有重要影响。该ATE设备是针对某电子装备系统而研发的，其结构框图如图1所示。

从图1可见，ATE由信号发生、信号采集、与上位机的USB通信以及用于连接被测板的接插件4大模块组成。信号发生模块和信号采集模块采用单片机AT89S51+FPGA的技术方案实现，因此整个测试系统是一个PC机→单片机→FPGA→被测板的4级结构。USB通信模块选用USB/RS-232转换器实现，AT89S51串口经电平转换电路转换为RS-232接口后连接到USB/RS-232转换器。接插件模块主要考虑与被测板连接的电气与机械特性。

3 关键模块设计

3.1 信号发生模块设计

该模块由单片机控制桥(AT89S51)、测试向量存储器(静态存储器HM628128x2，排列方式为256 Kx8 bit)、信号发生FPGA(Altera公司Cyclone系列PLD器件EP1C3)、通道控制CPLD(Altera公司MAX7000系列PLD器件EPM7128S)及三态选通门阵列(74LS126x16)组成，模块组成结构如图2所示。

单片机控制桥收到上位PC机传来的测试向量后，将其写入测试向量存储器(单片机内的存储器不够用)，并将被测电路板的引脚信号特性数据写入通道控制CPLD。由CPLD控制三态门阵列的选通端，三态门阵列的输入数据由信号发生FP-GA提供，FPGA接收到控制桥的信号发生命令后，从测试向量存储器取出测试向量送往三态门阵列。控制桥重用FPGA访问测试向量存储器的总线，为防止两者对存储器的访问冲突，用信号Ctrl0和Ctrl1进行开关控制，当Ctrl0=0且Ctrl1=0时，控制桥掌控存储器的访问总线，否则由FPGA掌控。

这里要解决的关键问题之一是自动配线问题。由于各块电路板的输入输出引脚不固定，自动配线除了保证信号送达被测板相应的输入通道外，需要避免信号发生模块将信号输出到被测电路板的输出通道，以防止损坏被测板。设计中该问题通过三态门的高阻态得以解决。
3.2 信号采集模块设计

由于被测板是单纯的数字逻辑电路，电路板的输出信号是数字信号，因此信号采集时无须A/D转换，只需按照一定的采样周期采集输出信号即可。由于单片机数据输入口的位宽一般仅为8位，为了保证采样速度，利用FPGA器件的内在并行性快速采集输出信号，并存入存储器中，在到达测试深度后，FPGA向单片机发送中断请求，单片机从存储器中读取采集到的输出信号，通过USB传送到上位PC机。该模块组成结构如图3所示。

与信号发生模块类似，单片机控制桥重用FPGA访问输出向量存储器的总线，为了避免总线访问冲突，控制桥利用控制信号Ctrl0和Ctrl1，当Ctrl0=0，Ctrl1=0时，控制桥掌控访问存储器的总线，否则由FPGA掌握该总线。

4 系统工作原理

4.1 系统工作过程

ATE测试的基本原理：向被测板输入测试信号，然后获取被测板的输出信号，并与响应信号相比较，依据两者是否完全一致，判断被测板有无故障。ATE工作过程如下：

(1)完成硬件连线：PC机与ATE的USB连接，被测板与ATE插接，电源连接;

(2)在上位PC机上运行ATE测试控制软件TCS(Test Con-trol Software)，TCS