数字电路板自动测试与故障诊断技术的研究

数字电路板自动测试与故障诊断技术的研究李更祥（中国航天科工集团公司二院23所，北京100854）摘要：本文介绍了数字电路板的自动测试与故障诊断需求，故障类型与产生的原因，故障诊断技术与设备简介，自动测试与故障诊断平台的设计，开发数字电路板的自动测试与故障诊断程序的主要步骤。关键词：数字电路；故障诊断；自动测试；VXI总线1引言现代半导体集成电路的高速发展，同时也推动了电子应用技术的高速发展，数字电路板采用多种专用电子器件设计，其电路结构复杂、功能强大，电路板尺寸小、器件密度高、时钟和数传速度快等特点；这些特点使电子设备越来越复杂，增大了数字电路板的自动测试与故障诊断难度。武器装备的电子设备必须进行维修，维修的关键一步是对电子设备的电路板进行自动测试与故障诊断，并且要求故障隔离到元器件才能实现电路板的修复。传统的仪器与仪表设备及测试手段与方法已不能满足现代数字电路板的自动测试与故障诊断，适应现代数字电路板的故障检测设备必须采用先进的自动测试与故障诊断设备和技术，这种设备就是自动测试设备（ATE/ATS），它是以计算机软、硬件技术为核心，通过总线控制仪器的激励与控制，实时、快速、精确地采集和处理数据信息，实现数字电路板的故障隔离到元器件。2测试与故障诊断需求针对××型号维修工程任务需要，以该型号数字电路板的设计特点与技术状态为背景资料，提出研制自动测试与故障诊断系统（简称系统），该系统是对××型号的电子设备（简称某设备）的基层级送来修理的电子外场可更换单元（LRU）进行维修的技术保障性设备，LRU主要是数字电路印制板（以下统称PCB）。系统的主要任务是完成对某型号电子设备的PCB进行自动测试、故障检测和分析、故障隔离到元器件，为维修PCB提供故障元器件的具体部位。该型号电子设备的PCB不仅数量和种类多而且电路结构和机械结构相当复杂，PCB尺寸及印制线路层多样化，PCB所采用的元器件包含了小、中、大、超大规模的各式各样的集成电路芯片，集成电路的外型尺寸和引线结构也具有多种标准和非标准。这种没有经过技术规范的测试性设计的PCB，给自动测试与故障诊断工作带来了极大的困难。2.1维修测试a.对送修的PCB测试，确认是否有故障；b.检测故障的PCB，故障隔离到元器件；c.对已修复的PCB测试，确认是否已修复；d.对PCB预防性维修的技术参数测试；e.对正常工作的PCB测试，提取样本数据。2.2其它目的测试a.用于拉偏PCB的工作电源或某些技术参数，测定PCB稳定工作范围；b.用于PCB设计验证和调试的测试；c.用于PCB生产检验的测试。2.3技术指标要求a.故障检测率：不小于98%；b.故障隔离深度：元器件或组件；c.故障隔离率：不小于95%；d.虚警率：小于或等于2%；e.自动测试与故障诊断一个单元电路（对单元电路完成一次激励与响应及分析时间）平均时间：小于1min；f.定位到元器件或模块的平均时间：小于20min。3数字电路故障类型与产生的原因3.1数字电路板的故障类型a.故障类型:故障类型分内部故障和外部故障两种类型，内部故障是指发生在集成电路器件内部的故障，外部故障是指发生在电路器件连线之间的外部故障；b.逻辑故障:电路中某节点的逻辑值与规定的逻辑值相反，该故障为逻辑故障；c.非逻辑故障:除逻辑故障以外的所有故障都是非逻辑故障；d.局部故障与分布故障:故障对电路的影响范围的大小可分为局部故障和分布故障；e.永久性故障和暂时性故障:按故障存在的持续时间来划分，该故障分为永久性故障和暂时性故障,暂时性故障可重复测试性能差，电路工作不稳定，检测故障较困难；f.固定故障:电路中某节点的逻辑电平始终保持为固定电平，该故障为固定故障；g.固定开路故障:电路中某输出端点始终保持高阻状态，该故障为固定开路故障；h.桥接故障：桥接故障是由于某种外部原因造成的故障，在电路中两根或多根信号线无意中搭接在一起所形成的短路故障；i.集成电路的软故障:由于芯片的半导体质量、时钟速度、驱动能力、抗干扰能力、热稳定性能、匹配能力等技术参数变坏造成的故障，该故障主要体现在电路工作不稳定，时好时坏，通过改变PCB的工作电源或工作环境温度进行检查，一般可以确定故障发生的部位；j.集成电路的内部故障:由于外部电路或外界环境因素造成的电路芯片内部的击穿、I/O引线的开路或短路等永久性故障，该故障一般发生在集成电路的I/O端口。3.2引起数字电路故障的原因a.由设计质量因素引起的故障。如电源滤波、布线、时钟速度配合、毛刺、竞争冒险等；b.由制造、原材料质量及生产工艺等因素引起的故障。如精度、劣质器件、焊接等；c.由工作环境条件或外部电路因素引起的故障。如温度、湿度、强电、磁场、射线等。4故障诊断设备与技术简介现代电子技术高速发展，军用武器装备的电子设备板级维修测试技术也不断得到发展，二十世纪60年代仅仅是应用简单的数字测试仪，70年代是应用总线仿真器固定电平测试，80年代是应用数字发生器实现静态逻辑测试，90年代是应用动态性能数字测试系统实现动态模拟仿真测试，这也是目前普遍采用的方法。4.1故障诊断设备与检测方法应用于维修系统的故障诊断设备与检测方法概述如下：a.传统测试：用万用表、脉冲信号源、示波器等传统测试仪器组成专用测试设备；配置专用测试工作台、测试接口；操作者利用电路图，调试细则，人工检测；该设备与方法适用于所有PCB的人工故障检测，但不适宜军用PCB的集中自动测试与故障检测。b.在线测试：用专用在线测试仪器；配置通用测试工作台、通用测试夹具；利用事先建立的样本数据；人工故障检测；适用于民用PCB的故障检测，不适宜军用PCB的维修测试。c.针床或飞针测试：用针床或飞针专用测试设备；PCB裸板的短路或断路测试；自动测试与故障检测；适用于PCB裸板生产或大批量PCB的生产质量检验测试。d.射线测试：用专用射线测试设备；适用于PCB与器件内部的物理故障检测。e.自动测试系统或设备（ATS/ATE）：用计算机、测控仪器组成的自动测试系统；配置通用测试接口、专用适配器、专用测试程序；自动/半自动仿真测试；适用于军用维修工程的PCB故障检测。4.2自动测试工作原理ATS通过计算机执行测试程序，控制测控仪器模拟PCB在实际工作环境的条件下，通过PCB边沿插脚加入激励（逻辑信号、状态信号、电压信号等）信号，同时通过PCB边沿插脚接收响应信号并进行分析和处理，验证输入与输出功能是否符合要求。5自动测试与故障诊断平台的设计5.1自动测试平台的设计原则与思想根据某设备是现代先进的和复杂的电子设备，该设备所应用PCB的数量、种类、复杂性和实现5.2平台的硬件设计IEEE488接口HPE9851A计算机SR192CPU、VXI接口时序控制A数字I/O6ｘ16SR19前面板插座前面板插座AT8000A可编程直流电源1VPC接口数字PCB适配接口B适配接口被测数字PCB附加模块时序控制B数字I/O6ｘ16图1测试平台框图标准接口I/O设备维修的环境条件，有限的经费能配置的测试设备，能达到的测量精度，国内维修技术发展的现状和趋势，维修技术的实现和技术的可持续性，效费比高的现实与特点，确定以下设计思想与设计原则：a.技术指标要求：满足某设备维修任务；b.实用性和通用性：测试平台能覆盖某设备PCB的测试任务并具备通用性，c.先进性：要达到或接近目前国内通用的ATS水平；d.简单性：在满足功能要求，軟、硬件设计，以及操作、使用和维修简单，容易编程和开发，具备自检测试功能；e.标准化、技术成熟性：采用标准化的测控仪器、有关产品、接口（VXI、IEEE488）、机柜。采用标准的软、硬件设计技术规范，测试系统易于集成，程序易于生成和开发，有充足的技术保障，有持续技术和产品升级的支持；f.扩展性：系统软、硬件设计采用嵌入式和开放式的结构设计，随着故障诊断技术的发展，测试要求的变化，ATS硬件和软件易于扩展和升级更新，能够扩展更多功能，能够适应被测单元的改变；g.其它问题：可靠性高，维修性好，电磁兼容性好，费比高等。5.2平台的硬件设计平台硬件如图1所示。平台采用了嵌入式计算机总线控制方式。平台硬件由以下设备组成：HPE8408A，VXI总线，C尺寸，4插槽机箱；嵌入式计算机；SR192VXI总线数字测试系统；AT8000A可编程直流电源；测试适配接口等。SR192数字测试系统提供平台的激励、测量、通道切换；计算机是平台的核心，完成平台自检、测试流程和数据采集及数据处理等功能。5.2.1嵌入式计算机HPE9851A嵌入式计算机是美国Agilent公司产品，其特点如下：C尺寸，2个VXI总线插槽；Pentium-Ⅲ,CPU时钟：700MHz；硬盘：6GB；内存容量：128MB；软盘驱动器：1.44MB(3.5)；标准接口：SCSI-3（APG）接口，2个RS232串行口，1个并行口，2个USB接口，IEEE488，SVGA接口，10/100BaseEthernet接口；支持多种分辩率的外接显示器等。5.2.2数字测试系统SR192数字测试系统是美国talon公司产品，其特点如下：C尺寸，2个VXI总线插槽；双向数字I／O，192通道；每通道128K存储深度；可编程时钟源，最大可达50MHz时钟速率；输入通道电压为-5V～+7V；智能(Wizard)探头或自动智能探针装置等。6开发PCB的自动测试与故障诊断程序的主要步骤6.1熟悉测试平台a.熟悉测试平台的测试规则和所具备的测试功能；b.熟悉测试平台的技术条件和技术指标；c.熟悉测试平台的软件环境和应用开发软件功能；图2主程序执行简化流程图开始安全保证检查返回测试？测试设备初始化YNNN+1项测试、初始条件故障？Y测试、故障分析、过程提示关闭N项条件、N+1项准备测试结束？N测试纪录、报告关闭相关接口、数据库等Y5.3平台的软件设计5.3.1基本要求系统软件，集成软件，测试应用软件，要求软件设计与程序编写要符合VISA规范，采用标准化，模块化设计，保证软件的易用性、实时性、通用性、可移植性、可维护性、可测试性、可扩展性、可靠性、全中文化视窗操作界面以及人机界面自然美观等特点。SR192数字测试系统VXIplug&play驱动软件与WIN95、WIN98、WINNT兼容，驱动软件包括交互式的界面，用户可以应用SR192的所有功能。SR192数字测试系统的支持软件包括开发系统、仿真输入工具（IEEEP1445）、测试应用开发、故障隔离工具、自动探针等软件。5.3.2主程序流程主程序执行简化流程如图2所示。安全保证检查：进入测试程序前进行必须的安全检查，确保被测PCB，适配接口，测试程序准确无误，保证设备的安全；N+1项测试、初始条件：我们把PCB分为N项测试，每一项测试作为一组激励，每一项测试的输出作为一组向应；测试、故障分析、过程提示：在测试PCB虚拟仪器面板上提示测试进程或测试结果，报告测试与综合分析结果。d.熟悉测试平台配置仪器的用途、操作条件和测试功能；e.熟悉测试平台的物理接口和接口的信号特性。6.2熟悉被测对象（PCB）的技术状态a.熟悉被测PCB的工作原理与组成，具备原理图；b.熟悉被测PCB的物理结构和元器件布局图，具备PCB的网络表；c.熟悉被测PCB的元器件应用情况；d.熟悉被测PCB的技术条件和使用规则；e.熟悉被测PCB的调试细则。6.3编程的基本条件和程序设计a.分析被测PCB的电路结构，对复杂电路结构进行分解，建立相对独立的模块；b.分析电路模块的各种特性，建立故障模型和故障数据库；c.通过实验或测试，掌握被测PCB的性能，静态参数，动态特性等技术参数，建立样本数据库；d.确定测试内容，测试项目和测试流程；e.确定激励与响应关系，建立测试集；f.确定测试方法和故障诊断类型及分析方法；g.提出测试技术要求，确定技术指标；h.对被测PCB进行程序设计；i.可以应用软件仿真自动生成测试程序。6.4被测PCB与测试平台的接口设计了解了测试平台的物理接口和信号特性，明确了被测PCB的边沿接插件插针所需要的信号特性，设计被测PCB的专用测试