模块化的开放性PCBA功能测试平台
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【摘 要】本文提出了一种模块化的开放性pcba（实装电路板）功能测试平台。该平台由系统控制中心、检测台和测试仪器三个部分构成。系统控制中心的功能测试软件采用模块化设计，并在数据库中存储了大量可编程设备的功能指令，极大地降低了测试程序的编写难度。软件界面友好，功能强大，操作简单，大大提高了PCBA功能测试效率。该系统扩展性强，可通过切换检测台实现多种PCBA的检测，还可通过切换测试仪器并升级数据库来增加检测项目，该系统小巧灵活，易拆装，通用性极强，可满足于大多数功能测试的需求。
【关键词】PCBA；功能测试；模块化系统；工装板；检测仪器
PCBA中文叫实装电路板，在PCBA的批量生产过程中，由于设备运行状态和操作者的人为因素等，不可能保证生产出来的PCBA全部都是完好品，这就要求在生产的末端加入各种的测试设备和测试工具，以保证出厂的所有实装电路板与设计时的各种规格和参数完全一致，这就产生了ICT、AOI、X-Ray、Boundary-Scan、FCT等各种测试手段。尽管各种新技术层出不穷，但功能测试依然是保证产品到最终应用环境立刻就能工作必不可少的手段。现代电子产品中内置自测应用越来越多，这应该大力提倡，因为它可降低功能测试的成本，但也不能完全消除功能测试。如果应用的场合非常重要（如军事、航空、汽车、交通等领域），或者最终产品的成本及复杂程度非常高，那么更需要保证产品自身以及与其它系统合在一起时工作正常，这时功能测试将是必须的。综合考虑生产成本和检测效率，本文提出了一种模块化的开放性PCBA功能测试平台，使得功能测试平台的搭建非常灵活简便，拥有很强的通用性和开放性，可自由增减测试模块和测试项目。
一、功能测试概述
功能测试（FCT：Functional Circuit Test）指的是对测试目标板（UUT：Unit Under Test）提供模拟的运行环境（激励和负载），使其工作于各种设计状态，从而获取到各个状态的参数来验证UUT的功能好坏的测试方法。简单地说，就是对UUT加载合适的激励，测量输出端响应是否合乎要求。一般专指实装电路板（PCBA）上电后的功能测试，包括：电压、电流、功率、功率因素、频率、占空比、位置测定等功能参数的测量。功能测试涉及模拟、数字、存储器、RF和电源电路，通常要用不同的测试策略。测试包括大量实际重要功能通路及结构验证（确定没有硬件错误），以弥补前面测试过程遗漏的部分。这需要将大量模拟/数字激励不断加到UUT上，同时监测同样多数量的模拟/数字响应，并完全控制其执行过程。功能测试有多种形式，这些形式在成本、时间、效果和维护性方面各有优缺点，主要分为下面四种基本类型：（1）模型测试系统。从理论上说检验一个设备（线路板或模块）功能最简单的方法就是把它放在和真的环境一样的模型系统或子系统中，然后看它工作是否正常。如果正常，我们可以有很大把握认为它是好的，如果不正常，技术人员将进行检测希望找出失效的原因以指导维修。但实际上，这种插入上电方式有很多缺点而且很少有效，虽然它有时可作为其它测试方案的补充。（2）测试台。测试台是一个常规测试环境，包括与被测设备之间的激励/响应接口、专门测试规程规定的测试序列与控制。激励与响应通常由标准电源及实验仪器、专用开关、负载以及终端自定义电子设备（如数字激励）提供。在这里夹具是非常重要的一个部分，可提供到被测设备正确的信号路径和连通。在很多情况下，夹具基本上是针对每个应用而定制的，需要结合手工操作进行设置。测试过程和控制通常手动进行，有时靠PC协助，通过书面的协议或规程进行规定。测试台连接到具体的产品，优点是成本相对较低，设备比较简单，但在应对多种产品时灵活性较差。（3）专用测试设备（STE）。从理论上专用测试设备就是使测试台操作自动化的系统，系统的心脏通常是一台电脑，通过专用总线和一些可编程仪器进行控制。速度、性能、适用情况、成本及其它因素影响着仪器总线和结构的选择。各种仪器和通用设备堆叠在一个或多个垂直机箱里，然后再连到被测设备上。有自动化处理，设置时间、测试时间以及整体操作都比手工测试台更加快速而容易。STE可以扩展为满足多种性能需要，通常用于生产或维修中心。STE最明显的是总体成本：设备投资成本、操作成本以及程序开发成本。（4）自动测试设备（ATE）。通用自动测试设备（GPATE，或简称为ATE）是一种非常先进灵活的方案，可以满足多种产品与程序测试要求。系统集成、信号连通灵活性、增值软硬件、面向测试的语言、图形用户界面等是ATE和STE之间的主要区别。除了仪器全面集成带来的优点之外，ATE还能为信号路由和连接提供更好方案。ATE专用背板大多数情况下包括一个模拟总线，可以让仪器直接连到任何引脚，而不会使内外引线变得复杂。这种灵活性通常可扩展到将模拟和数字通道合在一起，使用户在任何时候连接数字或模拟激励，并测量接收器任意引脚。其结果是不仅使成本大大简化降低，同时测试程序也更易于实现。依据控制模式的不同，可以分为：手动控制功能测试、半自动控制功能测试、全自动控制功能测试。随着科技的高速发展，为了节约生产成本和提高生产效率，现在的功能测试有些使用全自动的测试方案。目前，对于一些简单的被测板的功能测试，基于简化设计和减少制作成本考虑，仍然采用手动或者半自动的测试方案。
二、模块化的开放性PCBA功能测试平台
（一）系统结构
由于全自动控制的功能测试需要购置或开发全自动设备，前期资金投入较大，而半自动控制的功能测试对设备需求相对较低，因此目前中小企业使用的大多是半自动控制功能测试，本文提出的测试平台也是半自动方式。本文提出的测试平台主要由三个部分组成：系统控制中心、检测台、测试仪器，结构如图1所示。
图1 功能测试平台结构
1.系统控制中心。这部分由安装了FCT测试软件的PC
组成，是整个测试系统的核心部件，它的主要作用是控制整个测试过程的运行状态，并对每一步的测试内容及结果进行判断和记录，最终得出测试结果，并把这些结果和数据存储、输出，更方便于对PCBA产品质量进行有效控制。FCT软件如图2所示。
图2 FCT软件界面
FCT软件采用模块化设计，由图1可知其由7个模块组成：显示模块、数据库、用户管理模块、编程模块、结果处理模块、程序执行模块、通讯模块。显示模块是人机交互接口，将操作员的操作指令传达给其他模块，并将其他模块的实时信息显示给操作员。数据库是整个控制中心的核心模块，它保存了用户信息、可编程仪器的指令信息、测试仪器信息、界面显示信息。采用ACCESS 2000作为数据库，保证了数据库的通用性和易用性。用户管理模块用于管理登录用户的操作权限，有操作员和程序员两类用户。操作员无法使用编程模块，只能操作已经编写好的测试文件；程序员权限高于操作员，可使用编程模块编写或修改测试流程，并将测试流程保存为测试文件以供操作员使用。在程序启动时会首先启动用户管理模块，弹出用户登录对话框（如图3所示），选择相应用户并输入密码后，用户管理模块会根据数据库保存的用户信息授予登录用户相应的权限，根据权限启动软件并禁用相应模块。图2显示的即为程序员登陆后的界面，操作员登陆后编程面板（Program pane）是不可见的。
图3 FCT软件登陆界面
编程模块用于测试文件的编写或修改，编程面板如图4所示，每点击一次“确定”或“增加”就修改或增加了一条测试程序。各项输入框的作用为：检验项目——用于描述增加/修改的程序的作用；指令——选择程序所要执行的动作，如向测试设备发命令、向智能工装板发命令、延时等；描述——用于详细解释检验项目；参数——用于设定执行指令时所需的参数，如图4所示，需要打开13号继电器，则参数中需输入继电器编号13；设备——执行指令的目标设备的列表，包括检测设备、智能工装板和PC机，其中检测设备必须为可编程仪器，如泰克DMM4050数字万用表等；功能——选择目标设备需要执行的动作，如测量电压、测量电流等；跳转指令——用于指定当前程序执行失败/通过后需要执行的下一条程序；条件——指定程序运行成功的判断条件，如大于、小于等；单位——选择检验项目的单位，如V、A等；上/下限值——当指定通过条件为大于、小于等范围值时，需要在上/下限值输入框内设定条件范围。点击“确定”为修改当前程序，“增加”为在当前程序后增加设定好的程序。编程模块中的指令、设备、功能、条件四项信息都保存在数据库中。整个编程过程非常简单，仅需在编程面板上选择相应目标设备和指令动作即可，不需要去研究检测设备复杂的编程手册。
图4 编程面板
程序执行模块：用于打开和运行编程模块配置好的测试文件。运行时采用多线程，后台线程执行设定好的程序，按程序流程向检测台或测试仪器发送命令或接收数据。图2中显示的“测试程序”界面为一个测试流程，即一个测试文件。结果处理模块：用于处理检测仪器传回来的检测结果，根据程序执行模块中测试文件设定的结果通过条件判断相应的结果是否符合要求，并将结果通过显示模块显示给操作员，对于不符合要求的测试结果会以不同的颜色标示出来。操作员还可通过结果处理模块将检测结果保存或打印出来。通信模块一共有两个，分别用于与检测设备和检测台相互传送数据。每个通信模块都可选择USB或串口通信方式。
2.检测台。检测台主要由智能工装板和针床组成，它是测试过程逻辑动作的感应和执行机构，系统通过它来搭建各种测试环境，实现测试功能。智能工装板是单片机控制的继电开关组，每一个继电器即为一个测试通道，当继电器闭合时，检测设备就可通过该通道测试PCBA上测试点的数据。针床结构如图5所示，针床上根据PCBA的测试点位置配置了探针，每一根探针严格对应PCBA上的一个测试点，将PCBA固定于针床上，探针就会与相应的测试点接触。而探针另一端通过导线与智能工装板上的继电器相连，通过继电器的开关来选择检测仪器的测试通道。
图5 针床结构
3.测试仪器。测试仪器主要由各种可编程的检测设备组成（如泰克DMM4050数字万用表），它主要完成测试过程中各种模拟或者数字量的采集工作。测试仪器可根据FCT需求更换，如当需要做电磁兼容性测试时，可采用相关仪器。
（二）系统检测
在启用本系统检测PCBA前，首先由程序员根据测试需求编写测试文件。在程序员启动编程面板时，编程模块会先读取数据库，将指令列表、设备列表、功能列表、条件列表显示在编程面板上以供程序员选择，同时，也会把这些选项相互的限制关系（如当选择“延时”指令时，功能列表和条件列表都将变灰，处于不可选的状态）保存到编程模块中。当程序员选择好要执行的指令并点击“确定”或“增加”按钮后，编程模块首先根据指令确定执行命令的设备目标，然后根据选择的功能从数据库中查询出相应的仪器编程指令，然后将程序员输入的参数加入编程指令字符串中，最后将字符串保存到程序执行模块中的程序指令队列里。所有程序编辑完毕后，将指令队列保存为测试文件。当要执行测试操作时，先开启智能工装板的电源，这时PC
BA也由工装板供电并开始工作。操作员打开一个测试文件（操作员不能修改程序列表），选择需要执行的测试指令和需要记录结果的指令，点击“连续运行”或“单步运行”就可以开始测试工作了。程序运行的一般流程如下：（1）程序执行模块首先向检测设备和检测台发送握手信息，确认连接。（2）程序执行模块向智能工装板的单片机发送激励信息，单片机根据指令闭合相应的继电器，开启一个测试通道。如果需要测量波形或者频率等，程序执行模块还命令单片机产生一个PWM波或正弦波等。（3）程序执行模块向测试仪器发送启动信号，测试仪器根据发来的指令字符串切换成相应的检测模式，并通过开启的测试通道开始采样。此时系统控制中心处于等待状态并同时启动计时器，当测试仪器在预期的时间内没有发回测试结果，就认为测试仪器没有接到指令并重新发送指令字符串。若系统控制中心重复发送了多次相同指令却仍然没有收到回复，则认为连接中断并通知操作员检查线路。（4）测试仪器将检测结果通过通信模块发送给结果处理模块。（5）结果处理模块根据程序员设定的结果通过条件分析检测数据，并按操作员需求将结果添加到“测试结果”列表，不符合结果通过条件的将会以不同的颜色标示出来。至此，一个指定测试点的检测已经完成。如果有其他测试点需检测，则返回（2），执行下一轮检测，直到所有程序指令执行完毕。在所有程序执行完毕后，显示界面会自动切换到“测试结果”界面，操作员可将检测的结果列表保存为一个文件，也可直接打印出来。测试过程表明，有60个步骤的测试流程执行一次所需的时间不到1分钟，结果显示界面如图6所示。
图6 结果显示界面
（三）系统的扩展
该系统是一个通用的开放测试平台，用户可根据需求任意扩展其功能。通常可分为两类扩展：PCBA扩展和功能扩展。（1）PCBA扩展。由于不同的PCBA测试点不一样，因此一种PCBA通常只能对应一块针床。如果要测试不同的PCBA，可以将针床上的探针重新配置到PCBA对应的测试点位置坐标上，然后把探针一端与继电器相连即可。考虑到系统的复用性（即一套系统可随时测试不同的PCBA），若每次都重新排布探针并连线，反而费时费力，会导致测试效率大大降低。因此，通常对于一类PCBA都会预先制作好匹配的检测台，在测试这类PCBA时，只需将替换对应的检测台，打开测试文件即可开始检测，大大提高了功能测试的效率。（2）功能扩展。一台测试仪器所能检测的项目是有限的，若遇到一些特殊的检测项目，则需要更换测试仪器以扩展系统的测试功能。例如，泰克DMM4050数字万用表，可以做电压、电流、频率等测试，但若要做负载测试或通信测试则无法完成，此时就需要更换相应的测试仪器。更换测试仪器后，只需更新系统控制中心的数据库，将仪器加入设备列表，并增加其对应功能的指令集即可，升级过程非常简单，无需修改软件的源程序。为了避免临时升级系统，我们为系统预先储存了多种仪器的配置信息，基本满足大多数功能测试的需求。
本文所设计的模块化开放性由系统控制中心、检测台和测试仪器三个部分构成。该系统仅需测试人员选择相应的测试功能即可编写出完整的测试流程，极大地降低了测试程序的编写难度。软件界面友好，功能强大，操作简单，大大提高了PCBA功能测试效率。该系统扩展性强，可通过切换检测台实现多种PCBA的检测，还可通过增加测试仪器并升级数据库来增加检测项目，因此该系统的通用性极强，可满足于大多数功能测试的需求。该系统目前已应用于PCBA的生产线，经生产检验，是一种成熟可靠的测试平台。
参 考 文 献
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