未知电路板原理图测绘系统的设计与实现样本.doc

未知电路板原理图测绘系统设计和实现

摘要：介绍了未知电路板原理图测绘系统基础实现原理，并在此原理基础上，实现了柔性针床网络图测试系统。给出了该系统设计方案，并具体说明了该系统软、硬件设计方法。实际应用表明，该系统能实现未知电路板原理测绘工作，含有很好应用前景。
    关键词：电路原理图 测绘 柔性针床 USB CPLD
多年来，中国引进了大量优异仪器设备，这些设备系统庞大、结构复杂、集成度高。经过多年使用，这些设备在维护修理、备件保障方面碰到了极大困难。因为不是技术引进，几乎没有任何相关设备技术资料，无法取得电子备件电路原理图，所以对未知（无电路原理图）电路板电路原理图测绘，对于电子备件尤其是军工产品反设计含相关键意义。
1 基础原理
要完成对未知电子备件反设计，必需首先获知该备件连线表，然后才能依据元器件数据库相关知识绘制出原电路原理图，进而经过技术分析和设计形成替换方案，实现反设计。对未知电路板测绘所使用常见措施关键有以下两种：
（1）用万用表欧姆档，对印制电路板上各外露焊点和元器件管脚进行连接测试，即首先测量第一个焊点（或管脚）和第二、第三个焊点（或管脚）之间电阻，直至测量完全部焊点和管脚，从而得到第一个焊点或管脚在电路板上连接图。用一样方法，再测第二个焊点（或管脚）和第三、第四个焊点（或管脚）之间电阻，直至测量完全部焊点管脚，得到第二个焊点或管脚在电路板上连接图。依次类推，能够得到电路板上各焊点和元器件管脚连接关系（即网络图）。这种方法即使能够得到电路板网络图，但十分繁琐、效率低、差错率也高，所以应开发自动测绘设备。
（2）采取固定针床措施进行测绘，对于每种电路板设计专门测试针床，将专用针床和被测电路板全部接点可靠接触，在计算机测试软件控制下，经过专门通道控制器可在较短时间内完成测试茉莉花和，而且能完成对多层电路板测绘。但这种方法要求为每种被测对象设计一个专门针床和测试软件，投放成本高、周期长。

综合以上两种方法优点，依据常见通路电阻测试法，设计了“柔性针床网络图测绘系统”，实现了灵活高效测绘。连线表测试完成后，借助专建立器件数据库，经过人工干预方法即可完成电路原理图绘制工作。

2 系统硬件设计
2.1 系统总体结构
该系统由计算机、开关矩阵、柔性针床阵列和被测备件组成，其结构见图1。其中，柔性针床阵列经过柔性针和电路板上全部节点可靠连接，开关矩阵实现通道自动切换或次序切换，柔性针床宽度仅能够覆盖一个电子芯片，这么经过多个针床，即可覆盖整个待测电路板。
测试时将电路板水平固定，在电路板上方和下方间距为2至3厘米处水平固定柔性针床，柔性针床一面有密集分布焊点，这些焊点经过长短可变弹性探针和被测电路板一面上外露焊点或元器件管脚相连。柔性针床另一面由连线将各焊点和开关矩阵相连，电路板另一面也进行相同操作，从而将电路板外露焊点或元器件管脚引到柔性针床上，经过计算机对开关矩阵进行控制，实现柔性针床上各节点之间连接关系自动测试。
2.2 测试电路结构组成
本系统采取自定义总线结构，各柔性针床经过总线进行连接，由控制模块控制相互间通信。测试电路经过USB总线接口和主机进行连接，图2所表示。

    其中，ADDR1和ADDR2为针床地址总线，控制模块经过发送对应地址码实现针床寻址。因为在测试时需要在针床本身和两个针床之间进行测试，只设计一套地址总线不能同时寻址两个针床，故设计了ADDR1和ADDR2两套地址总线，可同时实现对两个测试针床寻址。
RD、WR为读使能和写使能总线，RD有效时，许可测试针床向控制模块发送数据，WR有效时，许可控制模块发送指令到各个针床，实现控制功效。
AD1、AD2为针床控针地址总线。因为在测试时，各个探针全部需要和其它探针进行遍历测试，所以设计两套地址总线用来同时寻址两个不一样探针。AD1所寻址探针信号经数据线D1引出，AD2所寻址探针信号经数据线D2引出，经过测量D1和D2之间电阻，就能够得到所对应电路板焊点之间连接情况。
在本设计中，PC机经过USB接口完成对测试机控制，而测试数据又经过USB接口送回PC机进行分析，分析结果用于对UUT进行故障诊疗。

本系统采取Cypress企业AN2131QC作为控制器芯片。图3所表示为AN2131QC结构简化框图，USB总线收发器和USB总线引脚D+、D-相连，串行接口引擎用来对串行数据进行解码和译码、错误校验、位填充，并完成其它USB总线所需信号，最终实现和USB总线接口数据传输。通用微处理器采取增强型8051，和标准8051相比较，实施速度愈加快、功效更强大。在内部使用RAM作为程序代码和数据存放器，所以8051序列含有“软”特征，即：用户能够自动装载代码和数据来实现具体功效。
2.2.2 控制模块
控制模块用来完成各个针床寻址、控制、测试和数据发送和接收功效。经过USB接口由主机下达控制命令及接收数据。控制模块结构图4所表示。
    系统控制芯片采取ALTERA企业MAX7000系列可编程逻辑器件（CPLD），用来接收主机发送控制信号，对测试电路进行控制；接收测试数据并上传到主机。当WR有效时，接收控制指令；当RD有效时，接收测试数据。在测试电路自定义总线上共有五种测试信号，所以采取三根控制信号线A、B、C，经译码即可输出不一样控制信号。电阻测试电路也在控制模块中，负责对经D1和D2引出电路板两个焊点（或管脚）进行测试，测试结果经A/D变换后由CPLD送到主机中。
2.2.3 测试针床
测试针床用来使用探针连接电路板各个焊点或管脚，并使用开关矩阵进行各个探针之间连接自动次序切换，从而实现各个焊点之间互连测试。针床电路图5所表示。

开关矩阵采取MAX7000系列可编程逻辑器件实现，用来连接针床上全部探针，接收控制信号并将所寻址探针信号输出。
3 系统软件设计
系统软件运行于PC机平台上，经过USB总线对测试电路进行控制并接收测试电路测试数据，依据接收到数据形成所测电路板电路连线表。现关键分析和电路测绘相关测试电路控制程序：
（1）首先利用ADDR1寻址测试基准针床，每个针床全部有特定地址码，如发送ADDR1=00000001，表示选中1号测试针床，以此为基准测试针床来对其它针床进行测试。
（2）号测试针床利用AD1总线对其上全部探针进行寻址，AD1总线寻址该针床基准测试点，如发送AD1=00000001，表示寻址到1号探针，即1号探针连接D1端。
（3）以ADDR1所寻址针床为基准，利用ADDR2寻址全部针床，所寻址针床利用AD2总线对其上探针进行寻址。
（4）以AD1总线所寻址探针为基准，对AD2总线所寻址探针进行遍历测试。
程序伪代码以下：
for(ADDR1=1 to 20) //假定共有20个测试针床，选定基准测试针床
{
for(AD1= 1 to 256) //假定每个针床上有256个探针和焊/点相连，选定基准测试焊点
{
for(ADDR2=1 to 20) //依次寻址全部针床
{
for(AD2= 1 to 256) //依次寻址测试针床上全部探针（焊点）
{
//测试电路测试函数
经过以上测试程序，即可实现每个探针（焊点）和其它全部探针（焊点）遍历测试，从而获取电路板上每个焊点连接情况。
经过电路板上元器件型号知识，利用此套测绘系统测绘电路板连线表，结合对应PCB设计软件及人工干预，在某个引进装备上实现了未知电路板测绘工作，得到了其电路原理图，为下一步反设计工作奠定了基础。因为包含知道产权问题，该系统仅应用于特殊领域电子设备。