采用嵌入式控制器的印制电路板模块测试设备

 

（中国航空无线电电子研究所，上海市200233） 韩国泰

 

摘  要：介绍了一种基于嵌入式测试控制器的印制电路板模块测试设备。它根据目前我国航空电子设备中印制电路板模块的测试需求和生产线测试环境的使用要求，采用PC104总线的ALL-IN-ONE CPU模块作为嵌入在测试设备中的测控计算机，通过PC104总线，一方面控制测试设备母板上的激励/测试电路的工作，另一方面仿真机内总线对被测试模块的操作，形成完整的电路板模块测试环境。同时，在ALL-IN-ONE CPU模块基础上构成的测控计算机系统，有良好的数据与信息处理能力，能有效地对测试结果加以分析处理并做出故障诊断，提供友好的图型化的交互式人机界面，输出完整的测试报告，还可通过网络支持生产线的计算机管理。该设计充分利用了市场提供的软硬件产品的良好性能，具有体积小、成本低、研发周期短、通用性好、使用维护方便的特点。根据该设计原理研制的多台印制电路板模块测试设备，已提交生产线使用。

关键词：印制电路板模块测试设备；嵌入式控制器；PC104总线

 

Abstract：A design for printing circuit board module (SRU) test-set based on embedded controller is described in this paper. Aiming at the test requirements of the PCB modules of the avioNIcs equipments and the application environment of the product-line, an all-in-one PC104 bus CPU module is used as an embedded controller of the test-set, to control all other resources on the motherboard of the test-set for test stimulation and measurement, and to access the SRU under test just as it is inside the LRU. Based on the excellent data and massage processing capability of the all-in-one PC104 bus CPU, both of the diagnostics for the SRU under test and the test report are derived from the analysis of all the test results. With the advantages of short period of development, low costs, small footprint, friendly GUI, now several test-sets have been developed for product-line application. 

Key words：circuit module test-set；embedded controller；PC104 bus

 

作为质量保证体系的必要组成部分，航空电子产品在研制生产过程中对各个环节的产品，包括元器件、印制电路板模块、分立设备、分系统、系统，都必须按相应的技术规范进行严格测试。其中，元器件测试涉及许多详细性能指标，尤其是超大规模集成电路的测试，必须使用复杂的IC测试系统，所以常采用供应商认定的做法，委托生产商去完成。分系统、系统级的测试，主要是验证分系统、系统的功能和运行情况，需要分系统、系统的所有设备参加，它的必要前提是所有参试设备都通过交付验收，具体实施大多采用分系统、系统联试的做法，联试情况由通用仪器加上少数专用测试设备实时监测。印制电路板模块与分立设备需要进行功能与性能两个方面的测试，是航空电子产品研制生产单位测试工作的重点，其中印制电路板模块的质量更是整机质量的基础。由于各种设备中用到的印制电路板模块的类型与品种很多，不同电路板模块有不同的测试需求，增加了印制电路板模块测试的复杂性和工作量，使印制电路板模块的测试方案设计与测试设备研制，成为测试工程师必须面对的挑战。

印制电路板测试设备必须要解决好如下的关键技术问题：

（1）机内计算机总线信号的仿真和测试

目前多数机载设备内部由一个CPU模块和几个功能模块组成，CPU模块通过机内的母板（或背板）上的计算机总线控制各功能模块的工作，发送命令和交换数据。测试航空电子设备的印制电路板模块时，需要实现机内计算机总线信号的仿真和测试。   

（2）被测印制电路板模块各种IO信号的激励与测试

印制电路板测试设备要提供测试被测模块时所需的激励信号，特性要符合其电气特性与时间特性的要求；还要正确接收被测电路板模块的输出信号，保证信号采集正确、可靠。

（3）   避免与抑止各种电气干扰和信号间的串扰

在机载设备中，通过母板（或背板）的各印制电路板间信号交连的连线很短，加上印制板和母板合理布线，有效地避免了各种外部电气干扰和信号之间的串扰。研制印制电路板模块的测试设备时，必须很好地处理测试设备与被测模块间的信号连接，尽量缩短连线长度，对某些信号线采取适当的屏蔽措施，保证不会因各种电气干扰和信号间的串扰造成测试错误。

（4）    测试程序与模块上驻留程序的互操作性

测试软件要仿照被测模块在机上运行情况，按被测模块ICD文件信息格式与通信协议要求及被测模块上驻留程序工作流程，向被测模块发出操作所需的命令，同时控制与驱动测试平台中的各种资源进行工作，提供激励和进行测试。测试软件必须保证测试程序的运行与被测模块上驻留程序的运行在运行的条件、参数上相互吻合，在运行的顺序、时序上互相嵌合，才能获得正确的测试结果。

（5）    测试设备的通用性

作为生产线上使用的印制电路板测试设备，除上述要求外，必须尽可能做到通用化，以减少测试设备数量，降低测试成本，便于设备的使用与维护。

 (1)采用通用仪器

采用通用仪器为每一块电路板搭一个测试台，一般只适合于原理电路的试验与测试，它要使用很多不同的仪器，占用很大的空间，不仅效率低，使用也不方便。而且它一般只能测试电路板模块的独立功能，很难解决机内计算机总线信号的仿真问题，难以测试电路板模块对总线控制命令的响应情况。

(2)替代法测试

替代法测试采用类似于原来机上设备的测试平台，即以原机上设备的其他模块构成运行环境，再加上一些其他仪器构成监测环境，然后将被测模块插入对应插座进行测试。替代法测试一般不能直接观测到被测模块引脚上的所有输入输出信号与数据，而要根据整个设备最终工作情况，间接地判断被测模块的工作情况和故障情况。由于机载设备的电路板模块价格高，导致替代法测试设备的费用很高。此外，替代法测试平台在不同型号的印制电路板模块间的通用性也很差。

(3)板级自动测试系统

外军在大修厂中采用模块化的板级综合自动测试系统对印制电路板模块作维修测试，但这种系统体积庞大，技术复杂，价格昂贵，目前很难在国内的生产线上全面配置。

(4)采用嵌入式控制器的印制电路板模块测试设备

根据目前我国航空电子设备中印制电路板模块的测试需求和生产线测试环境的使用要求，笔者提出了另一种设计方案，它采用ALL-IN-ONE 的PC104总线CPU模块作为测试设备的嵌入式控制器，通过PC104总线，一方面控制测试设备母板上的激励/测试电路的工作，另一方面仿真机内总线对被测试模块的操作，形成完整的电路板模块测试环境，从而建立体积小、费用低、通用性强的板级测试平台，来支持种类繁多的电路板测试。

在提出采用嵌入式控制器的板级测试设备设计方案之前，笔者对目前航空电子设备内部结构进行了详细分析。

（1）目前的航空电子设备内部使用的处理器芯片种类很多，相应地定义和使用了很多不同的机内总线，测试设备对机内计算机总线信号进行仿真和测试是一个复杂的技术问题。要完全仿真机内计算机总线操作，最直接的方法是替代法，在测试功能模块时，用机上的MCPU模块作为控制器，这样不同的机内总线必须用不同的MCPU，基本上没有通用性，测试软件也没有可移植性，而且为开发测试程序还需要专门的开发系统，测试程序的开发工作量大，设备的研发成本高。另一种仿真和测试机内计算机总线操作的办法是采用高速数字IO，在板级综合自动测试系统中就是使用高速数字IO模块实现对总线的操作与测试，它在硬件上是通用的，但对不同的CPU芯片需要购买不同的仿真软件，因而测试设备的研发成本也是很高的。

（2）目前的航空电子设备内部结构多为单处理机系统，即由一个作为控制器的主处理机模块（MCPU）和若干功能模块（数据处理模块、显示处理模块、通信接口模块、数字和模拟IO模块、电源模块等）组成，功能模块的工作受MCPU控制。虽然某些功能模块上也有自己的处理器（CPU）和驻留程序,但该处理器并无控制设备中其他电路板模块工作的能力，它不会提出接管机内总线的申请，更不会实施对总线的控制和管理，这类模块通常被称为智能（smart）模块，具有智能模块的航空电子设备其结构仍然属于单机系统，而不是多机系统。

（3）MCPU模块与功能模块之间一般为松耦合，主要是通过存储器和寄存器一类器件（如：RAM、双口RAM、FIFO、输出输入控制寄存器等）交换控制信息、状态信息和数据。正确访问存储器和寄存器一类器件的限制条件取决于存储器和寄存器的电气性能指标和时间性能指标，本质上与采用何种CPU芯片或计算机总线无关。

根据以上分析，在对松耦合结构的航空电子设备中的印制电路板模块进行测试时，如果对总线操作只需要进行功能测试，就可以通过相对简单的对存储器和寄存器的访问予以实现，这意味着在一种计算机总线的基础上，对总线信号作一些适当的转换后（这种转换电路可以设置在适配器的电路板上），就可以对不同机内总线的电路板模块的总线端口进行操作，从而实现测试控制。

此外，对第1节中的其他要求，笔者作了如下的考虑与处理：

(1)   为测试设备提供一块母板作为设备主体，根据测试需求和接口控制文件（ICD），将支持各种数字量、模拟量、脉冲信号及串行通信信号测试的各种激励/测试电路（包括DIO、A/D、D/A、脉冲信号发生器、计数器、通信接口等电路）都布置在母板上，对于CPU类型的被测模块，测试设备母板上还设计了双口RAM、FIFO寄存器及输出输入控制寄存器，以检查被测CPU模块通过机内总线访问机载设备上其他功能模块的操作是否正确。

(2)    所有激励与响应信号都通过印制电路板上的印制导线连到测试插槽，再经适配器印制板上的走线连到测试插座，以此尽量缩短测试信号引线，避免因采用较长的测试电缆引起各种电气干扰或信号间的串扰。

(3)   为解决测试软件与被测印制电路板模块上驻留软件的兼容性问题，在软件开发时，把机上模块与模块间及模块与外部设备间交换的各种信息的定义、格式、规约、次序、条件及应答时间要求等作为重点反复分析，然后与被测模块设计方进行协调，将协调结果形成双方共同认可的文本，并在可能的情况下，由对方增编支持测试的软件，尽可能在编程时做到测试软件与被测模块上的驻留软件在运行上保持一致，便于以后双方的联调。

(4)    由于航空电子设备机内的印制电路板的类型很多，使用一种平台测试所有各种模块会增加设计难度和设备的复杂程度，拉长研制周期，提高研制成本。比较合理的方案是将功能分类后设计一组形成系列的测试设备，来满足不同类型印制电路板模块的测试要求。一种印制电路板测试设备能兼容不同型号中功能与类型相似的一类模块的测试需求，能通过使用不同的适配器分别对它们进行测试。

(5)   为实现嵌入式测试平台结构设计的系列化、通用化、小型化，将不同的电路板测试设备在结构上设计成大小尺寸统一的测试盒，不同的测试盒，除后部的某些信号插座有不同外，采用相同的尺寸和结构，外观统一，零部件通用，实现系列化、通用化，并尽可能优化设计，做到简明、紧凑、合理、小型化，便于加工，也便于测试设备在生产线上的布置。

采用嵌入式控制器的印制电路板模块测试设备的原理框图如图1所示。设备的设计原理如下：    `

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 采用嵌入式控制器的印制电路板模块测试设备的原理框图

 

(1) 采用PC104总线ALL－IN－ONE CPU模块作为嵌入式测试控制器，形成基于Wintel架构的低成本的PC104总线测试平台，在此基础上进行软硬件开发。

(2) 在测试设备的母板上采用CPLD器件编程形成类似机载设备机内的母板（或背板）与被测电路板之间的数字信号接口，按被测电路板的测试需求，在测试程序的控制下，产生被测电路板工作所需的数字信号激励，同时采集和测试该模块输出的数字信号。由于单板提供的测试需求往往是按替代法编写的，没有嵌入式测试所要求的对引脚上各信号特性和测试要求的阐述，也没有关于该模块测试原理和测试方法的说明，给测试电路设计带来不少困难。采用CPLD器件，使电路设计可按研发情况随时修改，给处理研制过程各阶段出现的问题提供了很大的灵活性。

(3) 在测试设备母板上用A/D、D/A器件形成类似机载设备机内的母板（或背板）与被测电路板之间的模拟信号接口，按被测电路板的测试需求，在测试程序的控制下，产生被测电路板工作所需的模拟信号激励，同时采集和测试该模块输出的模拟信号。

(4) 在测试设备母板上用串行通信接口芯片形成类似机载设备机内的母板（或背板）与被测电路板之间的串行通信接口，按被测电路板的测试需求，在测试程序的控制下，与被测电路板通信，对通信功能进行测试。目前，航空电子设备的分系统内部广泛使用RS422/RS485总线作设备间的串行通信总线，为节省资源，可将CPU模块的RS232串行口用电路转换成RS422/RS485通信口，并通过多路器扩展成多个通信口与被测模块耦合。

(5) 在测试设备母板上将PC104总线经缓冲电路后连接到适配器通用插槽的引脚上，提供嵌入式控制器经PC104总线直接访问被测电路板上的存储器和寄存器的通路，被访问的被测电路板的IO空间范围和存储器空间范围用译码电路和地址偏移电路控制，避免与嵌入式计算机系统所用IO空间范围和存储器空间范围发生冲突。

(6)    系统软件和测试程序存储在大容量存储器（硬盘）中，测试程序包括对母板上测试/激励资源的控制和对被测试模块运行的控制，通过对测试结果的判读，决定后续程序的运行方向，并生成该项测试的结论。

(7)      在嵌入式测试中，测试设备既要提供被测模块在机载设备中与机内其他模块间的交连信号，又要提供装入机载设备后该被测模块与外部其他设备间的交连信号，并仿真机内外环境运行。开发的测试软件必须使检测设备能正确实现这两种角色的结合与转换。因此要将每个模块的测试任务作合理的分解，详细绘制出各项目的测试流程图，并通过与被测模块的联调，把实测数据与有关技术文件对照，对细节作修改、调整、补充，予以完善。

在软件开发中注意人机界面的设计，努力做到：功能明确、操作简便，数据准确、画面清晰、提示简明。

(8) 为每一种电路板提供一个适配板，实现信号的转接、隔离、缓冲、电平转换、调理等要求，使同一平台经过适配器可测试不同型号机载设备上的功能与类型相近的同类电路板。

(9) 被测试电路板需要的各种工作电源由测试设备提供。

(10) 按被测电路板的测试需求，必要时可外接示波器、视频监视器等通用仪器，观测从被测电路板输出的波形信号和/或视频画面。

(11) 测试盒和适配器采用同样的结构设计，以在结构上满足标准化、通用化要求。

(12) 测试设备采用图形化的人机界面，操作员以人机交互的方式进行测试操作。

通过板级测试设备研制实践，表明采用嵌入式控制器的印制电路板模块测试设备具有如下优点，：

(1) 可以充分利用市场上丰富的计算机技术和测试技术已有的技术成果和产品，有利于降低测试设备研发费用，缩短研发周期。

(2) 可以实现对单板的单独测试，直接获得被测模块的各种测试数据，有利于正确检验被测模块的功能与性能并作出判定。

(3) 有利于实现测试设备的小型化、通用化、标准化和系列化。

(4) 便于在生产线上使用。

 

韩国泰（1946--），男，中国航空无线电电子研究所研究员。