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摘 要：詳細介紹了基于多P89C668單片機的組合邏輯電路自動測試診斷系統(tǒng)的設計，包括硬件結(jié)構(gòu)設計和軟件設計。該自動測試診斷系統(tǒng)采用USB接口實現(xiàn)計算機與診斷平臺的通信，其移動式結(jié)構(gòu)便于在現(xiàn)場進行測試，且設備成本低、操作簡單。
關鍵詞：自動測試診斷系統(tǒng) 多單片機 P89C668 USB
隨著IT產(chǎn)業(yè)和通信技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的高速發(fā)展，大量的生產(chǎn)裝備和產(chǎn)品的電子化、數(shù)字化、自動化、智能化的程度越來越高，與之配套的電子測量設備必須適應這種形勢。因此，綜合測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的自動測試系統(tǒng)發(fā)展日益完善，在一些高度電子化產(chǎn)品、航空航天和軍用武器裝備中以及工業(yè)自動化、通信、光學、能源等諸多領域中得到了廣泛應用。
一般意義的自動測試系統(tǒng)是指采用計算機控制，能實現(xiàn)自動化測試的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通常是在標準的測控總線或儀器總線（CAMAC、GPIB、VXI、PXI、CAN等）的基礎上組建而成的。目前，通用串行總線（Universal SerialBus，即USB）以其方便的即插即用和熱插拔特性及較高的傳輸速率，成為PC機領域廣為應用的外設連接規(guī)范。本文介紹的自動測試診斷系統(tǒng)是以五片P89C668單片機為核心組成故障診斷平臺，采用基于FT245BM USB芯片的通信卡建立計算機與測試診斷平臺通信的橋梁，使其能對需要檢測的組合邏輯數(shù)字電路板進行測試，并可以根據(jù)標準診斷數(shù)據(jù)庫對產(chǎn)生故障的電路板進行自動故障定位。目前該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N不含有不受控制的部件如CPU、存儲元件、晶振、阻容式單穩(wěn)態(tài)等的數(shù)字電路板進行自動測試及故障診斷，可測試的電路板邊緣連接器的最大引腳數(shù)為96個。
1 硬件結(jié)構(gòu)
該測試診斷系統(tǒng)的硬件主要由以下部分組成：
·計算機
·USB通信電纜
·USB通信卡
·多MCU系統(tǒng)測試診斷平臺
·微型開關電源
·散熱風扇
·通道連接適配器板等
1．1 計算機
計算機的主要功能是通過USB接口控制測試診斷平臺，進而完成測試平臺系統(tǒng)自檢、通道輸入/輸出的定義、發(fā)送測試激勵數(shù)據(jù)、接收響應數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計算與分析等工作。
1．2 USB通信卡
USB通道卡是連接計算機與測試平臺的橋梁。它的主要功能一方面是將計算機發(fā)送的控制命令、數(shù)據(jù)送到測試平臺的主MCU，使測試平臺完成各種測試任務；另一方面是將測試平臺中多MCU系統(tǒng)的自檢信息和測試結(jié)果送往計算機，以供計算機進行判斷與分析。
USB通信卡是基于FTDI公司的FT8U245BM芯片組成的，具有數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)高（達8Mb/s）和即插即用等優(yōu)點。
1．3 多MCU系統(tǒng)構(gòu)成的測試平臺
多MCU系統(tǒng)由一個MCU和四個從MCU組成。所有的MCU均采用PHILIPS公司的P89C668單片機芯片，其內(nèi)部有可ISP/IAP編程的64KB Flash程序存儲器和8KB RAM，每個機器周期可采用六個時鐘周期，是傳統(tǒng)單片機（80C51）的兩倍。在其余雙工增強型UART中具有幀錯誤檢測和自動地址識別功能，另外還具有可編程的時鐘輸出功能及可編程的計數(shù)器陣列（PCA）等，是PHILIPS公司MCU家庭中較為高端的產(chǎn)品。多MCU系統(tǒng)構(gòu)成的測試平臺如圖1所示。
在本設計的多MCU系統(tǒng)中，各個MCU的功能如下：
（1）主機MCU的功能
·負責與PC機的通信。通信采用目前流行的USB總線通訊方式，一方面接收來自于PC機的命令與數(shù)據(jù)，另一方面向PC機發(fā)送測試數(shù)據(jù)和自檢信息。
·解釋來自PC機的命令，并向所有從機或者相應的從機發(fā)送。對來自PC機的數(shù)據(jù)進行分類，并發(fā)送給相應的從機。對自身的RAM進行自檢。
·負責與四個從機的通信。通信為多機主-從方式，利用MCU的RxD和TxD端以全雙工UART串行模式進行通信，并使用幀錯誤檢測和自動地址識別功能。
·管理四個從機進行同步測試。主MCU利用P1口的低四位（1.4、P1.5、P1.6、P1.7）向四個從機發(fā)送同步控制信號，使得多個從機在測試過程中能夠保持同步性。
（2）從機MCU1～MCU4的功能
·通過RxD端口，以串行通信方式接收來自主MCU的與自己相關的命令和數(shù)據(jù)。
·每個從機的24路I/O端口P0.0～P0.7、P1.0～P1.7和P2.0～P2.7共計96路分別與測試通道Port1～Port96相連接。根據(jù)I/O端口的設備情況，向定義的輸出通道輸出測試激勵信號，從相應的輸入通道讀入測試結(jié)果并存入 相應的RAM單元。
·在被測試電路板的一個輸出通道測試完畢后，將測試的結(jié)果發(fā)送到主MCU的RAM存儲區(qū)，并由主MCU發(fā)往計算機。
·負責自身數(shù)據(jù)存儲區(qū)RAM的自檢工作。當接收到主MCU的自檢命令時，對自身的RAM進行自檢，并將自檢結(jié)果發(fā)送到主MCU。
1．4 測試通道適配接口卡
普通的被測數(shù)字電路板是不能直接插到測試平臺的測試接口上的，需要有特制的測試通道適配接口卡才能進行連接。本系統(tǒng)提供的接口卡是96路通道的總線結(jié)構(gòu)的接口卡，可與適用了本設計的數(shù)字電路板進行連接。如果要測試其它類型的數(shù)字電路板，則需要專門定做與其配套的測試通道適配接口卡。
2 軟件設計
2．1 測試平臺程序設計
本系統(tǒng)測試平臺程序采用模塊化設計，是基于Keil系統(tǒng)開發(fā)軟件和TKS-668開發(fā)硬件，采用C語言與匯編語言編寫的。模塊化程序設計的思想就是要把一個復雜的程序按整體功能劃分成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設計、編程、測試和查錯，然后裝配起來進行聯(lián)調(diào)，最終成為一個有實用價值的程序。本系統(tǒng)的測試平臺軟件主要由系統(tǒng)的主程序、通信程序、測試程序和自檢程序等模塊組成。
2．1．1 主程序設計
主、從MCU的主程序設計流程圖分別如圖2、圖3所示。本系統(tǒng)中的四個從MCU具有相同的功能，因此其主程序設計是一樣的。主、從MCU在初始化中要設置的相關參數(shù)包括：串行口的方式、波特率、定時器的方式、中斷等。
2．1．2 自檢程序設計
主從MCU的自檢是為了保證每個單片機都能正常工作，即USB和主MCU、主MCU和從MCU之間的通訊正常，并且保證每個單片機的RAM沒有損壞。
主MCU和從MCU之間的通訊是否正常的自檢是：先由主單片機向從單片機發(fā)一串數(shù)據(jù)，然后再由從單片機把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)回主單處機，判斷兩串數(shù)據(jù)的個數(shù)和內(nèi)容是否一致，一致的話則說明通訊正常。同理，USB和主MCU之間通訊自檢的原理也是如此。
MCU的RAM自檢的原理是：對于每一個RAM的存儲單元，先把一個數(shù)據(jù)寫入該RAM的單元，然后再從該單元里讀出一個數(shù)據(jù)，判斷兩者是否一致，如果一致則說明該RAM單元沒有損壞。
2．1．3 通訊程序設計
系統(tǒng)的通訊程序包括：主MCU與USB之間的通訊程序、主MCU與從MCU之間的通訊程序以及從MCU對被檢測電路板的掃描程序。
主MCU的USB是通過USB的管腳D0～D7和主MCU的管腳P0.0～P0.7傳遞數(shù)據(jù)的。控制主要是通過USB的四個管腳：RXF、TXE、WR、/RD和主MCU的四個管腳：P1.4、P1.5、P1.6、P1.7進行的。當TXE為低且WR從0變?yōu)?時，數(shù)據(jù)寫入USB；當RXF為低且/RD從1變?yōu)?時，數(shù)據(jù)從USB讀到主MCU。主MCU通過P1.4和P1.5對USB的RXF和TXE進行判斷，然后通過P1.6和P1.7對USB的WR和/RD進行控制傳遞數(shù)據(jù)。
主MCU與從MCU之間利用MCU的RxD和RxD端以全雙工UART串行模式進行通信，串行通訊通過中斷實現(xiàn)，使用了幀錯誤檢測和自動地址識別功能。本系統(tǒng)的主MCU采用廣播通訊方式，由特殊寄存器SADEN和SADDR邏輯或產(chǎn)生從機的廣播地址，利用地址自動識別功能，通過發(fā)送廣播地址，同時發(fā)命令與四個從MCU進行通訊。當主MCU只和單個從MCU通訊時，采用點點通訊方式，由SADEN和SADDR相與產(chǎn)生的特定地址來確認哪些從機被選中與主機進行通訊，不需要再進行軟件查詢。
從MCU對被檢測電路板的掃描程序采用的是功能測試技術(shù)。為了檢測某一組合邏輯電路板是否存在故障，首先把電路板插到診斷插槽上，由于每個輸出端口只是與該電路板所有端口中的幾個有邏輯關系，所以掃描程序只需對某個輸出端口有邏輯關系的電路板的輸入端口進行從全0到全1的電平激勵（比如有五個輸入端口，一共有2 5=32組激勵）。對于有邏輯關系的輸入超過七個以上時，由于工作量很大，不實行從全0到全1的激勵，而是從中選擇128組激勵進行類似抽查的檢測，然后讀取輸出端口，把輸出結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)，和標準數(shù)據(jù)庫的仿真結(jié)果進行分析與比較，判斷是否一致，如果出現(xiàn)不一致的情況，則說明電路板存在故障。
2．2 應用系統(tǒng)軟件設計
安裝在計算機上的自動測試診斷系統(tǒng)軟件采用Visual 6.0語言編程，其主要作用是使計算機向USB接口通信卡發(fā)送測試激勵數(shù)據(jù)、接收響應數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)計算與分析等。
2．3 標準診斷數(shù)據(jù)庫的軟件產(chǎn)生方法
建立標準診斷數(shù)據(jù)庫的目的是為了進行自動故障定位。本系統(tǒng)可用兩種方法建立標準診斷數(shù)據(jù)庫：第一種方法是根據(jù)被測數(shù)字電路板的原理圖，在一些EDA軟件環(huán)境如Protel、Foudation、Maxplus II中通過仿真功能生成標準診斷數(shù)據(jù)庫。第二種是測試功能正常的數(shù)字電路板，在特定的激勵下記錄該電路板的響應數(shù)據(jù)，由軟件自動追加到相應的數(shù)據(jù)庫中，作為今后測試該電路板的標準診斷數(shù)據(jù)庫。
由于本系統(tǒng)所要測試診斷的電路板端口數(shù)較多，采用第二種方法不但工作量非常大，而且還要確保所測數(shù)字電路板在測試過程中功能正常，因此本系統(tǒng)采用第一種方法�？紤]到所測的電路板為組合邏輯數(shù)字電路板，所以本系統(tǒng)采用Xilinx公司的Foundation F3.1i軟件環(huán)境，在原理圖編輯器（Schematic Editor）中輸入被測數(shù)字電路板的原理圖，然后在功能仿真器（Functional Simulation）r Script Editor中利用軟件自帶的仿真命令自動生成標準診斷數(shù)據(jù)文件，再由應用系統(tǒng)軟件將數(shù)據(jù)導入相應的數(shù)據(jù)庫。
目前一般的自動測試診斷系統(tǒng)通常是在標準的測控總線或儀器總線（CAMAC、GPIB、VXI、PXI、CAN等）的基礎上組建而成的，其成本較高、體積龐大、操作復雜，基礎上組建而成的，其成本較高、體積龐大、操作復雜，在測試過程中顯得非常不方便，難以滿足現(xiàn)代科技工作者的需要。本文介紹的自動測試診斷系統(tǒng)是以五片P89C668單片機為核心組成故障診斷平臺，采用基于FT245BM USB芯片的通信卡實現(xiàn)計算機與測試診斷平臺的通信。該系統(tǒng)的便攜式結(jié)構(gòu)特別適合于現(xiàn)場測試，具有成本低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高等優(yōu)點；系統(tǒng)的操作比較簡單，只要掌握計算機的一般操作，具有一定的數(shù)字電路技術(shù)基礎，能夠看懂一般的數(shù)字電路原理的，經(jīng)過簡單的技術(shù)培訓，詳細閱讀并理解本系統(tǒng)的使用說明后就可以進行操作；系統(tǒng)硬件模塊的標準化和軟件模塊的可復用性使系統(tǒng)具有很強的擴展能力。目前該測試診斷系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，效果良好，完全達到了預期的設計目的。
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66821730(技術(shù)支持)
