提高遙測信號處理器測試性的一種方法

　　可測試性定義為：產(chǎn)品能及時(shí)準確地確定其狀態(tài)，隔離其內部故障的設計特性，以提高產(chǎn)品可測試性為目的而進(jìn)行的設計被稱(chēng)為可測試性設計?？蓽y試性是同可靠性、維修性相并列的一門(mén)新型學(xué)科，其發(fā)展和應用對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的全壽命周期費用具有重要意義。隨著(zhù)集成電路設計方法與工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路的可測性已經(jīng)成為提高產(chǎn)品可靠性和成品率的重要因素。文中針對遙測產(chǎn)品中信號處理器的設計原理，通過(guò)增加BIT以提高信號處理器的測試覆蓋率。

　　1 信號處理器簡(jiǎn)介

　　硬件電路軟件化是電路設計的發(fā)展趨勢。借助大規模集成的FPGA和高效的設計軟件，不僅可通過(guò)直接對芯片結構的設計實(shí)現多種數字邏輯系統功能，而且由于管腳定義靈活，從而減輕了信號處理器電路圖設計和電路板設計的工作量及難度。這種基于可編程邏輯器件的設計大幅減少了芯片的數量，縮小了系統的體積，提高了系統的可靠性，同時(shí)也增加了信號處理器的測試復雜度，降低了故障隔離率。

　　信號處理器主要完成電壓模擬信號的分時(shí)采集、RS422總線(xiàn)信號的接收和編碼輸出等功能，原理框圖如圖1所示。

　　圖1 信號處理器原理框圖

　　2 信號處理器測試現狀分析

　　信號處理器作為遙測產(chǎn)品的重要部件，其可測試性基本決定了遙測產(chǎn)品的可測試性，因此提高信號處理器的可測試性意義重大。由圖1可知信號處理器需要進(jìn)行測試的節點(diǎn)較多，主要包括多路模擬信號調理電路、交換子、A／D轉換器、RS422總線(xiàn)接口芯片、PCM碼輸出電路、FPGA內部的各邏輯模塊、二次電源等，共計約34個(gè)測試節點(diǎn)。

　　在地面或試驗室環(huán)境中，采用信號模擬器、萬(wàn)用表、示波器、數據接收設備等對信號處理器進(jìn)行測試，可以考核全部測試節點(diǎn)，基本實(shí)現信號處理器100％的測試覆蓋率和故障隔離率。

　　在供電、二次電源變換以及PCM輸出正常的前提下，在掛機自檢過(guò)程中通過(guò)接收到的PCM數據僅可獲取部分模塊的工作狀態(tài)，主要包括“供電”信號所在的調理電路、交換子、A／D轉換器、模擬量處理模塊和編碼控制模塊的部分功能，測試覆蓋率約為24％。當4個(gè)單元中任意一個(gè)單元或多個(gè)單元出現故障時(shí)，無(wú)法通過(guò)數據分析完成故障的進(jìn)一步隔離，從而形成一個(gè)模糊度為4的模糊組，故障隔離率0％。

　　3 BIT設計分析

　　3．1 單一模擬信號采集通路BIT分析

　　通過(guò)對圖1中雙點(diǎn)劃線(xiàn)部分電路進(jìn)行分析，建立故障樹(shù)如圖2所示，根據故障樹(shù)形成相關(guān)性圖形模型如圖3所示，獲得一階相關(guān)性及相關(guān)D矩陣如圖4所示。

　　圖2 故障樹(shù)

　　圖3 相關(guān)性圖形模型

　　圖4 一階相關(guān)性及相關(guān)D矩陣

　　圖5 診斷樹(shù)和故障字典

　　通過(guò)對D矩陣分析，識別冗余測試點(diǎn)和模糊組，完成檢測用測試點(diǎn)選擇，生成診斷樹(shù)和故障字典如圖5所示。

　　3．2 單一模擬信號采集通路的BIT設計

　　部分電路BIT分析是基于通過(guò)獲得測試點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)識別故障和故障定位。根據信號處理器的特殊性，設計采用為電路各測試點(diǎn)引入激勵信號的方式，實(shí)現判斷功能模塊是否存在故障的功能，其BIT方案如圖6所示。

　　圖6 模擬信號BIT方案

　　在信號處理器上增加D／A轉換器電路和開(kāi)關(guān)矩陣模塊，FPGA中增加自檢模塊；信號處理器加電時(shí)，自檢模塊控制開(kāi)關(guān)矩陣接入各測試點(diǎn)，由D／A轉換器接入特定電壓值；通過(guò)比較電路最終測試返回值與引入值即可了解各模塊的狀態(tài)。以模擬信號“供電”測試通道為例說(shuō)明BIT工作流程。

　?。?） 自檢模塊預設D／A輸出值為4 V。（2）通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣將4 V電壓接入“供電”信號所在調理電路前端。（3）自檢模塊將通過(guò)A／D轉換器獲得的數據同預定值進(jìn)行比較。（4）如果比較結果一致，則輸出“000”表示無(wú)故障，自檢結束。（5）如果比較結果不一致，則控制開(kāi)關(guān)矩陣將4 V電壓接入調理電路后端，即交換子前端，自檢模塊將通過(guò)A／D轉換器獲得的數據同預定值比較。（6）如果比較結果相一致，則輸出“110”表示調理電路故障，自檢結束。（7）如果比較結果不一致，則控制開(kāi)關(guān)矩陣將4 V電壓接入交換子后端，即A／D轉換器前端，自檢模塊將通過(guò)A ／D轉換器的獲得的數據同預定值進(jìn)行比較。（8）如果比較結果相一致，則輸出“101”表示交換子故障，自檢結束。（9）如果比較結果不一致，則通過(guò) “100”表示A／D轉換器故障，自檢結束。

　　此流程存在盲點(diǎn)，即模擬信號處理模塊故障。因為該故障也可能導致交換子輸出和A／D轉換器輸出故障，單一流程無(wú)法進(jìn)行識別和隔離。全部模擬通道均加入到此流程后，就可以通過(guò)多數原則判定和隔離上述故障。

　　3．3 RS422數據通道BIT設計

　　RS422 數據接收只有兩級功能模塊，故障判定和隔離相對簡(jiǎn)單。只需要在FPGA中增加相應數量的標準RS422總線(xiàn)數據流，通過(guò)RS422總線(xiàn)接口芯片、開(kāi)關(guān)矩陣和總線(xiàn)選擇器接入RS422總線(xiàn)接口芯片輸入端或RS422數據處理模塊。RS422數據通道BIT方案如圖7所示。

　　圖7 RS422數據通道BIT方案

　　信號處理器加電后，自檢模塊首先發(fā)出預定格式的RS422信息，并控制開(kāi)關(guān)矩陣切入RS422接口電路的輸入端，將接收到的數據同原始數據進(jìn)行比對。如果一致則代表無(wú)故障；否則，將預定數據通過(guò)總線(xiàn)選擇器切入RS422接口電路后端，再將收到的數據與預定數據比較，比對結果數據一致則RS422接口電路存在故障，反之RS422數據處理模塊故障，但不能同時(shí)識別RS422接口電路是否故障。

　　3．4 信號處理器整體BIT設計

　　通過(guò)對單一模擬信號采集通道以及RS422數據通道的BIT設計實(shí)現，最終信號處理器整體BIT設計結果如圖8所示。

　　圖8 信號處理器完善BIT后的設計框圖

　　自檢模塊為整個(gè)BIT設計的核心，自檢模塊需要控制D／A轉換、開(kāi)關(guān)矩陣的切換、總線(xiàn)選擇器工作狀態(tài)、產(chǎn)生需要的激勵信號、完成數據判讀以及生成故障代碼。自檢模塊的功能框圖如圖9所示。

　　圖9 自檢模塊的功能框圖

　　4 結束語(yǔ)

　　信號處理器完善BIT設計后，在掛機自檢狀態(tài)測試覆蓋率接近100％。如果信號處理器只有單一故障發(fā)生，則故障隔離率高達100％；如果多個(gè)故障發(fā)生，則故障發(fā)生越靠近信號輸入前端，故障隔離率越高，反之越低，平均故障隔離率約為70％?？傊?，信號處理器在增加BIT后，在掛機自檢狀態(tài)下的測試覆蓋率和故障隔離率有較大提高。