基于FPGA的PCB測(cè)試機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

杭州PCB抄板公司-緯亞電子：引言

　　PCB 光板測(cè)試機(jī)基本的測(cè)試原理是歐姆定律，其測(cè)試方法是將待測(cè)試點(diǎn)間加一定的測(cè)試電壓，用譯碼電路選中PCB 板上待測(cè)試的兩點(diǎn)，獲得兩點(diǎn)間電阻值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)電壓比較電路，測(cè)試出兩點(diǎn)間的電阻或通斷情況。 重復(fù)以上步驟多次，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路板的測(cè)試。

　　由于被測(cè)試的點(diǎn)數(shù)比較多， 一般測(cè)試機(jī)都在2048點(diǎn)以上，測(cè)試控制電路比較復(fù)雜，測(cè)試點(diǎn)的查找方法以及切換方法直接影響測(cè)試機(jī)的測(cè)試速度，本文研究了基于FPGA的硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　硬件控制系統(tǒng)

　　測(cè)試過(guò)程是在上位計(jì)算機(jī)的控制下，控制測(cè)試電路分別打開不同的測(cè)試開關(guān)。測(cè)試機(jī)系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成: 上位計(jì)算機(jī)PC104 、測(cè)試控制邏輯(由FPGA 實(shí)現(xiàn)) 、高壓測(cè)試電路。 其中上位機(jī)主要完成人機(jī)交互、測(cè)試算法、測(cè)試數(shù)據(jù)處理以及控制輸出等功能。 FPGA 控制高壓測(cè)試電路完成對(duì)PCB 的測(cè)試過(guò)程。

　　本系統(tǒng)以一臺(tái)PC104 為上位計(jì)算機(jī)，以FPGA為核心，通過(guò)PC104 總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)測(cè)試的控制。測(cè)試系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

FPGA與PC104的接口電路

　　PC104總線是一種專為嵌入式控制定義的工業(yè)控制總線，其信號(hào)定義與ISA 總線基本相同。 PC104總線共有4 類總線周期，即8 位的總線周期、16 位的總線周期、DMA 總線周期和刷新總線周期。 16 位的I/O總線周期為3 個(gè)時(shí)鐘周期，8 位的I/O總線周期為6 個(gè)時(shí)鐘周期。 為了提高通信的速度，ISA總線采用16 位通信方式，即16 位I/O方式。 為了充分利用PC104的資源，應(yīng)用PC104的系統(tǒng)總線擴(kuò)展后對(duì)FPGA 進(jìn)行在線配置。正常工作時(shí)通過(guò)PC104總線與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　FPGA與串行A/D及D/A器件的接口

　　根據(jù)測(cè)試機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)測(cè)試電壓及兩通道參考電壓進(jìn)行自檢，即A/D轉(zhuǎn)換通道至少有3 路。 兩路比較電路的參考電壓由D/A輸出，則系統(tǒng)的D/A通道要求有兩通道。 為了減少A/D及D/A的控制信號(hào)線數(shù)，選用串行A/D及D/A器件。 綜合性能、價(jià)格等因素， 選用的A/D器件為TLC2543，D/A器件為TLV5618。

　　TLV5618是TI公司帶緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的雙路12 位電壓輸出DAC，通過(guò)CMOS 兼容的3線串行總線實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。器件接收16 位命令字，產(chǎn)生兩路D/A模擬輸出。TLV5618只有單一I/O周期，由外部時(shí)鐘SCL K決定，延續(xù)16 個(gè)時(shí)鐘周期，將命令字寫入片內(nèi)寄存器，完成后即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。TLV5618讀入命令字是從CS的下降沿開始有效，從下一SCLK的下降沿開始讀入數(shù)據(jù)，讀入16位數(shù)據(jù)后即進(jìn)入轉(zhuǎn)換周期，直到下次出現(xiàn)CS的下降沿。 其操作時(shí)序圖如圖2 所示。

     TLC2543是TI公司的帶串行控制和11個(gè)輸入端的12 位、開關(guān)電容逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。 片內(nèi)轉(zhuǎn)換器有高速、高精度和低噪音的特點(diǎn)。 TLC2543工作過(guò)程分為兩個(gè)周期：I/O周期和轉(zhuǎn)換周期。I/O周期由外部時(shí)鐘SCLK決定，延續(xù)8、12或16個(gè)時(shí)鐘周期，同時(shí)進(jìn)行兩種操作: 在SCLK上升沿以MSB方式輸入8位數(shù)據(jù)到片內(nèi)寄存器；在SCLK下降沿以MSB 方式輸出8、12、16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換周期在I/O周期的后一個(gè)SCLK下降沿開始，直到EOC信號(hào)變高，指示轉(zhuǎn)換完成。 為了與TLV5618的I/O周期一致，采用了MSB方式，使用CS的16 時(shí)鐘傳送的時(shí)序。其操作時(shí)序如圖3 所示。杭州PCB|杭州smt

由于這兩種器件都是SPI接口，可將這兩器件連接至同一SPI 總線，通過(guò)不同的片選信號(hào)對(duì)不同的器件操作。 由于SPI接口協(xié)議復(fù)雜，而且從圖3 可以看出，這兩種器件的時(shí)序并沒(méi)有用到全部的SPI接口時(shí)序。為了實(shí)現(xiàn)符合以上邏輯的時(shí)序，減少標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口IP 核對(duì)FPGA資源的浪費(fèi)， 設(shè)計(jì)采用Verilog硬件描述語(yǔ)言用同步狀態(tài)機(jī)(FSM)的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，編寫ADC及DAC控制時(shí)序。程序?qū)嶋H上是一個(gè)嵌套的狀態(tài)機(jī)，由主狀態(tài)機(jī)和從狀態(tài)機(jī)通過(guò)由控制線啟動(dòng)的總線在不同的輸入信號(hào)情況下構(gòu)成不同功能的有限狀態(tài)機(jī)。 則由圖3 可知，D/A操作有4 個(gè)狀態(tài)，A/D操作有7個(gè)狀態(tài)。 兩種狀態(tài)中有幾個(gè)狀態(tài)是相同的，故可用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)完成對(duì)串行A/D及D/A的操作。 程序?qū)嶋H上是一個(gè)嵌套的狀態(tài)機(jī)，由主狀態(tài)機(jī)和從狀態(tài)機(jī)通過(guò)由控制總線啟動(dòng)的總線在不同的輸入信號(hào)情況下構(gòu)成不同功能的較復(fù)雜的有限狀態(tài)機(jī)。 A/D及D/A操作共用唯一的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘(SCLK) 及數(shù)據(jù)總線(SI、SO)。由于操作的寫周期有16個(gè)時(shí)鐘周期，讀周期有12個(gè)時(shí)鐘周期，模塊是在三個(gè)嵌套的有限狀態(tài)機(jī)中完成的，其主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)如圖4所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將AD、DA操作封裝成一單獨(dú)模塊，由上層控制模塊輸出命令字及控制信號(hào)啟動(dòng)本模塊的相應(yīng)操作，操作完成后(進(jìn)入idle狀態(tài)) ，本模塊發(fā)出相應(yīng)狀態(tài)信號(hào)至上層模塊。

FPGA 程序框架

　　FPGA 片內(nèi)程序是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)正確運(yùn)行的關(guān)鍵。 由自頂向下的FPGA 設(shè)計(jì)原則，將系統(tǒng)分為5個(gè)獨(dú)立的模塊， 即通信模塊(ISA) 、測(cè)試模塊(TEST) 、AD/DA 模塊、解碼模塊(DECODER) 、RAM 控制模塊(RAMCTL)。

　　ISA 模塊:系統(tǒng)通信及控制模塊，完成與上位機(jī)通信、命令字解釋、控制信號(hào)的產(chǎn)生等。系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)傳送的導(dǎo)通電阻、絕緣電壓等參數(shù)啟動(dòng)ADDA模塊完成參考電壓的輸出；根據(jù)測(cè)試命令啟動(dòng)測(cè)試模塊完成測(cè)試過(guò)程。數(shù)據(jù)在多個(gè)同步運(yùn)行的同步狀態(tài)機(jī)間傳送，較難控制的是多進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)同步。

　　RAM控制模塊：在測(cè)試開始前，上位機(jī)將測(cè)試點(diǎn)的信息通過(guò)總線傳送至ISA模塊， ISA 模塊再將其存放到片內(nèi)RAM中；測(cè)試完成后，將RAM中的測(cè)試結(jié)果傳送到上位機(jī)。 在測(cè)試時(shí)測(cè)試模塊通過(guò)讀RAM中測(cè)試點(diǎn)的信息來(lái)打開相應(yīng)測(cè)試開關(guān)，再將測(cè)試結(jié)果保存到RAM 中。 這樣兩個(gè)模塊都要求讀寫RAM 以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)共享，這就要求有一控制信號(hào)將兩組讀寫信號(hào)線分別與RAM模塊相連接，RAM控制模塊即完成此功能。測(cè)試模塊(TEST):雖然測(cè)試過(guò)程有多種，如開關(guān)卡自檢、導(dǎo)通測(cè)試、絕緣測(cè)試等，但測(cè)試過(guò)程卻是相同的，即測(cè)試掃描。 測(cè)試的工作過(guò)程是:加比較電路參考電壓→打開待測(cè)點(diǎn)開關(guān)→延時(shí)→讀比較器結(jié)果→測(cè)試另一組測(cè)試點(diǎn)。 本模塊是按照不同的操作碼，進(jìn)入不同的測(cè)試過(guò)程。 測(cè)試結(jié)果與測(cè)試點(diǎn)編號(hào)一起組成13 位數(shù)據(jù)保存到RAM 中，并將原來(lái)測(cè)試點(diǎn)的編號(hào)信息覆蓋。

　　解碼模塊(DECODER):這一模塊掛在測(cè)試模塊(TEST) 之后，它完成開關(guān)編號(hào)到實(shí)際電路的映射。 由于測(cè)試針陣形式不同、譯碼電路與控制電路的硬件設(shè)計(jì)不同，上級(jí)模塊輸出的測(cè)試開關(guān)信息并不能直接作為輸出控制測(cè)試開關(guān)電路。 解碼模塊完成這兩者間的轉(zhuǎn)換。

　　AD/DA 模塊(AD/DA)：設(shè)計(jì)SPI 總線接口對(duì)A/D 及D/A 器件操作，模塊以允許(adenable ， daenable) 信號(hào)啟動(dòng)，以busy信號(hào)作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志信號(hào)，將A/D及D/A操作相對(duì)其它模塊進(jìn)行封裝。系統(tǒng)的每個(gè)模塊采用Verilog硬件描述語(yǔ)言編寫，采用多個(gè)多層嵌套的同步狀態(tài)機(jī)(FSM)完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯功能；每一模塊應(yīng)用仿真工具M(jìn)odelsim完成模塊的功能仿真，系統(tǒng)完成功能測(cè)試后；利用Altera 綜合布線工具QuartusII完成系統(tǒng)后仿真及綜合、布線、下載；充分利用Altera公司免費(fèi)提供的IPcore 對(duì)程序模塊進(jìn)行優(yōu)化；頂層設(shè)計(jì)采用方框圖輸入方式，模塊間的數(shù)據(jù)流由方框圖更直觀地表現(xiàn)出來(lái)。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　基于FPGA的PCB測(cè)試機(jī)的硬件控制系統(tǒng)，提高了PCB測(cè)試機(jī)的測(cè)試速度、簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。此外由于FPGA的可重構(gòu)特性，為系統(tǒng)的軟件算法以及硬件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)打下了良好的基礎(chǔ)，具有良好的應(yīng)用前景。

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