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技術(shù)前線報道:提高遙測信號處理器測試性的方案

發(fā)布時間:2014-12-17 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】業(yè)界內(nèi)對可測性是這樣定義的,產(chǎn)品能及時準(zhǔn)確地確定其狀態(tài),隔離其內(nèi)部故障的設(shè)計特性,以提高產(chǎn)品可測試性為目的而進行的設(shè)計被稱為可測試性設(shè)計。本文詳述遙測產(chǎn)品信號處理器的設(shè)計原理,并且增加BIT來提高信號處理器的測試覆蓋率。

可測試性是同可靠性、維修性相并列的一門新型學(xué)科,其發(fā)展和應(yīng)用對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量,降低產(chǎn)品的全壽命周期費用具有重要意義。隨著集成電路設(shè)計方法與工藝技術(shù)的不斷進步,集成電路的可測性已經(jīng)成為提高產(chǎn)品可靠性和成品率的重要因素。

1 信號處理器簡介

硬件電路軟件化是電路設(shè)計的發(fā)展趨勢。借助大規(guī)模集成的FPGA和高效的設(shè)計軟件,不僅可通過直接對芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能,而且由于管腳定義靈活,從而減輕了信號處理器電路圖設(shè)計和電路板設(shè)計的工作量及難度。這種基于可編程邏輯器件的設(shè)計大幅減少了芯片的數(shù)量,縮小了系統(tǒng)的體積,提高了系統(tǒng)的可靠性,同時也增加了信號處理器的測試復(fù)雜度,降低了故障隔離率。

信號處理器主要完成電壓模擬信號的分時采集、RS422總線信號的接收和編碼輸出等功能,原理框圖如圖1所示。

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圖1 信號處理器原理框圖
 
2 信號處理器測試現(xiàn)狀分析

信號處理器作為遙測產(chǎn)品的重要部件,其可測試性基本決定了遙測產(chǎn)品的可測試性,因此提高信號處理器的可測試性意義重大。由圖1可知信號處理器需要進行測試的節(jié)點較多,主要包括多路模擬信號調(diào)理電路、交換子、A/D轉(zhuǎn)換器、RS422總線接口芯片、PCM碼輸出電路、FPGA內(nèi)部的各邏輯模塊、二次電源等,共計約34個測試節(jié)點。

在地面或試驗室環(huán)境中,采用信號模擬器、萬用表、示波器、數(shù)據(jù)接收設(shè)備等對信號處理器進行測試,可以考核全部測試節(jié)點,基本實現(xiàn)信號處理器100%的測試覆蓋率和故障隔離率。

在供電、二次電源變換以及PCM輸出正常的前提下,在掛機自檢過程中通過接收到的PCM數(shù)據(jù)僅可獲取部分模塊的工作狀態(tài),主要包括“供電”信號所在的調(diào)理電路、交換子、A/D轉(zhuǎn)換器、模擬量處理模塊和編碼控制模塊的部分功能,測試覆蓋率約為24%。當(dāng)4個單元中任意一個單元或多個單元出現(xiàn)故障時,無法通過數(shù)據(jù)分析完成故障的進一步隔離,從而形成一個模糊度為4的模糊組,故障隔離率0%。
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3 BIT設(shè)計分析

3.1 單一模擬信號采集通路BIT分析

通過對圖1中雙點劃線部分電路進行分析,建立故障樹如圖2所示,根據(jù)故障樹形成相關(guān)性圖形模型如圖3所示,獲得一階相關(guān)性及相關(guān)D矩陣如圖4所示。

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圖2 故障樹
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圖3 相關(guān)性圖形模型
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圖4 一階相關(guān)性及相關(guān)D矩陣
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圖5 診斷樹和故障字典
 
通過對D矩陣分析,識別冗余測試點和模糊組,完成檢測用測試點選擇,生成診斷樹和故障字典如圖5所示。

3.2 單一模擬信號采集通路的BIT設(shè)計

部分電路BIT分析是基于通過獲得測試點的狀態(tài)來識別故障和故障定位。根據(jù)信號處理器的特殊性,設(shè)計采用為電路各測試點引入激勵信號的方式,實現(xiàn)判斷功能模塊是否存在故障的功能,其BIT方案如圖6所示。

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圖6 模擬信號BIT方案
 
在信號處理器上增加D/A轉(zhuǎn)換器電路和開關(guān)矩陣模塊,F(xiàn)PGA中增加自檢模塊;信號處理器加電時,自檢模塊控制開關(guān)矩陣接入各測試點,由D/A轉(zhuǎn)換器接入特定電壓值;通過比較電路最終測試返回值與引入值即可了解各模塊的狀態(tài)。以模擬信號“供電”測試通道為例說明BIT工作流程。

(1)自檢模塊預(yù)設(shè)D/A輸出值為4 V。(2)通過開關(guān)矩陣將4 V電壓接入“供電”信號所在調(diào)理電路前端。(3)自檢模塊將通過A/D轉(zhuǎn)換器獲得的數(shù)據(jù)同預(yù)定值進行比較。(4)如果比較結(jié)果一致,則輸出“000”表示無故障,自檢結(jié)束。(5)如果比較結(jié)果不一致,則控制開關(guān)矩陣將4 V電壓接入調(diào)理電路后端,即交換子前端,自檢模塊將通過A/D轉(zhuǎn)換器獲得的數(shù)據(jù)同預(yù)定值比較。(6)如果比較結(jié)果相一致,則輸出“110”表示調(diào)理電路故障,自檢結(jié)束。(7)如果比較結(jié)果不一致,則控制開關(guān)矩陣將4 V電壓接入交換子后端,即A/D轉(zhuǎn)換器前端,自檢模塊將通過A /D轉(zhuǎn)換器的獲得的數(shù)據(jù)同預(yù)定值進行比較。(8)如果比較結(jié)果相一致,則輸出“101”表示交換子故障,自檢結(jié)束。(9)如果比較結(jié)果不一致,則通過“100”表示A/D轉(zhuǎn)換器故障,自檢結(jié)束。

此流程存在盲點,即模擬信號處理模塊故障。因為該故障也可能導(dǎo)致交換子輸出和A/D轉(zhuǎn)換器輸出故障,單一流程無法進行識別和隔離。全部模擬通道均加入到此流程后,就可以通過多數(shù)原則判定和隔離上述故障。
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3.3 RS422數(shù)據(jù)通道BIT設(shè)計

RS422數(shù)據(jù)接收只有兩級功能模塊,故障判定和隔離相對簡單。只需要在FPGA中增加相應(yīng)數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)RS422總線數(shù)據(jù)流,通過RS422總線接口芯片、開關(guān)矩陣和總線選擇器接入RS422總線接口芯片輸入端或RS422數(shù)據(jù)處理模塊。RS422數(shù)據(jù)通道BIT方案如圖7所示。

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圖7 RS422數(shù)據(jù)通道BIT方案
 
信號處理器加電后,自檢模塊首先發(fā)出預(yù)定格式的RS422信息,并控制開關(guān)矩陣切入RS422接口電路的輸入端,將接收到的數(shù)據(jù)同原始數(shù)據(jù)進行比對。如果一致則代表無故障;否則,將預(yù)定數(shù)據(jù)通過總線選擇器切入RS422接口電路后端,再將收到的數(shù)據(jù)與預(yù)定數(shù)據(jù)比較,比對結(jié)果數(shù)據(jù)一致則RS422接口電路存在故障,反之RS422數(shù)據(jù)處理模塊故障,但不能同時識別RS422接口電路是否故障。

3.4 信號處理器整體BIT設(shè)計

通過對單一模擬信號采集通道以及RS422數(shù)據(jù)通道的BIT設(shè)計實現(xiàn),最終信號處理器整體BIT設(shè)計結(jié)果如圖8所示。

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圖8 信號處理器完善BIT后的設(shè)計框圖
 
自檢模塊為整個BIT設(shè)計的核心,自檢模塊需要控制D/A轉(zhuǎn)換、開關(guān)矩陣的切換、總線選擇器工作狀態(tài)、產(chǎn)生需要的激勵信號、完成數(shù)據(jù)判讀以及生成故障代碼。自檢模塊的功能框圖如圖9所示。

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圖9 自檢模塊的功能框圖

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