Dati PCB - Progettazione del circuito hardware della macchina di prova della scheda PCB basata su FPGA

Al fine di migliorare la velocità di prova della macchina di prova della scheda PCB, semplificare la progettazione del circuito stampato, migliorare la riconfigurabilità del sistema e la convenienza del trapianto di algoritmo di prova, viene proposto uno schema di progettazione del sistema di controllo hardware della macchina di prova della scheda PCB basato su FPGA. Nella progettazione, viene selezionato il campo programmabile gate array (FPGA) EP1K50 di Altera Corporation e la progettazione hardware e il debug del sistema di controllo sono completati utilizzando gli strumenti di progettazione EDA Synplify, Modelsim, Quartus II e Verilog linguaggio di descrizione hardware e il problema che è difficile da realizzare dai circuiti convenzionali è risolto. Il principio di prova di base della macchina di prova della luce della scheda PCB è la legge di Ohm. Il metodo di prova consiste nell'aggiungere una certa tensione di prova tra i punti da testare, utilizzare il circuito di decodifica per selezionare i due punti da testare sulla scheda PCB e ottenere il corrispondente valore di resistenza tra i due punti. Il segnale di tensione, attraverso il circuito di confronto tensione, verifica la resistenza o la continuità tra i due punti. Ripetere i passaggi di cui sopra più volte per testare l'intero circuito stampato. A causa di un gran numero di punti testati, la macchina di prova generale è più di 2048 punti e il circuito di controllo della prova è più complicato. Il metodo di ricerca e il metodo di commutazione del punto di prova influenzano direttamente la velocità di prova della macchina di prova. Questo articolo studia la progettazione del sistema di controllo hardware basato su FPGA.

Sistema di controllo hardware

Il processo di prova è quello di controllare il circuito di prova per accendere diversi interruttori di prova sotto il controllo del computer host. Il sistema della macchina di prova è composto dalle seguenti parti: il computer superiore PC104, la logica di controllo della prova (implementata da FPGA) e il circuito di prova ad alta tensione. Tra questi, il computer superiore completa principalmente le funzioni di interazione uomo-computer, algoritmo di prova, elaborazione dei dati di prova e output di controllo. Il FPGA controlla il circuito di prova ad alta tensione per completare il processo di prova della scheda PCB. Questo sistema utilizza un PC104 come computer superiore e FPGA come controllo della prova da parte del computer superiore attraverso il bus PC104.

Circuito di interfaccia tra FPGA e PC104

Il bus PC104 è un bus di controllo industriale appositamente definito per il controllo incorporato, e la sua definizione del segnale è fondamentalmente la stessa di quella del bus ISA. Il bus PC104 ha 4 tipi di cicli bus, vale a dire ciclo bus a 8 bit, ciclo bus a 16 bit, ciclo bus DMA e ciclo bus di aggiornamento. Il ciclo bus I/O a 16 bit è di 3 cicli di clock e il ciclo bus I/O a 8 bit è di 6 cicli di clock. Per migliorare la velocità di comunicazione, il bus ISA adotta una modalità di comunicazione a 16 bit, vale a dire la modalità I/O a 16 bit. Al fine di sfruttare appieno le risorse di PC104, l'FPGA è configurato online dopo l'espansione del bus di sistema di PC104. Durante il normale funzionamento, comunica con FPGA attraverso il bus PC104.

L'interfaccia tra FPGA e dispositivi seriali A/D e D/A

Secondo i requisiti di progettazione del sistema del tester, è necessario eseguire un autocontrollo sulla tensione di prova e sulla tensione di riferimento a due canali, cioè ci sono almeno tre canali di conversione A/D. La tensione di riferimento dei due circuiti di confronto viene emessa dal D/A, quindi il canale D/A del sistema richiede due canali. Per ridurre il numero di linee di segnale di controllo di A/D e D/A, vengono selezionati dispositivi seriali A/D e D/A. Prestazioni complete, prezzo e altri fattori, il dispositivo A/D selezionato è TLC2543 e il dispositivo D/A è TLV5618. Il TLV5618 è un DAC a doppia uscita di tensione a 12 bit con ingresso di riferimento buffered (alta impedenza) da TI, controllato digitalmente tramite un bus seriale a 3 fili compatibile CMOS. Il dispositivo accetta una parola di comando a 16 bit e genera due uscite analogiche D/A. TLV5618 ha solo un singolo ciclo I/O, determinato dall'orologio esterno SCL K, che dura 16 cicli di clock, scrive la parola di comando nel registro on-chip ed esegue la conversione D/A dopo il completamento. TLV5618 parola di comando read-in è valida dal bordo di caduta di CS e inizia a leggere i dati dal bordo di caduta del successivo SCLK. Dopo aver letto i dati a 16 bit, entra nel ciclo di conversione fino a quando si verifica il successivo bordo di caduta di CS. Il TLC2543 è un convertitore A/D a 12 bit commutato di approssimazione successiva con controllo seriale e 11 ingressi da TI. I convertitori on-chip offrono alta velocità, alta precisione e basso rumore. Il processo di lavorazione del TLC2543 è diviso in due cicli: il ciclo I/O e il ciclo di conversione. Il ciclo di I/O è determinato dall'orologio esterno SCLK, che dura 8, 12 o 16 cicli di clock, ed esegue due operazioni contemporaneamente: inserire dati a 8 bit nel registro on-chip in modalità MSB sul bordo ascendente di SCLK; Uscita in modalità MSB sul bordo di caduta del risultato di conversione SCLK 8, 12, 16 bit. Il ciclo di conversione inizia su un bordo di caduta di SCLK nel ciclo di I/O fino a quando il segnale EOC sale in alto, indicando che la conversione è completa. Per essere coerente con il ciclo I/O di TLV5618, si adotta il metodo MSB e si utilizza la tempistica della trasmissione a 16 ore di CS.

Poiché entrambi i dispositivi sono interfacce SPI, possono essere collegati allo stesso bus SPI e funzionare su dispositivi diversi attraverso diversi segnali di selezione chip. Poiché il protocollo di interfaccia SPI è complesso, e come si può vedere dalla Figura 3, la temporizzazione di questi due dispositivi non utilizza tutta la temporizzazione dell'interfaccia SPI. Al fine di realizzare il timing in linea con la logica di cui sopra e ridurre lo spreco di risorse FPGA di controllo IP dell'interfaccia SPI standard, il design adotta il linguaggio di descrizione hardware Verilog per realizzare il metodo di progettazione della macchina a stato sincrono (FSM), e scrive ADC e DAC per controllare la sequenza di temporizzazione. Il programma è in realtà una macchina di stato nested, e la macchina di stato master e la macchina di stato slave costituiscono macchine a stato finito con funzioni diverse in condizioni di segnale di ingresso differenti attraverso il bus avviato dalla linea di controllo. Si può sapere dalla FIG. 3 che l'operazione D/A ha 4 stati, e l'operazione A/D ha 7 stati. Diversi stati nei due stati sono gli stessi, quindi una macchina a stato finito può essere utilizzata per completare il funzionamento dei seriali A/D e D/A. Il programma è in realtà una macchina a stato nested. La macchina dello stato master e la macchina dello stato slave formano una macchina dello stato finito più complessa con funzioni diverse sotto diversi segnali di ingresso attraverso il bus avviato dal bus di controllo. Drive clock (SCLK) e data bus (SI, SO) sono condivisi da operazioni A/D e D/A. Poiché il ciclo di scrittura dell'operazione ha 16 cicli di clock e il ciclo di lettura ha 12 cicli di clock, il modulo è fatto in tre macchine nested a stato finito. Nella progettazione del sistema, le operazioni AD e DA sono incapsulate in un singolo modulo e il modulo di controllo a livello superiore emette la parola di comando e il segnale di controllo per avviare l'operazione corrispondente di questo modulo. Una volta completata l'operazione (entra nello stato di inattività), questo modulo invia il segnale di stato corrispondente al modulo di livello superiore.

Quadro di programmazione FPGA

Il programma FPGA on-chip è la chiave per il corretto funzionamento dell'intero sistema di test. Secondo il principio di progettazione FPGA top-down, il sistema è diviso in 5 moduli indipendenti, vale a dire il modulo di comunicazione (ISA), il modulo di test (TEST), il modulo AD/DA, il modulo di decodifica (DECODER) e il modulo di controllo RAM (RAMCTL). Modulo ISA: modulo di comunicazione e controllo del sistema, completa la comunicazione con il computer host, interpretazione delle parole di comando, generazione del segnale di controllo, ecc. Il sistema avvia il modulo ADDA per completare l'uscita della tensione di riferimento secondo la resistenza on, tensione di isolamento e altri parametri trasmessi dal computer host; avvia il modulo di prova per completare il processo di prova secondo il comando test. I dati vengono trasferiti tra più macchine a stato sincrono in esecuzione sincrona ed è più difficile controllare la comunicazione dei dati e la sincronizzazione dei dati tra più processi. Modulo di controllo RAM: prima dell'inizio del test, il computer host trasmette le informazioni del punto di prova al modulo ISA attraverso il bus, e il modulo ISA le memorizza nella RAM on-chip; al termine del test, il risultato del test nella RAM viene trasmesso al computer host. Durante il test, il modulo di test apre il corrispondente interruttore di test leggendo le informazioni del punto di test nella RAM e quindi salva il risultato del test nella RAM. In questo modo, entrambi i moduli richiedono la lettura e la scrittura RAM per ottenere la condivisione dei dati tra i due moduli, che richiede un segnale di controllo per collegare i due gruppi di linee di segnale di lettura e scrittura al modulo RAM rispettivamente, e il modulo di controllo RAM completa questa funzione. Modulo di prova (TEST): Sebbene ci siano varie procedure di prova, quali autocontrollo della scheda di commutazione, prova di continuità, prova di isolamento, ecc., la procedura di prova è la stessa, vale a dire scansione della prova. Il processo di lavoro della prova è: aggiungere la tensione di riferimento del circuito di confronto â 1344' accendere l'interruttore del punto da provare â 1344' ritardare â 1344' leggere il risultato del comparatore â 1344' provare un altro insieme di punti di prova. Questo modulo entra in diversi processi di test in base ai diversi opcode. Il risultato del test e il numero del punto di prova formano insieme dati a 13 bit e li salvano in RAM e coprono le informazioni numeriche del punto di prova originale.

Modulo di decodifica (DECODER): Questo modulo si blocca dopo il modulo di prova (TEST), completa la mappatura dei numeri di commutazione ai circuiti effettivi. A causa delle diverse forme dell'array del perno di prova e delle diverse progettazioni hardware del circuito di decodifica e del circuito di controllo, l'uscita delle informazioni dell'interruttore di prova dal modulo di livello superiore non può essere utilizzata direttamente come uscita per controllare il circuito dell'interruttore di prova. Il modulo di decodifica completa la conversione tra i due. Modulo AD/DA (AD/DA): Progettare l'interfaccia bus SPI per azionare i dispositivi A/D e D/A, il modulo viene avviato con il segnale ammissibile (adorabile, dannabile) e il segnale occupato viene utilizzato come segnale flag di completamento della conversione. Le operazioni D/A sono incapsulate rispetto ad altri moduli. Ogni modulo del sistema è scritto in linguaggio di descrizione hardware Verilog e più strati di macchine a stato sincrono annidate (FSM) sono utilizzati per completare la funzione logica dell'intero sistema; Ogni modulo utilizza lo strumento di simulazione Modelsim per completare la simulazione di funzione del modulo, e il sistema completa il test di funzione Utilizzare lo strumento di routing integrato di Altera QuartusII per completare la simulazione e la sintesi post-sistema, il cablaggio e utilizzare appieno il core IP fornito da Altera per ottimizzare i moduli del programma; Il design di livello superiore adotta il metodo di input del diagramma a blocchi e il flusso di dati tra i moduli è rappresentato in modo più intuitivo dal diagramma a blocchi. Il sistema di controllo hardware della macchina di prova della scheda PCB basata su FPGA migliora la velocità di prova della macchina di prova della scheda PCB e semplifica la progettazione del circuito. Inoltre, a causa delle caratteristiche riconfigurabili di FPGA, ha gettato una buona base per l'ulteriore ottimizzazione e aggiornamento dell'algoritmo software e della struttura hardware del sistema e ha una buona prospettiva di applicazione su scheda PCB.