項目8電路板的功能檢測評估項目引入本項目是一項涉及電路板測試和評估的項目。旨在確保隔離控制器電路板能夠按照預期的方式運行，以滿足其設計要求。通過對電路板進行功能檢測和評估，可以識別可能存在的缺陷或問題，并采取適當的措施來糾正這些問題，確保電路板的準確性和穩定性。項目將涉及使用各種測試方法和工具來驗證電路板是否能夠正確地執行其操作。這可能包括對電路板進行模擬測試、用外部信號模擬輸入輸出、使用自動測試設備進行測試等等。最終目標是確定電路板是否符合規格，并且能夠在實際應用中可靠地工作。學習目標知識目標理解隔離控制器電路板的基本結構和原理；掌握電路板測試和評估的常用方法和工具；了解電路板測試的相關標準和規范。技能目標能夠獨立進行隔離控制器電路板的功能檢測和評估；能夠使用各種測試方法和工具來驗證電路板的性能；能夠分析測試結果并提出改進意見。素養目標幫助學生樹立創新精神，不斷探索新的測試方法和技術；培養學生責任心和質量意識，確保測試過程和結果的準確性和可靠性；強化學生自我學習和持續學習的能力，不斷提高專業素養。項目8電路板的功能檢測評估任務1電路電氣檢查任務描述電路在設計完畢后就要進行功能驗證，首先要進行的就是電路的電氣特性檢查，電路部分的檢測，通常在電路板加工制作過程中就開展了，甚至在電路設計時就要考慮后期的電路檢查規劃。電氣電路檢查后還會安排配合固件程序的功能測試，但這些涉及程序的測試往往要以電路穩定工作為前提，電路檢查要在程序功能測試之前就進行。但在進入程序測試時，有時也會出現電路問題，如通信部分的功能，既涉及到電氣電路，又涉及到程序編寫。我們必須盡可能在功能程序測試之前驗證電路的可靠，這樣可以有效減輕后期測試的壓力。本任務主要完成隔離控制器電路板電氣功能檢查，檢查項目包括電路設計部分和電路加工部分，確保電氣功能達到設計要求。知識儲備一、焊接加工的概念焊接是利用特定材料將多個母材以加熱、高溫或者高壓的方式連成一個整體，其可應用于金屬材料，也可應用于非金屬材料，使用廣泛。在19世紀末以前，唯一的焊接技術是將金屬加熱后用錘子敲打，使其焊接在一起，即金屬鍛焊。隨著技術的發展與需求的變化，多種焊接技術應運而生，目前已成為重要的制作方法之一，從簡單的日常生活用品到復雜的交通工具，都有著焊接技術的身影。知識儲備在電路檢查時，通常需要合理使用工具來完成，一般使用較多的是四種設備：電源、萬用表、示波器、信號發生器。這里，我們可以利用電源輸出合理的供電電壓來測量隔離控制器的供電部分；利用萬用表可以檢查電路中的通斷、電壓、電流、阻抗等參數；示波器可以用來觀測電路中信號的變化，如幅度、頻率等；信號發生器可以提供一定范圍和頻率的激勵信號，用于測試電路對變化信號的響應。知識儲備電路檢查可以在焊接加工時就開始進行，避免所有電路焊接完畢后再進行測試。測試時往往會依據電路功能劃分，分區域測試，從供電部分開始進行測試，這樣可以盡量減少由于電路錯誤造成的損失。電路測試時要在斷電情況下就進行測試，完成斷電情況的測試，再對電路上電測試。有規劃地進行電路測試，可以有效減小故障排查的困難。一、制定測試規劃首先要制定合理的測試規劃，確定好測試的內容，最好能以表格形式確立規范。其次要準備好測試工具，依據電路功能的不同，可能需要不同的工具，如電路用于某些傳感器的接入測量，就應當在常用測試工具之外準備實際使用的傳感器，或使用合適的信號發生器代替。最后還要詳細制定好測試步驟，尤其是一些功能較為復雜的電路，要依據電路功能劃分，分區、分功能依次測試。二、空板測試首先要對加工完成的類似圖8-1所示的PCB空板進行目視檢查，當然也可以借助放大鏡、顯微鏡等工具來完成這項工作。這里主要是看過孔、焊盤是否合乎要求；對于部分元件封裝要檢查是否利于組裝加工；對于絲印的排版，觀察其是否位置合適，有無交疊和錯印；一般在PCB樣板加工時就會由加工方檢測由于加工工藝造成的短路斷路情況。二、空板測試其次還要用檢測設備對空板做更為詳細的檢查，這里主要借助萬用表，一般會檢查電路中是否有設計原因或加工原因造成的短路、斷路。這里要重點針對電源和地信號，依據電路原理圖，用萬用表的二極管檔測試電源供電的各個節點有無短路到地。在沒有焊接元件之前進行短路測試是非常有利的，當元件焊接好后，由于空間有限，部分測量可能較困難。在電路設計時，如果能有意設計各個空焊盤作為檢測點，將有助于后期電路的維護檢查。知識補充對于PCB檢驗是有嚴格標準的，國際標準如IPC（國際電子工業聯接協會）制定的一系列標準，包括IPC-A-600（印制板的可接受性）、IPC-6012（剛性印刷電路板性能規范）等。國家標準如一系列的GB/T（中華人民共和國國家標準）和SJ/T（電子行業標準），包括GB/T4588.3-2002（印制板的設計和使用）、SJ/T11364-2014（電子電氣產品有害物質限制使用標識要求）等。除了國際標準和國家標準之外，還有一些行業標準、企業標準、客戶標準等，這些都是針對特定的領域或需求而制定的。三、焊接測試焊接測試是指在將電路的元件焊接完畢后，進行電路的測試，但這里的焊接并不意味著完成整個電路板的焊接。通常會按功能劃分電路區域，分區域焊接測試，在操作之前就制定一個較為合理的計劃步驟會有效提高測試效率，并減小測試復雜度。1.電源電路測試電源電路是首先要進行測試的部分，在電源電路焊接完畢后，首先要測試其輸入輸出電壓是否正常，電源的波紋是否滿足要求。可以適當加上負載進行測試供電效果，仔細查看負載變化時供電電壓的情況。另外，也要注意測試輸入電壓在設計范圍內變化時，輸出電壓的變化，確認其符合設計要求。如圖8-2所示，可以用萬用表分別測量VCC和VSS之間的電壓，VDD和GNDD之間的電壓，看是否符合設計要求。2.控制核心電路測試控制核心電路的測試可以在確認電源供電正常的情況下開展，測試時首先要確認控制電路中核心芯片的供電電壓正常，然后可以測試其時鐘部分是否正常，最后可以通過特定接口測試程序寫入。通常，可以嘗試寫入一段特定功能的測試程序，讓某一管腳輸出固定的電平序列信號來測驗控制核心是否能正確工作。2.控制核心電路測試以隔離控制器電路為例，其核心MCU的工作需要3.3V的供電電壓，因此我們首先需要用萬用表測試供電是否滿足要求。這里不宜直接用表筆測量芯片管腳電壓，較粗的表筆容易引起MCU管腳間的短路，可以嘗試測量芯片供電引腳周圍的濾波電容兩端電壓。2.控制核心電路測試正確的供電未必能保證隔離控制器正常工作，核心MCU工作需要有穩定的晶振信號，隔離控制器的采用了外接8MHz的晶振，可以用示波器來測量其是否按設計要求工作。晶振波形一般是正弦波或者方波，當輸出波形是方波時，一般上升沿比較抖，且包含了較多的高頻信號，測試方波時帶寬最好能是被測信號頻率的10倍。用200M示波器可以測試出隔離控制器工作時晶振的波形，測試時將探頭檔位調為×10檔，注意探頭就近接地，以保證信號的保真度。2.控制核心電路測試為了驗證程序燒寫電路，可以設計一個較為簡單的測試程序，如讓一個管腳驅動LED的定時閃爍，將該程序通過燒寫接口寫入MCU。程序的成功燒寫，可以驗證串行調試接口（SWD）電路正確，但未必能保證核心控制電路能可靠工作，通過觀察LED的閃爍，可以判斷核心電路是否能按設計穩定運行，所以通常在設計電路時，工程師會特意設計一個指示系統穩定工作的LED指示燈，如果電路中沒有這樣的設計，則需要通過示波器等設備來驗證程序的運行。2.控制核心電路測試如圖8-3所示，是一個可供測試使用的LED電路。3.外圍輸入輸出電路測試電路板上除供電部分和核心控制部分外，會有一些依據應用要求設計的外圍設備電路，這些電路各有不同的功能，比如。通信電路主要用于信號傳輸與處理，而輸入輸出接口則進行數據、信號交換以及控制等，這些功能電路要依據其功能分別測試。隔離控制器的功能較為簡單，外圍電路部分主要是用于通信的RS485轉換電路和輸入輸出隔離接口電路。3.外圍輸入輸出電路測試隔離控制器中的RS485轉換電路如圖8-4所示，主要用于通信，其完備的功能測試要配合帶通信功能的固件程序來完成，在電路檢測時只能簡單測試下轉換芯片的供電電壓和對外通信管腳的對地電壓。3.外圍輸入輸出電路測試隔離控制器中的輸入輸出的隔離接口電路使用了光耦來隔離外部接口和系統信號，在測試時分別測試輸入接口和輸出接口。檢查輸入接口時，可以測試在外部信號電平下光耦接入系統的信號電壓，檢查外部信號在整個設計范圍內能夠產生有效的系統輸入信號。檢查輸出接口時，同樣也要測試整個設計范圍內是否都能輸出有效信號。隔離控制器中隔離輸出部分電路如圖8-5所示。知識補充嚴格的電路檢測通常還要包括電磁兼容（EMC）測試，指的是對電子產品在電磁場方面干擾大小（EMI）和抗干擾能力（EMS）的綜合評定，幫助產品設計者評估其產品的電磁兼容性，并滿足相關的國際和行業標準。測試通常需要由專業的實驗室或機構進行，這些機構會根據不同的國家和地區的標準要求來進行測試，例如歐洲聯盟（EU）制定了CE認證標準，美國則有FCC標準等。在進行EMC測試前，產品設計者應該做好充分的準備工作，包括預先測試、修改設計、選擇合適的材料和組件等，以確保最終產品能夠通過測試并獲得認證。項目8電路板的功能檢測評估任務2測試用例設計與實施任務描述隔離控制器在完成電路焊接制作，并進行過電路檢測后，需要進行后續的功能測試。功能測試是以最終設備功能的穩定運行為目標，功能測試需要配合固件程序，測試要有步驟地進行，從簡單到復雜，設計多個測試用例，逐步完成整個隔離控制器的功能驗證。本任務通過多個測試固件的燒些運行，驗證隔離控制器功能完備性和運行穩定性。知識儲備測試用例(TestCase)的設計從簡單到復雜，逐步驗證電路設備的各項功能，一些簡單的用例在電路測試期間就需要開始檢測，用以驗證基礎電路的穩定運行，較為復雜的通信功能驗證就需要設計較為復雜的測試用例。用例的設計要考慮到檢測操作方便開展，還要考慮到檢測能覆蓋隔離控制器的所有功能。檢測結果可以用表格的形式詳細記錄，以便事后開展分析，幫助系統的后續改進。下面以隔離控制器的功能驗證為例，給出用例設計和實施的具體案例。一、用例設計1.系統固件燒寫和運行最簡單的用例莫過于閃爍一盞LED燈，這一用例用于驗證隔離控制器的編程接口能順利工作，驗證隔離控制器主控部分穩定工作。使用隔離控制器的編程接口，將設計好的測試程序寫入控制器，斷開編程器的連接，將12V電源接入隔離控制器的V+和V-接口端子，實現隔離控制器的上電運行，實現主芯片PA0管腳上連接的雙色LED燈紅色引腳每隔500ms切換電平狀態，使得紅色指示燈每秒閃爍一次。課堂思考如指示燈未能按預期閃爍，如何排查故障？2.系統指示燈測試隔離控制器中針對7路輸入和8路輸出分別設計了15路獨立的指示燈，可以設計一個用例來測試該15路指示燈是否能準確工作，這樣可以有利于利用這些指示燈為后面測試輸入輸出端口服務。2.系統指示燈測試將隔離控制器主芯片所接入的15路指示燈依次點亮熄滅，形成流水燈的效果，為便于觀察，將這些指示燈按輸入端口和輸出端口的序號排列閃爍；輸入端口為PA12、PC8、PB15、PB12、PB10、PA6、PA1；輸出端口為PA8、PC7、PB14、PB11、PB0、PA5、PC3、PC2。這里應當注意到，指示燈的順序并非依照芯片端口序號排列，測試該用例時應當按照PCB布板時LED的排列順序來測試。具體電路設計如圖8-6所示。3.輸入端口測試隔離控制器有七路輸入接口，需要設計合適的用例用于測試七路輸入接口是否能滿足功能需求。將隔離控制器的七路輸入接口端子分別和GNDS端子短接，當主控芯片檢測到輸入接口的電平變化，對應指示燈亮起或熄滅。3.輸入端口測試隔離控制器上的對外接口如圖8-7所示，其中七路輸入接口分別是DI0_CON到DI6_CON。4.輸出端口測試隔離控制器有八路輸出接口，需要設計合適的用例用于測試八路輸出接口是否能滿足功能需求。在圖8-7中DO0_CON到DO7_CON為八路輸出接口。4.輸出端口測試設計合適的固件程序，實現八路輸出端子依次輸出有效信號，各路輸出間隔1秒，循環往復，每路輸出有效電平時，對應指示燈點亮，利用萬用表二極管檔測試各路輸出與GND信號的短路情況。5.RS485通信測試隔離控制器對外通信接口采用RS485，測試該接口是否能有效通信，需要有配合的收發設備，通常開發用計算機不會帶有RS485的接口，因此需要USB轉RS485的轉換器來配合測試。隔離控制器的對外接口中，如圖8-7所示，標識為RS485A_CON和RS485B_CON的接口為RS485通信的AB信號線。5.RS485通信測試設計合適的固件程序，實現隔離控制器RS485接口的回顯測試，測試時首先將測試程序燒寫進隔離控制器，隨后在測試計算機上插入USB轉RS485的轉換器。測試計算機利用串口調試助手等工具進行RS485接口測試，串口調試軟件有很多種，不同操作系統下都有類似功能的工具，如圖8-8所示為開源的CuteCom軟件。5.RS485通信測試此類串口調試軟件均類似，部分軟件提供較為豐富的功能，這里只用到其基礎功能，串口發送和接收。在使用這類軟件進行通信測試時，一般需要先設定好工作參數，常用參數有串口設備名稱、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗、流控等，這些參數可以根據測試用的固件來設定，大致的參數設置如圖8-9所示：5.RS485通信測試測試時可依據需要設定好發送和接收數據的格式，選擇字符形式或HEX形式。在這里設計的測試例程中，通過串口調試助手將字符數據發送給隔離控制器，控制器在收到數據后，會講數據回送出來，此時將會在串口調試助手的接收窗口中顯示回送回來的數據，其和之前發送的數據是一致的。RS485接口的數據回顯測試能驗證隔離控制器通信電路的正常工作。課堂思考當通信測試時沒有返回任何信息，需要考慮哪些可能的問題？如返回內容和預期不符，需要考慮哪些問題？6.協議命令測試隔離控制器在使用時對外通信接口使用RS485，通信協議部分借鑒modbusrtu形式，利用設計好的通信協議可以控制讀取隔離控制器的各路輸入端口狀態和設置各路輸出端口狀態。這里給出的測試固件參考了ADAM4150的操作指令，RS485接口工作在9600波特率、8位數據位、1位停止位、無奇偶校驗、無流控，協議和常用的標準MODBUS有細微的差異，具體可參考如下的指令說明。6.協議命令測試（1）控制指令（繼電器控制：功能碼為05）。開啟：01050013FF007DFF。具體字節格式如表8-1所示：設備碼功能碼地址高位地址低位輸出開CRC低位CRC高位01050013FF007DFF6.協議命令測試（1）控制指令（繼電器控制：功能碼為05）。關閉：0105001300003C0F。具體字節格式如表8-2所示：設備碼功能碼地址高位地址低位輸出關CRC低位CRC高位0105001300003C0F6.協議命令測試設備碼是隔離控制器在RS485總線上的設備編號，RS485總線要求所有接入總線的設備都有唯一的編號，這里使用01作為設備編號，在實際使用中可以根據需要修改固件來設定不同的編號，當然也可以在固件中加入相關功能實現用戶設置自定義編號。功能碼05在MODBUS協議中表示寫單個線圈，這里單個線圈就對應一路輸出端口；地址就是輸出端口的編號，如地址為0x0010對應隔離控制器的DO0，0x0011對應隔離控制器的DO1，以此類推。6.協議命令測試輸出開0xFF00表示在輸出端口輸出“閉合”信號，隔離控制器中該輸出端口會實現和信號地的短接；輸出關0x0000表示在輸出端口輸出“斷開”信號，隔離控制器中該輸出端口會實現和信號地的斷路。CRC校驗碼用于對控制指令前面字節的校驗，讀者可自行使用第三方的CRC16校驗工具來計算其值，也可使用如下的在線工具進行計算。如下網址的頁面提供了多種CRC校驗的服務：https://www.lammertbies.nl/comm/info/crc-calculation6.協議命令測試有關CRC校驗的相關知識讀者可自行查找相關資料，這里進行校驗的多項式為CRC16_MODBUS：x16+x15+x2+1（0x8005），初始值0xFFFF，低位在前，高位在后，結果與0x0000異或。端口開啟指令和端口關閉指令被隔離控制器接收后，隔離控制器會返回應答指令，如果控制指令被成功執行，應答指令將原樣返回所接收到的控制指令。6.協議命令測試（2）獲取狀態指令(獲取設備狀態值：功能碼為01)發送獲取狀態指令請求具體字節格式如表8-3所示：設備碼功能碼地址高位地址低位讀取數量CRC低位CRC高位0101000000077DC86.協議命令測試（2）獲取狀態指令(獲取設備狀態值：功能碼為01)發送獲取狀態指令請求具體字節格式如表8-3所示。這里設備碼是隔離控制器在RS485總線上的設備編號；功能碼01在協議中表示讀取輸入端口狀態；指令中的地址指的是第一個待讀輸入端口的地址；讀取數量指待讀取輸入端口的數量；CRC校驗碼用于對指令中前面字節的校驗設備碼功能碼地址高位地址低位讀取數量CRC低位CRC高位0101000000077DC86.協議命令測試隔離控制器在收到該請求指令時，會將對應輸入端口的狀態返回給查詢方。響應獲取狀態指令請求的具體字節格式如表8-4所示。設備碼功能碼位數端口二進制表達（高位補0）CRC低位CRC高位0101010C518D6.協議命令測試響應指令中的位數指的是端口狀態需要多少字節的二進制表達.如7路輸入端口，則需要一個字節的空間，最高的第8位補0；如果需要讀取9路輸入端口，則需要兩個字節來存放狀態信息，同時高位需要補7個0。隔離控制器中有7路輸入，實際使用一個字節就夠了。對于7路輸入端口，在響應指令中，二進制表達的比特位某一端口的狀態，1表示端口開啟，0表示端口關閉。二、用例實施1.固件燒寫和運行固件燒寫需要配合一定的工具，可以使用SWD接口完成程序固件的下載運行，隔離控制器的燒寫接口是如圖8-10所示的牛角座。1.固件燒寫和運行接口中除了編程用的SWD信號線外，還包括了串口通信線，接口的信號排序如圖8-11所示。1.固件燒寫和運行在利用接口下載固件程序時，按照SWD的信號規范，實際只需要使用SWD、CLK、GND三根信號線就可以，但市場上能購買到與此接口匹配的下載調試器，該下載器的數據接口與此處的10針接口完全匹配，因此直接使用10P的排線會更加方便，所用下載器如圖8-12所示。1.固件燒寫和運行下載的軟件工具可以采用J-Link編程工具，可在其官方主頁下載，其網址為/downloads/jlink/1.固件燒寫和運行在安裝好J-Link軟件后，可以使用其組件中的J-FlashLite來進行固件下載，其啟動時的說明對話框如圖8-14所示。1.固件燒寫和運行J-FlashLite可以用于固件文件的下載，固件文件可以是bin后綴的二進制映像文件，也可以是hex后綴的二進制文件，區別在于hex文件中多了地址信息，如使用bin文件，需要額外說明下載的目標地址，這里給讀者提供測試用的hex文件。J-FlashLite的運行時需要先指定目標芯片的型號，這里可以選擇隔離控制器的主控芯片STM32F103R8，接口選擇SWD，如圖8-15所示。1.固件燒寫和運行設定好參數后，點擊“OK”按鈕可以進入工作界面，在此界面中選擇待燒寫的hex文件，點擊“EraseChip”按鈕可以擦除芯片程序，擦除現有程序后點擊“ProgramDevice”按鈕可以將準備好的hex文件寫入芯片，完成后在Log窗口部分會顯示相應的提示信息。其工作界面如圖8-16所示。1.固件燒寫和運行在將測試用hex文件寫入芯片后，可以將隔離控制器復位或重新上電，如此完成后，可以觀察隔離控制器的工作狀態判斷是否符合設計制作要求。市場上有很多支持SWD接口的編程設備，大多都可以很好地完成固件下載工作，但在選購和使用時要注意其接口線序；STM32芯片也支持串口IAP編程，但需要操作芯片部分功能管腳的電平信號配合，這里還是推薦使用S