摘要：電子裝備在*艦艇上應用廣泛，如觀通、導航、指揮控制、電子戰(zhàn)和武器控制等，屬于艦艇關鍵設備，電子裝備以其智能化、小型化、高速、高復雜度的特點，在大幅度提高艦艇生命力和作戰(zhàn)效能的前提下，也為艦艇維修保障部門和人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。ATE是以計算機為基礎的故障診斷技術設備，投入使用后，加速了測試過程，提高了維修速度，還可以預防未發(fā)生的故障，進而提高裝備的質量和性能。艦艇電子裝備中的電路板存在多種類型，這里僅考慮針對單純的數(shù)字邏輯型電路板ATE設備的設計。文章介紹了電子裝備數(shù)字電路板自動檢測儀方案設計方法。
　　
　　1、引言
　　
　　電子裝備在*艦艇上應用廣泛，如觀通、導航、指揮控制、電子戰(zhàn)和武器控制等，屬于艦艇關鍵設備，電子裝備以其智能化、小型化、高速、高復雜度的特點，在大幅度提高艦艇生命力和作戰(zhàn)效能的前提下，也為艦艇維修保障部門和人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。隨著*信息化建設的不斷普及與深入，武器裝備的維修保障技術正在發(fā)生新的變化口_引：自動測試系統(tǒng)及設備ATE（Automatic Test Equipment）、便攜式維修輔助PMA（Portable Maintenance Aids）、交互式電子技術手冊IETM（Interactive Electronic Technical Manual）等已經(jīng)成為武器裝備維修領域的研究熱點。ATE是以計算機為基礎的故障診斷技術設備，投入使用后，加速了測試過程，提高了維修速度，還可以預防未發(fā)生的故障，進而提高裝備的質量和性能。艦艇電子裝備中的電路板存在多種類型，這里僅考慮針對單純的數(shù)字邏輯型電路板ATE設備的設計。
　　
　　2、系統(tǒng)總體設計
　　
　　測試單純的數(shù)字邏輯型電路板，首先需要找出電路板接口引腳上的信號特性，如信號電平（TTL型、CMOS型等）、信號方向（輸入、輸出或雙向）、信號功能（電源信號、邏輯信號），在此基礎上通過電路原理圖分析電路板功能，設計測試向量，以確定響應向量。信號特性及電路原理圖的獲取有以下途徑：（1）由電路板研制設計單位提供;（2）使用測量儀表手工測繪。
　　
　　ATE測試的原理就是向電路板輸入測試向量，獲取相應的輸出向量，將此輸出向量與正常的響應向量相比較，結果一致表明電路板*，否則表明該電路板已損壞。整個過程由ATE自動完成，因此效率高，但測試向量的完備與否對故障診斷結果有重要影響。該ATE設備是針對某電子裝備系統(tǒng)而研發(fā)的，其結構框圖如圖1所示。　　
　　從圖1可見，ATE由信號發(fā)生、信號采集、與上位機的USB通信以及用于連接被測板的接插件4大模塊組成。信號發(fā)生模塊和信號采集模塊采用單片機AT89S51+FPGA的技術方案實現(xiàn)，因此整個測試系統(tǒng)是一個PC機→單片機→FPGA→被測板的4級結構。USB通信模塊選用USB/RS-232轉換器實現(xiàn)，AT89S51串口經(jīng)電平轉換電路轉換為RS-232接口后連接到USB/RS-232轉換器。接插件模塊主要考慮與被測板連接的電氣與機械特性。
　　
　　3、關鍵模塊設計
　　
　　3.1信號發(fā)生模塊設計
　　
　　該模塊由單片機控制橋（AT89S51）、測試向量存儲器（靜態(tài)存儲器HM628128x2，排列方式為256Kx8bit）、信號發(fā)生FPGA（Altera公司Cyclone系列PLD器件EP1C3）、通道控制CPLD（Altera公司MAX7000系列PLD器件EPM7128S）及三態(tài)選通門陣列（74LS126x16）組成，模塊組成結構如圖2所示。　　
　　單片機控制橋收到上位PC機傳來的測試向量后，將其寫入測試向量存儲器（單片機內的存儲器不夠用），并將被測電路板的引腳信號特性數(shù)據(jù)寫入通道控制CPLD。由CPLD控制三態(tài)門陣列的選通端，三態(tài)門陣列的輸入數(shù)據(jù)由信號發(fā)生FP-GA提供，F(xiàn)PGA接收到控制橋的信號發(fā)生命令后，從測試向量存儲器取出測試向量送往三態(tài)門陣列?？刂茦蛑赜肍PGA訪問測試向量存儲器的總線，為防止兩者對存儲器的訪問沖突，用信號Ctrl0和Ctrl1進行開關控制，當Ctrl0=0且Ctrl1=0時，控制橋掌控存儲器的訪問總線，否則由FPGA掌控。
　　
　　這里要解決的關鍵問題之一是自動配線問題。由于各塊電路板的輸入輸出引腳不固定，自動配線除了保證信號送達被測板相應的輸入通道外，需要避免信號發(fā)生模塊將信號輸出到被測電路板的輸出通道，以防止損壞被測板。設計中該問題通過三態(tài)門的高阻態(tài)得以解決。
　　　　
　　3.2信號采集模塊設計
　　
　　由于被測板是單純的數(shù)字邏輯電路，電路板的輸出信號是數(shù)字信號，因此信號采集時無須A/D轉換，只需按照一定的采樣周期采集輸出信號即可。由于單片機數(shù)據(jù)輸入口的位寬一般僅為8位，為了保證采樣速度，利用FPGA器件的內在并行性快速采集輸出信號，并存入存儲器中，在到達測試深度后，F(xiàn)PGA向單片機發(fā)送中斷請求，單片機從存儲器中讀取采集到的輸出信號，通過USB傳送到上位PC機。該模塊組成結構如圖3所示。　　
　　與信號發(fā)生模塊類似，單片機控制橋重用FPGA訪問輸出向量存儲器的總線，為了避免總線訪問沖突，控制橋利用控制信號Ctrl0和Ctrl1，當Ctrl0=0，Ctrl1=0時，控制橋掌控訪問存儲器的總線，否則由FPGA掌握該總線。
　　
　　4、系統(tǒng)工作原理
　　
　　4.1系統(tǒng)工作過程
　　
　　ATE測試的基本原理：向被測板輸入測試信號，然后獲取被測板的輸出信號，并與響應信號相比較，依據(jù)兩者是否*一致，判斷被測板有*。ATE工作過程如下：
　　
　?。?）完成硬件連線：PC機與ATE的USB連接，被測板與ATE插接，電源連接;
　　
　?。?）在上位PC機上運行ATE測試控制軟件TCS（TestCon-trolSoftware），TCS中已經(jīng)預先錄入每塊待測板的型號，維修人員選擇電路板型號，點擊啟動測試按鈕;
　　
　?。?）TCS將該型號電路板的引腳信號特性、測試向量、響應向量、觸發(fā)字、觸發(fā)方式、采樣周期、采樣深度、信號發(fā)生周期等測試數(shù)據(jù)和參數(shù)從數(shù)據(jù)庫中讀出，并將除響應向量外的數(shù)據(jù)和參數(shù)分別發(fā)往信號發(fā)生模塊中的單片機AT89S51和信號采集模塊中的單片機AT89S51;
　　
　?。?）AT89S51單片機通過配置FPGA完成系統(tǒng)的自動配線工作;
　　
　　（5）TCS依先后順序向信號采集模塊和信號發(fā)生模塊的單片機發(fā)送開始測試命令;
　　
　?。?）TCS在收到信號采集模塊傳來的數(shù)字邏輯電路板輸入輸出向量后，以波形方式顯示采集到的數(shù)據(jù)，并將輸出向量與從數(shù)據(jù)庫中讀人的響應向量相比較，依據(jù)兩者是否一致，得出被測數(shù)字邏輯電路板是否完好的診斷結果。
　　
　　上述（3）～（6）項由ATE自動完成。
　　
　　4.2測試向量與響應向量設計
　　
　　測試診斷結果的正確與否也與測試向量的完備性有關，測試向量可由兩種方式獲得：
　　
　　（1）向量空間*集方式設電路板輸入管腳的數(shù)量為n，則n根信號線的信號組合共有2n種，即測試向量空間為集合{0，1，2，…2n-1}，取此集合的所有元素作為測試輸入向量，該方式可以由機器自動完成。
　　
　?。?）人工方式由人工分析電路板的邏輯功能。以每個邏輯門、觸發(fā)器等器件的各種狀態(tài)能夠*遍歷為原則，設計測試輸入向量，對時序邏輯電路板還需確定復位存儲功能器件的復位向量，由此獲得整個電路板的測試輸入向量。
　　
　　人工方式獲得的測試向量的規(guī)模比向量空間*集方式要小很多，有利于節(jié)約時間和存儲空間，且人工方式設計的測試向量對時序邏輯電路來說更容易反映電路板的功能特性。因此該電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的測試向量全部由人工方式分析、設計而得。
　　
　　判斷測試結果所需要的響應向量也有兩種方式：（1）響應向量由ATE測試*板獲得并保存，作為測試維修時比對的基準，此種方式可以由機器自動完成;（2）根據(jù)人工分析，確定測試輸入向量相對應的響應向量，此響應向量還需與ATE測試*電路板獲得的電路板輸出向量進行人工比對，兩者一致，才能確定該響應向量是正確可用的。
　　
　　4.3測試結果自動比較設計
　　
　　為實現(xiàn)ATE測試所得輸出向量與響應向量之間的自動比對，在測試向量中引入虛信號BASE，該信號在測試向量的每步之間跳變，將該信號送往ATE上空閑的第64路信號口。采集到的響應向量（*板）和輸出向量（被測板）中包含BASE信號，此信號成為步長指針，信號的兩次跳變之間的時間成為一個窗口，該窗口代表測試步驟中的一步，用此窗口分別截取響應向量和輸出向量，再進行比較，即可實現(xiàn)軟件自動診斷。這種自動診斷方式能夠處理單步中出現(xiàn)單穩(wěn)的情形。至此整個測試過程*實現(xiàn)自動化，可在1分鐘內完成單塊數(shù)字電路板故障檢測工作，操作簡單，工作效率高。
　　
　　5、結束語
　　
　　針對某電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板而設計的ATE，能夠完成該系統(tǒng)中所有數(shù)字電路板的故障測試工作，測試過程自動完成，經(jīng)濟，能夠滿足戰(zhàn)時該電子裝備系統(tǒng)中數(shù)字電路板的快速維修任務，操作簡便，實際應用效果良好。該ATE在以下方面還可進一步改進：（1）對接插件模塊進行改造，將該ATE用于艦艇上其他電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的維修工作，這是下一步的工作重點，即將該ATE由某電子裝備系統(tǒng)的數(shù)字電路板維修自動測試設備，改進為該艦艇上所有電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的通用ATE;（2）該ATE目前尚只能用于較低速數(shù)字電路板（20MHz以下）的故障測試，需要進一步改進;（3）在前述基礎上，可以考慮改進、研制成我國*在役主要艦艇上電子裝備系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路板的通用ATE。