黨曉軍

（水利部發(fā)展研究中心，北京 100053）

0 引言

過去的幾十年內(nèi)，我國從國外引進(jìn)了一些自動化系統(tǒng)和設(shè)備，其中軍方和火力發(fā)電廠是主要的引進(jìn)單位。這些設(shè)計芯片自成體系，典型的以微處理器 1806BM 系列為核心，總線收發(fā)器、鎖存器、中斷控制器等形成自己獨立的通信和控制設(shè)備。隨著時間的推移，備件也幾乎耗盡，為了維護(hù)系統(tǒng)的正常運行，必須進(jìn)行板級的替代，替代板量很大，由不同的單位完成，而一些核心、加解密設(shè)備又只能由總裝單位管理，因此如何保證替代板的研制正確率，如何測試替代板是一個迫切的問題。

對批量生產(chǎn)的廠家而言，即使有1套完整的設(shè)備，可是如果每個人研制的替代板都要上設(shè)備插拔，一是影響其它人的測試，二是如果有錯誤會產(chǎn)生誤動作，影響設(shè)備壽命。因此，有1套直接測試的簡易設(shè)備，以自己的固定序列形成測試庫是很有必要的。

目前我們國家仍然引進(jìn)不少的設(shè)備，這些設(shè)備仍然堅持自己的芯片和系統(tǒng)，因此將來還存在板級、芯片的替代，研制的數(shù)字電路板測試診斷系統(tǒng)（以下簡稱 TE3）仍然有使用空間。

1 TE3的設(shè)計

1.1 組成

TE3主要針對中小規(guī)模數(shù)字邏輯芯片構(gòu)成的電路板，實現(xiàn)組合和時序等邏輯網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能正確性的測試檢查，為專業(yè)技術(shù)人員診斷數(shù)字電路板故障，查找故障元件提供多種技術(shù)手段。

TE3主要針對特定的數(shù)字電路板（中小規(guī)模芯片）進(jìn)行設(shè)計，由自動測試設(shè)備（ATE）、測試程序集（TPS）和測試運行環(huán)境（TE）3個主要部分組成[1]。

ATE 主要用于提供一個實現(xiàn)電路板功能測試和故障診斷的自動化平臺，作用是通過針對被測對象編寫專門的測試程序和運行環(huán)境來完成的。ATE 由PC 計算機、通信接口、自動測試控制部件和管理程序組成。PC 計算機通過通信口與自動測試控制部件交換信息[2]。自動測試控制部件接受 PC 機的命令，測試數(shù)據(jù)流，生成測試向量，將測試向量輸出到標(biāo)準(zhǔn)版和故障板；接受標(biāo)準(zhǔn)版和故障板的輸出向量回送給 PC 機[3]。測試程序集由測試診斷程序、引導(dǎo)測試操作和 TPS 執(zhí)行文檔組成[4]。

測試運行環(huán)境包括 TPS 結(jié)構(gòu)說明、測試編程手段，以及測試診斷向量設(shè)計需求的標(biāo)準(zhǔn)描述格式和測試方案信息。

1.2 工作原理

TE3采用功能測試法，直接利用電路板的輸入和輸出端口作為激勵和響應(yīng)點，對測試和標(biāo)準(zhǔn)2種樣本在相同的環(huán)境下使用相同的測試序列同時進(jìn)行測試，并回收兩者的輸出序列，用計算機比對兩者輸出，以判定被測試樣本的邏輯功能是否正確。設(shè)備連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 設(shè)備連接關(guān)系圖

PC 程序采用 VC 和 VB 混合編程，底層通信程序使用 VC[5]，界面使用 VB[6]。界面是編輯波形序列，通過點擊波形使其在 0，1之間進(jìn)行取舍。界面容量可以達(dá)20000個時序[7]。通過人工編輯可以形成測試向量庫，并形成測試經(jīng)驗庫[8]。VC 主要完成和單片機之間的雙向通信程序，通信的順序如下：選擇測試向量→形成測試流→采用乒乓方式通信→測試設(shè)備序列→形成顯示。其中乒乓通信保證了發(fā)送方和接受方的實時切換。顯示內(nèi)容放在1個大的緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)在充滿后實時寫入硬盤。乒乓通信方式實現(xiàn)原理如下：設(shè) A 和 B 兩個緩沖區(qū)，在發(fā)送 A 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)之后，立即讀取 B 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，此時單片機處理 A 區(qū)的數(shù)據(jù)形成測試向量加載，讀單片機 B 的同時，A 區(qū)也寫滿了加載向量的測試結(jié)果。乒乓機制必須保證1個讀寫的啟動，形成一種兵乓連續(xù)的讀寫機制，保證測試數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的準(zhǔn)實時[9]。

讀寫機理：初始化 A，B；發(fā) A，B，循環(huán)開始讀 A，發(fā) A，讀 B，發(fā) B，最后讀 B 即可。

通信協(xié)議格式如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議格式

數(shù)據(jù)生成主要由主界面完成，在主界面上可以對相應(yīng)位上、通道上的測試序列進(jìn)行點擊修改，并作為測試文件保留在歷史庫，測試文件以時間到秒命名并保留。

VB 程序完成數(shù)據(jù)矢量的編輯和測試結(jié)果的顯示[10]。

系統(tǒng)主界面可以對時序信號點擊編輯，隨時讓某個時間點的輸入信號變化，也可以選擇某列使整個列的信號變化。界面以外的信號可以通過滾動條觀察，使用比較方便。界面可以單步設(shè)置斷點，對某個時間界面上的信號持續(xù)觀察，也可以循環(huán)對1段信號連續(xù)發(fā)送觀察，適合電路板的調(diào)試。

單片機采用 CF8051F120系列單片機。該單片機提供 USB 驅(qū)動，并有豐富的 I/O 接口，可以保證對外部設(shè)備的擴展。對 I/O 口采用統(tǒng)一編址的方法，逐一讀取其 I/O 上的電平，并進(jìn)行輪詢。工作過程中為了保證電源加載安全，給出上述協(xié)議中類型位為 0和 1，分別是電源的加載和去載。每次完成測試，都有這個過程。形成測試結(jié)果送 PC 機顯示保存。

2 應(yīng)用前景

目前 TE3已經(jīng)用于某型系統(tǒng)國內(nèi)板級仿制測試。為了安全考慮，不能對仿制、替代的電路板直接運行系統(tǒng)調(diào)試，必須在對仿制板的線下測試可靠后，才允許上機替代。TE3可為線下測試提供可靠的保障。

未來以 TE3測試設(shè)備為基礎(chǔ)，建立以 PC 為基本測試點的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，可形成遠(yuǎn)程故障和診斷系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)構(gòu)圖

中心站通過通用網(wǎng)絡(luò)，建立各個測試點的測試和反饋向量數(shù)據(jù)庫，并在一定的時段向測試點發(fā)出測試指令，檢查測試點上傳的向量，對測試點板級設(shè)備進(jìn)行診斷，實時了解遠(yuǎn)程設(shè)備的運行情況。

網(wǎng)絡(luò)點之間協(xié)議交換格式如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)點之間協(xié)議交換格式

接收方根據(jù)目的地址，判定自己是否是節(jié)后指令，并提取檢測次數(shù)和開始時間，根據(jù)檢測序列號對設(shè)備進(jìn)行檢測，檢測后的結(jié)果存入用戶根據(jù)歷次測試形成的分類庫，該庫由系統(tǒng)自動生成，用戶只要按存入按鍵即可，并通過網(wǎng)絡(luò)上報中心節(jié)點。

上報中心節(jié)點協(xié)議交換格式，交換以大文件的方式上傳，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)上報傳輸測試結(jié)果楨結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

本測試診斷系統(tǒng)，目前主要針對數(shù)字和通信系統(tǒng)測試，對于模擬系統(tǒng)尚未展開，以后可以進(jìn)行擴充，現(xiàn)在正在用 PCI-E 總線替代 USB，這樣測試?yán)碚撍俾士蛇_(dá) G 級。運用本系統(tǒng)可以對任意序列組合進(jìn)行單步和循環(huán)的發(fā)送，直接對結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)電路板和測試電路板間進(jìn)行比對，給出故障信號的來源，大大提高了電路板設(shè)計和調(diào)試的效率，可以推廣應(yīng)用在各個電子設(shè)計領(lǐng)域。目前已經(jīng)在工信部第十五研究所應(yīng)用，效果良好，現(xiàn)正在和水利信息領(lǐng)域的專家接洽，希望在水利領(lǐng)域推廣。

長江微電子技術(shù)（大連）股份有限公司針對FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）電路板的測試和仿真、邏輯判斷技術(shù)先進(jìn)，已經(jīng)取得國家發(fā)明專利，但缺少系統(tǒng)可編輯的序列輸入，不能滿足設(shè)計者根據(jù)自己的邏輯反復(fù)測試和試驗的要求。

數(shù)字電路板測試診斷系統(tǒng)有待完善的地方：FPGA CPLD 等大規(guī)模邏輯電路，基于 Verilog 語言的設(shè)計，可以針對其 Verilog 程序的編譯系統(tǒng)在系統(tǒng)內(nèi)加入，這樣根據(jù)其綜合生成邏輯門級電路，可以將信號逐級傳送，推導(dǎo)各個點直至出口信號，形成真正的職能診斷系統(tǒng)。

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