單片機應用電路板的故障診斷方法及實現?

【摘　要】　采用單片機仿真技術和程控自動探針測試技術進行了單片機應用電路板的在線測試及故障診斷的設計，結合實例探討了其優(yōu)勢及不足。
關鍵詞：單片機應用系統，仿真測試，故障診斷，在線測試
　　
1　引　言
　　單片機以其體積小、功耗低、應用靈活、性價比高等優(yōu)勢，廣泛地應用在儀表、家用電器智能化和工業(yè)控制等領域。在我軍新型電子裝備中，單片機的應用也很普遍。當這些裝備出現故障時，可利用機內自檢程序將故障定位到印制電路板。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板是總線結構的PCB板，其總線結構中的總線器件（如：RAM、ROM等）隨著程序指令的進行而完成不同的功能，管腳數據信息隨著程序的執(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開發(fā)的仿真器應用于電路板測試。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，可利用隔離技術注入測試激勵，采集相應節(jié)點的響應進行在線測試、功能測試等。通過權衡被測裝備CPU板的性能、種類及其測試速度的要求，我們在測試系統中選擇了處理器仿真測試與自動探針測試相結合的方法。
2　測試內容及實現方法
　　CPU板上一般有單片機、ROM、RAM、數字I／O及其他IC器件。被測CPU板由測試系統提供特定激勵信號，執(zhí)行專用測試程序，完成測試任務，在電路板輸出端口產生輸出信號。測試系統采集輸出信號與預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，測試系統利用程控探針對電路板內部關鍵節(jié)點進行信號采集，并與預定數據進行比較，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字集成器件，可結合輔助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支持。
2．1　處理器仿真測試技術
　　電路板本身攜帶的工作程序無法提供測試系統所需的測試向量并完成測試任務。測試開發(fā)人員需　　要根據被測電路板的工作原理、電路設計及器件種類，編譯相應的單片機程序，以實現復雜的測試算法，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的仿真頭取代被測板上的單片機，測試系統調用開發(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)與調試技術已日見成熟，只需對市場上供應的單片機仿真器硬件及軟件進行少量改進，就能應用到通用自動測試系統中。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，開發(fā)工作量較少。
2．2　程控探針自動檢測技術
　　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，由電機驅動完成探針的矢量移位，探針接觸電路焊點的壓力可調。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，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，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；將測試點坐標參數調入測試程序，計算測試點與當前探針所在位置的距離，調用設備的抬針、位移命令，將探針定位在被測節(jié)點處，再調用落針、相對位移劃破涂層程序，控制矩陣開關、測量儀器進行測量，記錄檢測數據。此自動檢測方法與傳統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　數字集成電路實時仿真測試技術
　　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數字集成電路的檢測。在測試系統中，我們摒棄傳統的反驅動（Back Drive）技術，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系、條件函數建立仿真器件庫，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據，并與輸入數據經邏輯關系、條件函數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較簡單，根據功能表利用數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，還和電路前一級時序狀態(tài)有關，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等特殊功能函數來實現仿真器件庫的組建。
　　此技術避免了反驅動技術可能對CMOS電路帶來的器件損壞，擴大了應用范圍。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是集VXI總線技術和各種測試診斷技術于一體的新型、高性能綜合測試系統，用于完成新型電子裝備的性能測試與故障診斷。該系統硬件由主控計算機、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。軟件結構主要由被測件診斷信息庫、系統編輯開發(fā)軟件庫、系統測試診斷數據庫、系統測試診斷程序集、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的主要功能之一。進行CPU板測試的系統結構如圖1所示。
　　軟件測試流程見圖2，軟件設計過程中，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。

　　在本測試系統中從CPU板的核心（單片機）由內向外進行測試，既提高了故障診斷準確率，又提高了測試系統的故障覆蓋率。另外需要提及的是：本系統中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，與系統保存的標準原程序代碼進行比較，得出診斷結果，此方法無須添加硬件與軟件，簡單易行。
　　目前，已在該系統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種單片機應用電路板的典型故障均可被測試系統正確隔離。