基于FPGA的PCB测试机硬件电路设计研究

引言

　　PCB 光板测试机基本的测试原理是欧姆定律，其测试方法是将待测试点间加一定的测试电压，用译码电路选中PCB 板上待测试的两点，获得两点间电阻值对应的电压信号，通过电压比较电路，测试出两点间的电阻或通断情况。 重复以上步骤多次，即可实现对整个电路板的测试。

　　由于被测试的点数比较多， 一般测试机都在2048点以上，测试控制电路比较复杂，测试点的查找方法以及切换方法直接影响测试机的测试速度，本文研究了基于FPGA的硬件控制系统设计。

硬件控制系统

　　测试过程是在上位计算机的控制下，控制测试电路分别打开不同的测试开关。测试机系统由以下几部分构成: 上位计算机PC104 、测试控制逻辑(由FPGA实现) 、高压测试电路。 其中上位机主要完成人机交互、测试算法、测试数据处理以及控制输出等功能。FPGA控制高压测试电路完成对PCB 的测试过程。

　　本系统以一台PC104 为上位计算机，以FPGA为核心，通过PC104 总线实现上位机对测试的控制。

　　测试系统总体框图如图1所示。

FPGA与PC104的接口电路

　　PC104总线是一种专为嵌入式控制定义的 工业控制 总线，其信号定义与ISA 总线基本相同。 PC104总线共有4 类总线周期，即8 位的总线周期、16 位的总线周期、DMA 总线周期和刷新总线周期。 16 位的I/O总线周期为3 个时钟周期，8 位的I/O总线周期为6 个时钟周期。 为了提高通信的速度，ISA总线采用16 位通信方式，即16 位I/O方式。 为了充分利用PC104的资源，应用PC104的系统总线扩展后对FPGA 进行在线配置。正常工作时通过PC104总线与FPGA进行数据通信。

FPGA与串行A/D及D/A器件的接口

　　根据测试机系统设计要求，需要对测试电压及两通道参考电压进行自检，即A/D转换通道至少有3 路。 两路比较电路的参考电压由D/A输出，则系统的D/A通道要求有两通道。 为了减少A/D及D/A的控制信号线数，选用串行A/D及D/A器件。 综合性能、价格等因素， 选用的A/D器件为TLC2543，D/A器件为TLV5618。

　　TLV5618是TI公司带缓冲基准输入(高阻抗)的双路12 位电压输出 DAC ，通过CMOS 兼容的3线串行总线实现数字控制。器件接收16 位命令字，产生两路D/A 模拟 输出。TLV5618只有单一I/O周期，由外部时钟SCL K决定，延续16 个时钟周期，将命令字写入片内寄存器，完成后即进行D/A转换。TLV5618读入命令字是从CS的下降沿开始有效，从下一SCLK的下降沿开始读入数据，读入16位数据后即进入转换周期，直到下次出现CS的下降沿。 其操作时序图如图2 所示。

　　TLC2543是TI公司的带串行控制和11个输入端的12 位、开关电容逐次逼近型A/D 转换器 。 片内转换器有高速、高精度和低噪音的特点。 TLC2543工作过程分为两个周期：I/O周期和转换周期。I/O周期由外部时钟SCLK决定，延续8、12或16个时钟周期，同时进行两种操作: 在SCLK上升沿以MSB方式输入8位数据到片内寄存器；在SCLK下降沿以MSB 方式输出8、12、16位转换结果。转换周期在I/O周期的最后一个SCLK下降沿开始，直到EOC信号变高，指示转换完成。 为了与TLV5618的I/O周期一致，采用了MSB方式，使用CS的16 时钟传送的时序。其操作时序如图3 所示。