电路板TPS验证评估系统设计

白 天， 郭 明

（1.海军驻北京地区特种导弹专业军事代表室 北京 100076；2.海军航空工程学院 山东 烟台 264001）

随着以微电子技术和计算机技术为核心的高新技术飞速发展并不断在电子装备上广泛应用，新一代装备的发展进入到数字化、自动化、智能化和光机电一体化的综合电子系统阶段。但随着高新技术在电子装备中的应用，电子装备的维修难度急剧加大，并对综合技术保障的要求增加了许多，传统的维修保障技术已经远远不能满足电子装备战技性能保障的需要，对电子装备的维修测试保障也提出了更新、更高、更严的要求。电路板作为这些电子装备的基本单元，其测试维修具有举足轻重的作用。针对电路板开发其测试程序集（Test Program Set，TPS），利用自动测试系统（ATS）对电路板进行自动测试，具有操作简单、故障覆盖率高、故障定位精度高的优点[1]，能够经济有效地解决装备电路板测试维修问题，也是国际上普遍采用的有效手段。因此，如何对电路板TPS进行客观全面地验证评估，已经成为当前亟需解决的一个问题[2]。

美国较早就展开了对TPS验证评估方面的研究，制订并颁布了不少有关TPS方面的军用标准，例如 《被测装备与ATE的兼容性要求》[3]、《TPS一般要求》[4]等。泰瑞达公司开发的LASAR（逻辑自动激励与响应）软件是用于数字电路测试开发和逻辑分析的仿真软件系统，它可以帮助测试工程师选择高质量的测试激励，并给出对测试激励的评价数据，辅助测试工程师改进测试激励；美国Naval Air Systems Command利用Qualtech公司的测试性工程和维修系统软件TEAMS（Testability Engineering and Maintenance System）开发了测试程序开发验证软件环境[5]。

国内对电路板TPS的验证评估主要利用抽样注入故障的方式，由于故障选择单一、验证充分性差，造成验证评估结果置信度低。系统地对电路板TPS进行验证与评估更属空白。

通过对研究现状的分析，不难发现无论是国外还是国内，对电路板TPS的验证评估都仅停留在对测试激励的验证评估上，然而测试激励并不是TPS的唯一组成部分，高质量的测试激励并不一定就意味着高质量的TPS。将TPS作为一个整体对其进行验证评估是客观全面评价电路板TPS的一个先决条件。笔者从电路板TPS的组成入手，对电路板TPS的验证评估技术进行了分析，并对电路板TPS验证评估系统进行了设计。

1 系统设计

电路板测试程序集（TPS）由测试程序（TP）、接口装置（ID）和测试程序集文件（TPSD）组成。对电路板TPS的验证评估，也应该按这3方面展开。然而，由于目前对同一电路板可以使用不同的自动测试系统来进行测试，因此电路板TPS在各种自动测试系统中的可移植性也成为评价电路板TPS质量好坏的一个重要方面。即完整的电路板TPS验证评估应该包括以下4个方面：测试程序（TP）的验证评估、接口装置（ID）的验证评估、测试程序集文件（TPSD）的验收评估和电路板TPS可移植性的验证评估。

1.1 测试程序（TP）的验证评估

测试程序（TP）是TPS的核心，由于脱离了接口装置，因此对TP的验证评估主要方法就是基于仿真的验证评估，即在电路板模型中注入一定数量的故障，用测试程序对含有故障的电路进行故障检测与隔离，根据故障检测率和故障隔离率来对测试程序进行定量的验证评估。由于电路板固有的测试性不一样，而电路板固有测试性决定了测试程序所能检测的最大故障检测率和故障隔离率。因此，要客观地对测试程序进行评估，必须将电路板的固有测试性考虑进来；并且，各电路板的复杂程度不一样，测试程序的开发难度也不一样，测试程序的验证评估也应该将其考虑进来。对测试程序的验证评估是以电路板固有测试性分析和电路板测试程序开发难度分析为基础的。

1.1.1 电路板固有测试性分析与评估

利用测试程序（TP）进行电路板故障检测、定位和隔离过程中，FDR、FIR和FAR等测试性参数与TP的故障检测能力有关，其理论极限值决定于电路板的固有测试性水平。只有了解电路板的固有测试性水平，才能客观合理地对测试程序（TP）做出评价。

在数字电路中，有许多点是无法接触的，这些点上的故障是否可以测试，以及测试的难易程度，取决于电路的可达输入端是否能方便地控制这些点的逻辑值，以及这些点的逻辑值能否容易地敏化到电路的可达输出端加以观测，即电路的可控性和可观测性[6]。

从故障诊断理论角度看，电路板中各节点的值越易控制（容易使故障得到激活），故障信号越易观察或测量（容易使故障信号传输至可及端），则系统中的故障越易检测和诊断（定位），也即系统具有良好的测试性。由于一个电路中各节点的可控性和可观测性是不同的，为了科学地评估它们，必须对它们进行量化，这就是所谓可测试性的度量。电路板测试性分析与评估的步骤[6]如下：

1）建立和检查电路的连接关系和拓扑结构；

2）电路中元件的可控制性传递因子的数据库；

3）从原始输出开始，利用回推的方式，逐步计算电路中各节点的可观测性值，直到原始输入为止（需要经常访问电路中元件的可观察性传递因子的数据库）；

4）利用可控性值和可观测性值计算节点的可测性值；

5）计算并表达电路可测性的平均值，以及解释所获得的结果。

1.1.2 电路板测试程序开发难度分析与评估

我国对电路板进行可测试性设计开展较晚，现在使用的装备电路板多数只注重功能设计，而忽略了可测试性设计。而且电路板设计比较混乱，电路划分不合理。不同功能电路板之间差异较大，即使是完成相同功能的电路板，不同厂家之间生产的电路板也存在较大差异。这就造成了不同电路板测试程序的开发难度也不一样。例如，有的电路板完成功能单一，所含器件少，而有的电路板完成的功能比较复杂，所含器件较多，前者的测试程序开发难度就要低于后者的测试程序开发难度；又如有的电路板所含器件较多，但是逻辑关系简单，这样的电路板测试程序的开发难度较低，而有的电路板虽然所含器件很少，但是含有复杂的反馈控制电路，测试难度大，这样的电路板测试程序的开发难度就相应较大。因此，要想客观地评价电路板测试程序的开发水平，对电路板测试程序开发难度进行有效的分析与评估是十分必要的。

对电路板测试程序开发难度的分析与评估可以分两步来完成：1）确定影响电路板测试程序开发难度的各个项目如元器件类型、逻辑关系、功能指标（如频率、带宽）等要素及其权值；2）根据影响电路板测试程序开发难度的要素及其权值，通过回归分析等算法建立电路板难度系数计算公式。根据建立的难度系数计算结果，可以定量地对电路板测试程序开发难度进行分析与评估。

1.1.3 测试程序验证评估

TP是在ATE的计算机上运行，用于控制ATE的资源来测试指定UUT的软件的总称，它包含对测试过程的控制及对所测得的响应信号的处理，完成对被测对象是“正常”还是“故障”的判断。在“故障”时，还应能隔离故障，找出故障源。因此，TP所包含的测试激励的故障覆盖率与隔离率的定量分析可以在一定程度上反映TP性能的优劣。首先，需要建立被测电路板的模型，进行好板仿真，得到无故障时电路板各测试节点的响应；其次，进行故障模拟，将故障注入到电路模型中，得到含故障的电路模型；再次，将待评估的测试程序中的测试激励依次施加到含故障的电路模型中，收集各节点的响应，并与好板仿真得到的响应相比较，最终可以得到评估所需的测试激励的故障检测率和故障隔离率。测试激励验证评估流程图如图1所示。

图1 测试激励验证评估流程图Fig.1 Flow chart of verification and evaluation for test stimulus

当然，测试激励的优劣并不能全面地体现TP的优劣。TP在测试过程中的控制及对测试所得的响应信号的处理除了其功能正确与否外，最能体现其优劣程度的参数就是TP在测试中所耗费的时间。因此，高质量的TP应该是能在测试激励的故障覆盖和隔离能力与测试耗费时间上综合达到最优。

1.2 接口装置（ID）的验证评估

接口装置（ID）是电路板TPS的组成部分，在被测电路板与ATE之间提供机械和电气连接，并提供信号调节的装置，它包括通用接口（GPI）和接口测试适配器（ITA）。通用接口（GPI）是将ATE提供的所有测试与测量通道引至其上的装置，具有符合要求的电磁兼容、抗干扰、阻抗匹配和信号传输能力。对通用接口GPI的要求主要是由ATE来确定的，因此对接口装置（ID）的验收评估主要集中在对接口适配器（ITA）上。接口测试适配器（ITA）是提供UUT和GPI之间信号、电源连接与调节的装置。验收与评估主要包括以下内容：

1）接口测试适配器（ITA）结构设计、标识是否符合相关规定；

2）接口测试适配器（ITA）中UUT适配板的验证评估内容：

①电路板加固措施验证评估；

②电源及保护措施验证评估；

③可测试性验证评估；

④标识电路验证评估；

⑤连接电缆/布线底板验证评估。

1.3 电路板测试程序集文件（TPSD）的验收评估

电路板测试程序集文件（TPSD）是电路板TPS的组成部分，是用ATE确定电路板工作条件并完成对电路板故障检测和故障诊断所必需的文字信息，它不包括由ATE提供的打印信息。电路板TPSD包括TPS操作使用手册、电路板测试分析、接口装置有关文档、测试程序说明和测试源程序清单。对电路板测试程序集文件（TPSD）的验收评估主要是检查各种文档是否齐全，编写是否符合相关的规定。

1.4 电路板TPS可移植性的验证评估

TPS开发过程中，由于开发平台的差异，会造成电路板的测试分析文档、ATE操作手册、测试接口适配器、测试程序等几部分内容有很大的不同。同一块电路板要想在不同的ATE上进行测试，往往需要在不同的开发平台上进行重复开发，资源浪费严重。当ATE设备升级或在ATE间移植TPS时，用户最关心的是TPS不经改动或少量改动就能使用，以最大限度保护用户投资。TPS可移植和互操作技术是实现测试软件可重用，扩大测试系统的应用范围，提高开发效率和降低测试开发成本的关键。实现测试软件可移植与互操作的2个基本条件是：

1）测试系统信号接口的标准化；

2）测试程序与具体测试资源硬件的无关。

测试软件从结构上可分为面向仪器、面向应用和面向信号3种形式，而面向信号的开发是测试软件互操作的前提。面向信号的开发使测试需求反映为针对电路板端口的测量/激励信号要求，当测试资源模型也是围绕“信号”而建立时，只要通过建立虚拟信号资源向真实信号资源的映射机制，就可以实现TPS在不同配置的测试系统上运行。

要想使得TPS具有最大的通用性，这就需要对不同测试系统上的TPS结构进行详细地分析。由于各自动测试系统所具有的仪器模块、测试程序集（TPS）开发环境、测试接口不完全一样，导致了在它们之上所开发的TPS不兼容的问题。从通用适配器、标准仪器配置和软件接口标准化等方面研究入手，对其可移植性进行评估已经成为TPS验证与评估的重要研究内容。

1.5 系统总体设计

根据以上的分析，本文对电路板TPS验证评估系统进行了总体设计。系统共分为5个模块，即TP验证评估模块、ID验证评估模块、TPSD验收评估模块、TPS可移植性验证评估模块和TPS总体评价模块。TPS总体评价模块对前4个模块得出来的评估结果进行相应的加权打分，给出待评估的电路板TPS的总体评价。系统的总体设计框图如图2所示。

图2 电路板TPS验证评估系统总体设计框图Fig.2 Overall design block diagram of verification and evaluation system for PCB TPS

2 结 论

测试性作为维修性的一个重要设计特性，不仅对维修性产生重要影响，而且对降低产品全寿命周期费用具有重要意义。用TPS对电路板进行自动测试维修已经在装备保障中发挥了重要作用。笔者对电路板TPS的验证评估系统进行了总体设计，需要说明的是这仅仅是一个技术框架，许多技术上的细节还有待于进一步探索与研究。

[1]张波，陈岩申，王桂芝.海军某型声纳电路板测试程序集（TPS）开发研究[J].仪器仪表学报，2002，23（3）：251-253.ZHANG Bo，CHEN Yan-shen，WANG Gui-zhi.Development of digital PCB Test Program Sets （TPS） for Navy sonar[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2002，23 （3）：251-253.

[2]赵胜，宋东，张超.ATS中TPS的软件测试技术研究[J].测控技术，2006，25（3）：59-62.ZHAO Sheng，SONG Dong，ZHANG Chao.Research on the Software Testing Technology of TPS in ATS[J].Measurement＆ Control Technology，2006，25（3）：59-62.

[3]MIL-STD-2076.Unit under test compatibility with automatic test equipment general requirements for notice 1[S].1991.

[4]MIL-STD-2077，General requirements for test program sets[S].1978.

[5]Deb S，Pattipati K R，Raghavan V，et al.Multi-signal flow graphs：a novel approach for system testability analysis and fault diagnosis[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine，IEEE，1995，10（5）：14-25.

[6]丁谨.可靠性与可测试性分析设计[M].北京：北京邮电大学出版社，1995.