摘要：一套基于過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的印制板故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由工控計(jì)算機(jī)、過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板和測(cè)試針床板等組成。過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板的設(shè)計(jì)充分考慮了被測(cè)對(duì)象的各種故障模型，測(cè)試功能比較完備。提出了元件“級(jí)”的概念，基于此概念來(lái)設(shè)計(jì)針床板與功能板之間的接口，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試策略的優(yōu)化。

數(shù)字設(shè)備故障自動(dòng)測(cè)試與診斷的研究隨著數(shù)字設(shè)備的發(fā)展而不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)字設(shè)備故障診斷技術(shù)是利用半導(dǎo)體器件允許瞬態(tài)過(guò)載的特性，采用過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在線隔離和測(cè)試器件；隨后相繼出現(xiàn)了紅外測(cè)試技術(shù)和新一代的非向量測(cè)試技術(shù)，如電容耦合技術(shù)、射頻磁場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)、模擬結(jié)效應(yīng)測(cè)試技術(shù)等。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的通用印制板故障診斷儀比較多，功能也比較強(qiáng)。

針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象和測(cè)試要求，各種故障診斷手段各具自己的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上存在的數(shù)字設(shè)備故障診斷系統(tǒng)對(duì)于特定的測(cè)試對(duì)象和要求也存在一定的局限性。本文根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于傳統(tǒng)的過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的印制板電路故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括工控計(jì)算機(jī)、過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板、測(cè)試針床板以及被測(cè)電路板。設(shè)計(jì)的核心是過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板測(cè)試針床板。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)診斷的對(duì)象是一套數(shù)字設(shè)備，該設(shè)備由多塊以TTL器件為主的數(shù)字電路印制板組成。本系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)故障的診斷對(duì)象進(jìn)行器件故障診斷和維修，因此被測(cè)對(duì)象不存在器件插錯(cuò)方向的故障。系統(tǒng)可能的故障模型主要有：①器件功能故障；②電路板發(fā)生橋接故障；③電源與地的絕緣電阻過(guò)小或短路。另外，要求該系統(tǒng)具有較小的體積和較輕的重量。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由微機(jī)、液晶顯示屏、操作按鈕、過(guò)驅(qū)動(dòng)電源、過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板和測(cè)試針床板組成。為了減小系統(tǒng)的體積和重量，采用工控機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)和液晶顯示屏；為了方便操作，采用設(shè)置一定的功能鍵代替鍵盤；為了減少過(guò)驅(qū)動(dòng)對(duì)操作平臺(tái)的干擾，過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板采用獨(dú)立的電源。測(cè)試時(shí)測(cè)試針床通過(guò)探針與被測(cè)印制板的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠接觸。由于該系統(tǒng)的測(cè)試針床板和安裝測(cè)試針床板的模具要求很高的機(jī)械加工精度，必須采用精密加機(jī)床進(jìn)行加工。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板的設(shè)計(jì)

印制板最致命的故障是電源與地的短路（對(duì)印制板盲目地通電很容易燒毀器件和電路板）。過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板設(shè)計(jì)了在印制板不加電的條件下測(cè)試電源與地之間的阻抗的電路，電路原理如圖2所示。

當(dāng)印制板電源與地之間的阻抗過(guò)小或者短路時(shí)，發(fā)光二極管燈亮。

由于印制電路板的橋接故障改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用傳統(tǒng)的向量測(cè)試生成技術(shù)診斷起來(lái)比較困難。應(yīng)用在線測(cè)試的方法，即在被測(cè)印制板不加電的情況下測(cè)試所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的阻抗，則可以較好地診斷整個(gè)電路中發(fā)生的橋接故障。電路原理如圖3所示。

任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)地址開(kāi)關(guān)的選通接入采樣電路，采樣電路利用分壓的原理測(cè)量a、b之間的電阻。

過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板插接在計(jì)算機(jī)的ISA總線插槽上。由于過(guò)驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)加入時(shí)，電源的負(fù)載會(huì)突然增大，給計(jì)算機(jī)造成比較強(qiáng)的干擾，所以過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板的過(guò)驅(qū)動(dòng)電流必須采用獨(dú)立的電源提供，而過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板的控制部件依然由計(jì)算機(jī)的電源接入。

對(duì)器件的功能故障進(jìn)行測(cè)試時(shí)，過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板的設(shè)計(jì)還要考慮到以下幾個(gè)因素：

（1）每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可能是過(guò)驅(qū)動(dòng)的輸入點(diǎn)，又可能是響應(yīng)的輸出點(diǎn)；

（2）作為過(guò)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)時(shí)，既可能是灌電流點(diǎn)，又可能是拉電流點(diǎn)；

（3）由于過(guò)驅(qū)動(dòng)電流大，需要采用高速繼電器控制；

（4）由于過(guò)驅(qū)動(dòng)的瞬態(tài)性，必須保證同時(shí)施加激勵(lì)，同時(shí)測(cè)試響應(yīng)；

（5）由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線位數(shù)的限制，必須首先鎖存激勵(lì)的狀態(tài)。然后由一根控制線將激勵(lì)同時(shí)加到被測(cè)印制板上，鎖存印制板在該激勵(lì)下的響應(yīng)，然后分多次讀出響應(yīng)結(jié)果。

基于以上幾點(diǎn)因素，對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的功能測(cè)試電路如圖4所示。

對(duì)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：

（1）灌電流和拉電流傳輸?shù)穆窂缴暇捎酶咚倮^電器控制，其它控制門采用TTL門控制。

（2）當(dāng)印制板不加電時(shí)，單刀雙擲高速繼電器接地通被測(cè)點(diǎn)到多選2開(kāi)關(guān)的通路，接通電路的橋接故障測(cè)試通路；當(dāng)印制板加電時(shí)，接通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路到被測(cè)點(diǎn)的通路，使被測(cè)點(diǎn)可以接受灌電流或拉電流接通輸出電路。

（3）測(cè)試點(diǎn)狀態(tài)選擇端在印制板加電的狀態(tài)下控制被測(cè)點(diǎn)是輸入還是輸出。

（4）各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的激勵(lì)施加控制端和響應(yīng)測(cè)試控制端連接到一起，保證同時(shí)施加激勵(lì)和同時(shí)測(cè)試響應(yīng)。

將每個(gè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的上述電路作為一個(gè)模塊，該模塊如圖5所示。

所有被測(cè)點(diǎn)的模塊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線的控制原理如圖6所示。圖中的印制板加電控制由微機(jī)面板上的操作按鈕開(kāi)關(guān)直接控制。

2.2 測(cè)試針床板與過(guò)驅(qū)動(dòng)功能轉(zhuǎn)接的設(shè)計(jì)

任何組合邏輯電路都可以用圖論中的樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示其拓?fù)潢P(guān)系，用小圈表示器件，用來(lái)向線段表示信號(hào)的流向（一根有向線對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)），在有扇出的電路中，每個(gè)扇出點(diǎn)用分叉的有向線段表示。邏輯電路拓?fù)鋱D如圖7所示。其中，a、b、c、d為原始輸入端，1～9為有向線段，A、B、C為器件。

印制板上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既是一個(gè)器件的輸入，又是另一個(gè)器件的輸出，而在一次測(cè)試中該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不可能既為輸入又為輸出。所以確定一個(gè)合理的測(cè)試策略，可以充分利用系統(tǒng)的資源，在最短的時(shí)間內(nèi)測(cè)試完所有的器件。

本文提出根據(jù)被測(cè)印制板的電路拓?fù)鋱D將器件劃分為不同的“級(jí)”。在論述“級(jí)”的概念之前，先引入一個(gè)“路徑長(zhǎng)度”的概念。“路徑長(zhǎng)度”為原始輸入端的信號(hào)向輸出端傳遞的過(guò)程中經(jīng)歷的器件的個(gè)數(shù)。以圖7為例：1～4構(gòu)成一條路徑，經(jīng)歷一個(gè)器件A，路徑長(zhǎng)度為1；1～5～8～9構(gòu)成另一條路徑，經(jīng)歷三個(gè)器件，路徑長(zhǎng)度為3。器件的“級(jí)”的確定原則是：從原始輸入端到器件的輸入端的路徑中的最長(zhǎng)路徑即為該器件的“級(jí)”。根據(jù)器件的“級(jí)”，可以確定如下的過(guò)驅(qū)動(dòng)測(cè)試策略：首先過(guò)驅(qū)動(dòng)奇數(shù)“級(jí)”的器件，然后過(guò)驅(qū)動(dòng)偶數(shù)“級(jí)”的器件。為了達(dá)到這樣的測(cè)試目的，測(cè)試針床板在引出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)將不同“級(jí)”的器件的輸入端連接在一起。

3 對(duì)系統(tǒng)測(cè)試的幾點(diǎn)說(shuō)明

該系統(tǒng)對(duì)不同的印制板進(jìn)行測(cè)試時(shí)，換用不同的測(cè)試針床板，每塊針床板在與通用的過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板連接時(shí)具有不同的轉(zhuǎn)接關(guān)系。

不同的印制板對(duì)應(yīng)不同的故障測(cè)試子程序的執(zhí)行由控制按鈕直接控制。

故障診斷的策略由測(cè)試子程序和過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板與測(cè)試針床板的硬件連接配合實(shí)現(xiàn)。對(duì)某器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如果該器件的輸出端存在到輸入端的反饋環(huán)，必須斷開(kāi)反饋環(huán)，否則由于反饋產(chǎn)生毛刺，將會(huì)得到錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。

本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了一種基于過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的印制板故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用液晶顯示屏和按紐控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和操作的方便性；針對(duì)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和故障模型（如橋接故障、電源故障以及器件的功能故障）設(shè)計(jì)了通用的過(guò)驅(qū)動(dòng)功能板，診斷功能較強(qiáng)。本文學(xué)提出了器件“級(jí)”的概念，基于此概念設(shè)計(jì)了針床板與功能板之間的接口，達(dá)到了診斷策略的優(yōu)化。