單片機應用電路板的故障診斷方法簡(jiǎn)介

【摘　要】　采用單片機仿真技術(shù)和程控自動(dòng)探針測試技術(shù)進(jìn)行了單片機應用電路板的在線(xiàn)測試及故障診斷的設計，結合實(shí)例探討了其優(yōu)勢及不足。
關(guān)鍵詞：單片機應用系統，仿真測試，故障診斷，在線(xiàn)測試
　　
1　引　言
　　單片機以其體積小、功耗低、應用靈活、性?xún)r(jià)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(lǐng)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(shí)，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(diǎn)。我們在研制電子裝備通用自動(dòng)測試系統時(shí)，將PCB的測試，尤其是帶單片機的PCB（簡(jiǎn)稱(chēng)CPU板）的故障診斷作為難題之一來(lái)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(diǎn)，因為CPU板是總線(xiàn)結構的PCB板，其總線(xiàn)結構中的總線(xiàn)器件（如：RAM、ROM等）隨著(zhù)程序指令的進(jìn)行而完成不同的功能，管腳數據信息隨著(zhù)程序的執行不斷變化，一般采用仿真方法進(jìn)行測試。仿真測試是將單片機系統開(kāi)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(xiàn)周期仿真測試、DMA仿真測試等。對非總線(xiàn)器件（如：邏輯器件、時(shí)序器件等）進(jìn)行測試，可利用隔離技術(shù)注入測試激勵，采集相應節點(diǎn)的響應進(jìn)行在線(xiàn)測試、功能測試等。通過(guò)權衡被測裝備CPU板的性能、種類(lèi)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(dòng)探針測試相結合的方法。
2　測試內容及實(shí)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，執行專(zhuān)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。測試系統采集輸出信號與預期信號進(jìn)行門(mén)限比較，以判斷電路板的功能是否正常。當功能測試無(wú)法通過(guò)時(shí)，測試系統利用程控探針對電路板內部關(guān)鍵節點(diǎn)進(jìn)行信號采集，并與預定數據進(jìn)行比較，通過(guò)故障樹(shù)分析程序進(jìn)行故障隔離與顯示，將故障確定到一個(gè)或幾個(gè)器件。對無(wú)法利用測試程序進(jìn)行判斷的非總線(xiàn)邏輯和時(shí)序數字集成器件，可結合輔助IC夾具測試的方法，采用實(shí)時(shí)仿真測試方法進(jìn)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(wú)法提供測試系統所需的測試向量并完成測試任務(wù)。測試開(kāi)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(lèi)，編譯相應的單片機程序，以實(shí)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(jìn)行功能測試時(shí)，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(kāi)發(fā)的單片機程序并寫(xiě)入仿真機中，然后執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(xiàn)器件進(jìn)行讀／寫(xiě)操作，判斷其功能是否正常。因目前單片機仿真開(kāi)發(fā)與調試技術(shù)已日見(jiàn)成熟，只需對市場(chǎng)上供應的單片機仿真器硬件及軟件進(jìn)行少量改進(jìn)，就能應用到通用自動(dòng)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(jìn)行動(dòng)態(tài)功能測試；可實(shí)現復雜的測試算法，易于生成復雜的測試圖形；對總線(xiàn)器件測試故障覆蓋率較高；由于采用市場(chǎng)成熟的仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)工作量較少。
2．2　程控探針自動(dòng)檢測技術(shù)
　　程控自動(dòng)探針可程控定位探測點(diǎn)并刺穿防護層，獲取檢測信號。它利用步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制，由電機驅動(dòng)完成探針的矢量移位，探針接觸電路焊點(diǎn)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(shí)現，檢測信號由專(zhuān)用電纜引出。在對被測PCB進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，首先對被測PCB在程控探針裝置上的物理位置進(jìn)行校準，一般選取兩個(gè)校準點(diǎn)記錄在案；再通過(guò)人工輔助定位方式確定所選節點(diǎn)的坐標參數，此時(shí)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點(diǎn)；再執行其遠控功能，由計算機準確讀取并記錄坐標參數；將測試點(diǎn)坐標參數調入測試程序，計算測試點(diǎn)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點(diǎn)處，再調用落針、相對位移劃破涂層程序，控制矩陣開(kāi)關(guān)、測量?jì)x器進(jìn)行測量，記錄檢測數據。此自動(dòng)檢測方法與傳統的人工檢測方法相比，自動(dòng)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(jìn)行測試時(shí)，因電路板難于安裝固定而無(wú)法進(jìn)行檢測。

2．3　數字集成電路實(shí)時(shí)仿真測試技術(shù)
　　對于處理器仿真測試無(wú)法涉及的非總線(xiàn)器件，輔助測試夾具可實(shí)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(dòng)（Back Drive）技術(shù)，采用對電路器件工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的測試方法，使用圖形化編程工具提供的邏輯關(guān)系、條件函數建立仿真器件庫，將實(shí)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(shí)際電路的輸出數據，并與輸入數據經(jīng)邏輯關(guān)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(shí)現較簡(jiǎn)單，根據功能表利用數學(xué)邏輯公式即可組建仿真器件。時(shí)序電路器件的輸出不但與當時(shí)的輸入有關(guān)，還和電路前一級時(shí)序狀態(tài)有關(guān)，需要存儲觸發(fā)器所組成的存儲電路進(jìn)行記憶和表征，因此其組建過(guò)程需要解決時(shí)序電路的初態(tài)、存儲和記憶等問(wèn)題。我們選用HPVEE軟件進(jìn)行仿真，使用它的Math、Sample＆Hold和ShiftRegister等特殊功能函數來(lái)實(shí)現仿真器件庫的組建。
　　此技術(shù)避免了反驅動(dòng)技術(shù)可能對CMOS電路帶來(lái)的器件損壞，擴大了應用范圍。改進(jìn)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(lái)的測試故障。但在仿真測試開(kāi)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(shí)例分析　　
電子裝備通用自動(dòng)測試系統是集VXI總線(xiàn)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，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(yǔ)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(kāi)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(jìn)行CPU板測試的系統結構如圖1所示。
　　軟件測試流程見(jiàn)圖2，軟件設計過(guò)程中，被測PCB板的性能測試與故障診斷可單獨進(jìn)行，也可連續進(jìn)行，并對故障診斷歷史記錄進(jìn)行保存。故障顯示利用測試點(diǎn)圖像顯示方法，可調用被測板電路圖，動(dòng)態(tài)顯示測試節點(diǎn)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(jìn)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(shí)間基本滿(mǎn)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(shí)際工作程序代碼，與系統保存的標準原程序代碼進(jìn)行比較，得出診斷結果，此方法無(wú)須添加硬件與軟件，簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)工作。通過(guò)故障模擬實(shí)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。