Введение
В настоящее время вычислительная техника прочно вошла в нашу жизнь. Она используется всюду: в быту и в промышленности, для проведения научных исследований. Каждый человек ежедневно использует огромное количество электронных приборов и механизмов: холодильник, телевизор, микроволновая печь, электрочайник, лифт и т.д. Множество из этих вещей сделано с использованием цифровых схем. Цифровые схемы прочно вошли в нашу жизнь и заняли в ней позицию надежного и верного помощника. Однако, как любые механизмы и приборы, цифровые схемы выходят из строя. Поэтому необходимо выполнять их диагностирование.
Для диагностирования вычислительной техники используется диагностическое обеспечение, в частности, автоматизированные системы диагностики (АСД). В настоящее время выпускается огромное количество систем диагностики. Лидирующие позиции в мире держат такие компании, как Teradyne, Agilent, World Test Systems. Они производят огромное количество разноплановых систем тестирования и диагностики.
Основные задачи, решаемые системой диагностики:
- проверка исправности вычислительного устройства (ВУ) – с выдачей ответа вида исправно/неисправно;
- непосредственно поиск неисправности – локализации места неисправности.
Одной из разновидностей систем диагностики является система, основанная на методе «ведомого зонда». Поиск неисправностей по методу «ведомого зонда» основан на «прослеживании» пути проявления неисправности по топологической схеме ОД. Прослеживание проводится зондированием внутренних контрольных точек (КТ) пути от контакта выходного разъема, на котором неисправность проявилась, до узла, где находится ее источник, и сравнении реальных тестовых реакций с эталонными значениями. Эталонная тестовая реакция вычисляется путем моделирования объекта в исправном состоянии, либо снимается заранее с заведомо исправного (эталонного) образца ОД. Для зондирования применяются одноконтактный (щуп) или групповой (зажим, клипсы) зонды.
Состав системы зондовой диагностики:
- устройство зондирования;
- устройство контроля зондовой диагностики;
- программное обеспечение системы диагностики.
Устройство зондирования или зонд используется для снятия тестовых реакций (ТР) с контрольных точек образца ОД. Анализ ТР в системе зондовой диагностики может быть логическим или компактным. В первом случае сравнение ТР проверяемого и эталонного ОД производится в каждом такте работы устройства, во втором случае сравниваются сжатые характеристики (сигнатуры) реакций. Сжатие осуществляется методами счета единиц (нулей), перепадов, деления на характеристический полином (сигнатурный анализ) и т.д.
На устройство контроля зондовой диагностики возлагаются следующие функции:
- подача тестовых воздействий на объект диагностики;
- съём тестовых реакций с объекта диагностики;
- сжатие ТР с помощью сигнатурного анализа;
- сопряжение на физическом уровне с ОД;
- обмен информацией с ЭВМ.
Программное обеспечение системы диагностики реализует следующие функции:
- управление поиском неисправности, т.е. перестановками зонда;
- обмен данными между устройством контроля и устройством зондирования;
- создание и редактирования тестов;
- анализ тестовых реакций.
Обзор существующих систем зондовой диагностики
Система Javelin 1004 с роботизированными зондами фирмы Teradyne
Система автоматизированной диагностики для плат с поверхностным монтажом (рисунок 1). Использует четыре управляемых зонда одной длины. Независимое движение зондов происходит в одной плоскости, что повышает точность их позиционирования и воспроизводимость результатов. Автоматический конвейер оптимизирует передвижение печатного узла (ПУ) через тестер. Время измерения – меньше 50 мс на один этап теста.
Рисунок 1 - Система Javelin 1004
Javelin 1004 удовлетворяет условиям мелкосерийного производства и производства крупных ПУ. Быстрая адаптация к новым условиям контроля и новой конфигурации ПП составляет одно из наиболее важных свойств системы. Малое время программирования, гибкость и простота установки делают ее подходящим прибором для контроля опытных образцов.
Модули так называемого безвекторного контроля (рисунок 2) расширяют покрытие неисправностей для любой ИС, в том числе с BGA и теплоотводами, а также соединителей.
Система технического зрения с видеокамерой автоматически проверяет присутствие и ориентацию ИС.
Рисунок 2 – Безвекторный контроль
Система внутрисхемного контроля TestStation 12X фирмы GenRad
Усовершенствованная система семейства TestStation (рисунок 3) Выполняет все функции контроля ПУ семейства:
- определение разрывов и коротких замыканий;
- безвекторный контроль;
- контроль дискретных аналоговых компонентов;
- цифровой векторный контроль;
- периферийное сканирование при сокращенном доступе;
- контроль компонентов со смешанными сигналами;
- функциональный контроль в современных производственных условиях.
Рисунок 3 – Система TestStation 12X
Аналоговая и цифровая подсистемы синхронизированы. Аналоговая подсистема обеспечивает измерение напряжения от 0 до +200 В, тока от 0 до +160 мА, содержит модуль с программируемой частотой от 15 Гц до 100 кГц, высоковольтный источник питания. Цифровая подсистема характеризуется 26 программируемыми запускающими уровнями от +5,5 до -2,5 В, автоматической верификацией управления на каждом контакте. Технические характеристики системы представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Технические характеристики системы TestStation 12X
Параметр |
Значение |
Зонды |
четыре наверху, стационарный зонд под ПУ |
Скорость измерения |
до 20 тестов в секунду |
Минимальное разрешение позиционирования |
10 мкм |
Повторяемость позиционирования |
±10 мкм |
Минимальный шаг зонда |
0,2 мм |
Ход зонда |
6–30 мм в зависимости от программы |
Диапазон измерений: |
|
резисторов |
4 Ом–40 МОм, 10 мОм–100 Ом |
конденсаторов |
10 пФ–400 мФ |
катушек индуктивности |
10 мкГн–400 Гн |
коротких замыканий/разрывов |
5 Ом–4 МОм |
Максимальные размеры контролируемой ПП |
600х510 мм |
Толщина платы |
0,8–3,2 мм |
Высота компонента: |
|
на верхней стороне ПП |
30 мм |
на нижней стороне ПП |
100 мм |
Электропитание |
200–240 В переменного тока |
Габариты |
1690х1430х1670 мм |
Масса |
1100 кг |
Зонды |
четыре наверху, стационарный зонд под ПУ |
Зондовая система Pilot LX фирмы GenRad
Система производственного контроля (рисунок 4) предназначена для гибкого, полного и экономически эффективного тестирования крупных ПУ с ограниченным доступом малых серий, а также опытных образцов. Содержит четыре управляемых зонда для верхней стороны ПУ и шесть фиксированных зондов для нижней стороны. Подсистема технического зрения имеет две камеры, одна из которых проводит оптический контроль и оцифровку ПП, а вторая используется во время разработки теста, наладки и производства.
Рисунок 4 – Cистема Pilot LX
Система способна:
- проводить периферийное сканирование
- цифровой и безвекторный контроль ИС.
Таблица 2 – Технические характеристики системы Pilot LX
Параметр |
Значение |
Разрешение позиционирования зондов по X и Y |
2,5 мкм |
Максимальные размеры контролируемой ПП |
610х610 мм |
Максимальная толщина контролируемой ПП |
5 мм |
Максимальная высота компонентов: |
|
на верхней стороне ПП |
44 мм |
на нижней стороне ПП |
100 мм |
Измеряемое напряжение постоянного тока |
±50 В |
Диапазон измерения: |
|
резисторов |
0,1 Ом–200 МОм |
конденсаторов |
10 пФ–1000мкФ |
катушек индуктивности |
10 мкГн–1 Гн |
частоты |
до 1 МГц |
Габариты системы |
1700х1680х1240 мм |
Масса |
1577 кг |
Электропитание |
110/220 В переменного тока (2500 Вт) |
Зондовая система AutoPoint II фирмы DiagnoSYS Systems
Система AutoPoint II (Рисунок 5) может сопрягаться с широким спектром контрольно-измерительных приборов. Варианты системы используют один или два управляемых зонда и максимальное число (16) опорных зондов. Система представляет идеальное решение для отбраковки и контроля ПУ малых серий.
Рисунок 5 – Cистема AutoPoint II
Программные средства сигнатурного анализа Interv3 позволяют проводить анализ на незапитанном ПУ, что обеспечивает неразрушающий контроль любого компонента на ПП. Технические характеристики системы AutoPoint II представлены в таблице 3.
Таблица 3 – технические характеристики AutoPoint II
Параметр |
Значение |
Число управляемых зондов |
1 |
Скорость перемещения зонда |
25 мм/с |
Разрешающая способность |
1 мкм |
Точность позиционирования |
±25 мкм |
Максимальные размеры контролируемой ПП |
600х600 мм |
Максимальная высота контролируемого ПУ |
100 мм |
Потребляемая мощность системы |
500 Вт |
Автоматизированная система диагностики «ТЕСТ-Д» производства ООО «Трейлер»
Рисунок 6 – Система диагностики «ТЕСТ-Д»
Система предназначена для диагностики и ремонта промышленных электронных устройств (рисунок 6).
Комплекс приборов, входящих в состав системы, реализует методы:
- функционального тестирования;
- сигнатурного тестирования;
- внутрисхемного тестирования.
Технические характеристики системы представлены в таблице 4.
Таблица 4 – технические характеристики системы «ТЕСТ-Д»
Параметр |
Значение |
Число каналов канала ввода-вывода |
190 (95) |
Уровни сигналов |
ТТЛ, КМОП |
Максимальный уровень логической единицы |
15V |
Максимальный уровень логического нуля: |
|
в режиме вывода |
0,4V |
в режиме ввода |
0,8V |
Максимальный ток при уровне логического нуля: |
|
в режиме вывода |
40 mA. |
в режиме ввода |
0,8 mA. |
Зонд логический (IN-зонд): |
|
уровень логической единицы |
от 2,0 V до 15 V |
уровень логического нуля |
от -15 V до 1,0 V |
Входное сопротивление |
20 кОм |
Зонд генератор (OUT-зонд): |
|
уровень логической единицы не менее |
2,4 V |
уровень логического нуля не более |
0,8 V |
Максимальный выходной ток |
200 мА |
Персональный диагностический комплекс «ТДК 3» производства ООО ПКФ «МАГЕС»
Рисунок 7 – Диагностический комплекс «ТДК-3»
Диагностический комплекс (рисунок 7) позволяет реализовать различные методы диагностики электронных устройств:
- проверку в статическом режиме;
- сигнатурный анализ;
- логический анализ;
- функциональное тестирование.
Технические характеристики комплекса представлены в таблице 5.
Таблица 5 – технические характеристики комплекса «ТДК-3»
Параметр |
Значение |
Число каналов ввода-вывода |
96, 144, 192 и более |
Уровни сигналов |
ТТЛ, КМОП |
Исполнение |
встроенное в ПЭВМ или в виде отдельного блока |
Зонд логический |
Одноканальный логический анализатор-генератор для диагностики и наладки микропроцессорных устройств. |
Преимущества и недостатки современных систем диагностики
Системы Javelin 1004, TestStation 12X, Pilot LX, AutoPoint II – это системы промышленного производственного контроля. Данные системы обладают огромным количеством преимуществ: высокая скорость проверки, высокая точность, большое количество методов проверки и т.п. Но в то же время ориентированность данных систем на промышленное производство наделяет их рядом недостатков:
- большая стоимость (от 15 000 долларов);
- большие габариты;
- низкая мобильность;
- большое время разработки теста для новой платы.
Все перечисленные недостатки несущественны для производства ПУ в больших объёмах, так как тогда ни габариты, ни стоимость, ни мобильность, ни большое время разработки теста сильно не влияют на рентабельность производства. Что же касается небольших производств, то для них данные системы неприемлемы в связи с их недостатками.
Системы «ТЕСТ-Д» и «ТДК-3» - это системы предназначенные для мелко- и среднесерийного производства. Преимуществами данных систем являются:
- небольшие габариты;
- небольшая стоимость;
- простота в работе и обслуживании;
- открытость систем;
- большой диапазон применения.
К недостаткам данных систем можно отнести:
- сильная привязка к топологии, тестируемой платы;
- полная зависимость от ЭВМ (комплекс не может работать отдельно от ЭВМ);
- небольшое количество уровней цифровых сигналов: ТТЛ, КМОП;
- слабая мобильность.
Постановка задачи
Объектом магистерской работы является разработка структуры поста контроля зондовой диагностики для плат средней и малой степени интеграции с использованием HDL- и FPGA-технологий. Целью является создание портативного и удобного в эксплуатации поста контроля зондовой диагностики для диагностирования плат работающих на частоте до 40МГц. Под портативностью подразумевается возможность функционирования без стационарной ЭВМ или функционирование в комплексе с ноутбуком. Для достижения поставленной цели используются следующие средства и технологии:
- языки описания аппаратуры (HDL);
- стандартный высокоскоростной интерфейс обмена данными (USB);
- технология программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Интерфейс USB выбран по причине его распространенности, миниатюрности и доступности. Практически все современные персональные компьютеры, которые выпускаются сейчас, оснащены этим интерфейсом. Технология ПЛИС позволяет обеспечить поддержку различных логических уровней, т.к. микросхемы ПЛИС могут работать с различными уровнями одновременно, для этого необходимо лишь подача разного напряжения питания на блоки ввода/вывода. Языки описания аппаратуры позволяют осуществить моделирование спроектированной системы, а так же разработать прошивку для микросхемы ПЛИС, которая будет реализовывать основные функции устройства.
Моделирование системы описанной с помощью HDL-языков осуществляется в САПР Active-HDL фирмы Aldec. Для синтеза прошивки FPGA микросхемы используется САПР ISE фирмы Xilinx.
Текущее состояние работы
На данный момент разработана структурная схема поста контроля зондовой диагностики (ПКЗД) (рисунок 8).
Рисунок 8 – Структурная схема поста контроля зондовой диагностики
На структурной схеме используются следующие обозначения блоков:
- Зонд – этот блок реализует все функции связанные со снятием тестовых реакций с контрольных точек на плате.
- Блок управления синхронизацией – управляет синхронизацией объекта диагностики, а так же синхронизует ПКЗД с ОД.
- Интерфейс с ОД – физически связывает ПКЗД с ОД.
- Оперативная память – используется для хранения тестовых векторов и тестовых реакций.
- Контроллер оперативной памяти – предназначен для организации работы с ОП.
- Операционная часть ПКЗД – предназначена для подсчёта сигнатур, и временного хранения данных.
- Блок управления ПКЗД – осуществляет управление всем устройством в целом.
- Блок связи с контроллером USB – реализует интерфейс обмена данными между ПКЗД и контроллером USB.
- Контроллер USB – реализует стандартный интерфейс обмена данными по протоколу USB.
Разработанная структура в основном ориентированна на функциональное тестирование. В функциональном тестировании основную роль играют порты ввода/вывода, подключаемые непосредственно к внешним разъёмам тестируемого устройства. На анимированном рисунке 9 изображен алгоритм работы портов ввода/вывода.
Анимированный рисунок 9 – Алгоритм работы портов ввода/вывода
На рисунке 9 используются следующие обозначения:
- CLK – синхросигнал ПКЗД;
- CLK_OD – синхросигнал объекта диагностики;
- CLK_catch – CLK_OD смещенный на время D1. Сигнал разрешения приёма тестовой реакции с ОД;
- CLK_change – CLK_OD смещенный на время D2. Сигнал разрешения подачи тестового воздействия на ОД;
- CLK_Z – CLK_OD смещенный на время D3. Сигнал разрешения переключения портов ввода/вывода в третье состояние.
Очередность действий по тестированию следующая:
- подача тестового вектора;
- переключение в третье состояние портов работающих в режиме ввод/вывод;
- захват тестовых реакций.
Результаты
Планируемые результаты магистерской работы:
- HDL-модель ПКЗД;
- принципиальная ПКЗД;
- файл прошивки для микросхемы FPGA;
- программное обеспечения для работы с ПКЗД;
- прототип ПКЗД.
Рекомендации по использованию результатов
Результаты магистерской работы могут использоваться:
- в учебном процессе;
- в дальнейших научных разработках и исследованиях;
- на производстве, для диагностики ТЭЗ средней и малой степени интеграции.
Заключение
Данная разработка является актуальной в связи с тем, что сейчас в нашей стране производится и эксплуатируется огромное количество интегральных микросхем, работающих на малых частотах до 40МГц. В основном такие схемы применяются в военно-промышленном комплексе. Для перевода таких схем на новую элементную базу потребуются значительные затраты средств и времени, а иногда и перепроэктирование всей системы в целом, поэтому сейчас и в ближайшем будущем будут необходимы средства для диагностирования интегральных микросхем.
Замечание: При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена, окончательное завершение - январь 2007 года. Полный текст работы и все материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список использованной литературы
- Miron Abramovich. Digital system testing and testable design. / New Jersey, US 1990р, 649c.
- Michael L. Bushnell. Essentials of electronic testing for digital, memory and mixed-signal VLSI circuits. / Massachusetts US 2000p., 648c.
- Ярмолик В.Н. Контроль и диагностика цифровых узлов ЭВМ. - М.: Наука и техника. 1988. - 240 с.
- Основы технической диагностики. Кн. 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / Под ред. П.П. Пархоменко. - М.: Энергия,1986. - 464 с.
- www.xilinx.com
- http://www.micron.com/sdramds
- http://www.ftdichip.com/FTDisti.htm
- Грушвицкий Р.И., Мурсаеев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. – СПб.: БХВ-Петербург , 2002. - 608с.
- Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е., Проектирование цифровых систем на VHDL. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 576 с.
- Поляков А.К. Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой аппаратуры. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 320с.
- Статья «Внутрисхемный контроль жив и будет жить», журнал „ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес”, выпуск 5/2001.