黃順福

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      摘要：針對(duì)目前在生產(chǎn)測(cè)試平臺(tái)中廣泛使用的高密度VXI PXI Digital I/O板卡容易損壞且故障定位困難、不便維修和維護(hù)的情況，開(kāi)展了對(duì)其進(jìn)行故障定位的診斷算法研究。研究了包括各種可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤模型及其相互關(guān)系，以及檢測(cè)和定位這些錯(cuò)誤模型的相應(yīng)算法，并應(yīng)用相應(yīng)的算法成功地開(kāi)發(fā)了高密度VXI PXI Digital I/O板卡的自動(dòng)化診斷系統(tǒng)，大幅提高了生產(chǎn)效率，降低了維護(hù)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞：PXI；VXI；Digital I/O；錯(cuò)誤模型；診斷算法；自動(dòng)化診斷系統(tǒng)

　　中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.021

　　引用格式：黃順福. 基于VXI PXI Digital I/O卡的診斷算法研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：75 78.

0引言

　　在Alcatel-Lucent的移動(dòng)通信設(shè)備基站生產(chǎn)制造中，廣泛采用了統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)，以滿足紛繁復(fù)雜的不同系列產(chǎn)品的需要，如3G CDMA的BTS數(shù)字系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)（DTP）,射頻系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)（RTP），4G LTE BTS的公共測(cè)試平臺(tái)（CTP）。這些測(cè)試平臺(tái)中的核心部分都使用了VXI或PXI設(shè)備，其中對(duì)于生產(chǎn)測(cè)試最關(guān)鍵的模塊設(shè)備是VXI或PXI Digital I/O板卡模塊。

　　由于生產(chǎn)制造平臺(tái)產(chǎn)量大，當(dāng)VXI或PXI Digital I/O板卡某一線不良時(shí)，如不能及時(shí)排除故障，將造成該測(cè)試平臺(tái)停產(chǎn)，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。平臺(tái)上的VXI或PXI Digital I/O線往往都超過(guò)90線以上，屬于高密度，如果僅僅是用人工置1或置0的方法，不僅檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)際上很難精確找出哪一線有問(wèn)題，很多情況下的檢測(cè)都呈現(xiàn)出無(wú)故障的現(xiàn)象，但實(shí)際上又不能使用，這給平臺(tái)維護(hù)人員的維修診斷造成巨大困難。高密度VXI或PXI Digital I/O板卡價(jià)格昂貴，大量購(gòu)買新的VXI或PXI Digital I/O板卡來(lái)更換，會(huì)給公司造成很大的經(jīng)濟(jì)壓力。鑒于此，本文開(kāi)展了VXI或PXI高密度Digital I/O板卡的診斷算法研究，以便實(shí)現(xiàn)VXI或PXI Digital I/O板卡的高效自動(dòng)化診斷。

1VXI或PXI高密度Digital I/O板卡的抽象模型及診斷模型

　　1.1VXI或PXI高密度Digital I/O板卡的抽象模型簡(jiǎn)介

　　VXI或PXI高密度Digital I/O結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1（a）。不同廠家的具體產(chǎn)品的電路會(huì)有所不同，但其原理是相同的。其主要由0~N個(gè)端口（Port）及端口選擇控制器（Port Control）所組成。端口連到被測(cè)系統(tǒng)BTS的BBS（基帶部分），其作用是采集相應(yīng)位數(shù)的數(shù)字信號(hào)，或發(fā)出相應(yīng)位數(shù)的指令，讀回相應(yīng)的響應(yīng)。端口選擇控制器用于選擇相應(yīng)的端口。診斷時(shí)需要每次讀/寫(xiě)1位，由控制器發(fā)出，通過(guò)Data BUS總線送到端口。例如：Port0為8位，發(fā)出對(duì)Port0 D1位置1的指令0000 0001；發(fā)出對(duì)Port0 D2位置2的指令0000 0010，依次類推。由此可見(jiàn)，當(dāng)每次讀/寫(xiě)1位指定位時(shí)，VXI或PXI高密度Digital I/O電路可以抽象為圖1（b）所示結(jié)構(gòu)模型［1-3］。

　　從圖1（b）中可看出，對(duì)指定1位的讀寫(xiě)可看成是D1~D8的列與Port 0~Port N的行的交點(diǎn)的讀寫(xiě)。對(duì)于選擇Port 0~Port N中的哪一行，相當(dāng)于是行譯碼器的行為模型；選擇D1~D8列中的哪一列，相當(dāng)于是列譯碼器的行為模型；而交點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)元件單元，實(shí)際上還應(yīng)該包含讀/寫(xiě)電路、線驅(qū)動(dòng)電路、鎖存電路等。由于這些電路元器件的關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性，使得有些故障現(xiàn)象容易被認(rèn)為是正確的結(jié)果而很難被診斷［4］。例如，Port 0 D7單元有卡死故障，其被卡死在1。當(dāng)讀1時(shí)，其是正確的；當(dāng)置0時(shí)，由于周圍鄰居某0單元恰好在此狀態(tài)下，又與卡死單元有某種類型的耦合，因此讀0時(shí)也是正確的。在這種情況下，讀0讀1都正確，這時(shí)就無(wú)法檢測(cè)出Port 0 D7的故障。下面敘述幾種主要的錯(cuò)誤模型。

　　1.2卡死錯(cuò)誤模型

　　卡死錯(cuò)誤定義為某單元或線總是0（SA0）或1（SA1）；它總是在狀態(tài)0或狀態(tài)1，不能改變到其相反的狀態(tài)。如圖2（a）所示，單元狀態(tài)原來(lái)為0，當(dāng)置0時(shí)，還是回到0狀態(tài)；當(dāng)置1時(shí)，其還是到0狀態(tài),所以為SA0錯(cuò)誤。如圖2（b）所示,單元狀態(tài)為原來(lái)為1，當(dāng)置1時(shí)，為1；當(dāng)置0時(shí)，仍然為1，故為SA1錯(cuò)誤。對(duì)于卡死錯(cuò)誤檢測(cè)必須滿足：所有的單元必須通過(guò)讀一次0和讀一次1進(jìn)行檢測(cè)。

　　1.3遷移錯(cuò)誤模型

　　遷移錯(cuò)誤是卡死錯(cuò)誤的一種特殊情況，它定義為當(dāng)0→1遷移時(shí)，單元或線向上遷移的錯(cuò)誤。同理，當(dāng)1→0遷移時(shí)，單元或線向下遷移的錯(cuò)誤。向上遷移錯(cuò)誤記為：TF<↑/0>；向下遷移錯(cuò)誤記為: TF<↓/0>。如圖2（c）所示，當(dāng)單元或線在狀態(tài)1（S1）時(shí)，置1時(shí)為1，置0遷移到狀態(tài)0（S0）正確；當(dāng)單元或線在狀態(tài)0（S0）時(shí)，置0時(shí)為0，置1時(shí)仍為0，沒(méi)有遷移到S1，所以為T(mén)F<↑/0>錯(cuò)誤。實(shí)際遷移模型見(jiàn)圖2（d），原來(lái)Q狀態(tài)為0，在觸發(fā)器的S端置1時(shí)，Q端應(yīng)翻轉(zhuǎn)為1，但仍舊是0，所以把它歸類為T(mén)F<↑/0>。之所以不把遷移錯(cuò)誤歸入卡死錯(cuò)誤，是因?yàn)槠渌e(cuò)誤形式（如耦合錯(cuò)誤）可以使它翻轉(zhuǎn)。對(duì)于遷移錯(cuò)誤的檢測(cè)必須滿足：所有的單元必須進(jìn)行一次向上遷移和一次向下遷移以及每次遷移后的讀。

　　1.4耦合錯(cuò)誤模型

　　耦合錯(cuò)誤是由遷移所引起，其發(fā)生在兩個(gè)單元之間。耦合錯(cuò)誤的定義如下：在一個(gè)單元產(chǎn)生一個(gè)向上或向下遷移而引起第2個(gè)單元內(nèi)容的變化。翻轉(zhuǎn)耦合錯(cuò)誤（CFin）：在一個(gè)單元產(chǎn)生一個(gè)向上或向下遷移而引起第2個(gè)單元內(nèi)容的翻轉(zhuǎn)。CFin模型見(jiàn)圖3（a），Cn為正常時(shí)鐘輸入，Cc為額外時(shí)鐘輸入。當(dāng)Cc發(fā)生向上狀態(tài)遷移時(shí)，則翻轉(zhuǎn)了D觸發(fā)器的內(nèi)容。單元j產(chǎn)生一個(gè)單元i的耦合錯(cuò)誤，單元j稱作耦合單元。如果Ci為<↑;>，則表示為單元j引起單元i一次向上或向下的遷移。對(duì)于翻轉(zhuǎn)耦合錯(cuò)誤的檢測(cè)必須滿足：對(duì)于所有被耦合單元，通過(guò)觸發(fā)耦合元產(chǎn)生可能的各次翻轉(zhuǎn)耦合后，讀各次翻轉(zhuǎn)耦合的被耦合單元（條件是各次翻轉(zhuǎn)耦合不能相互屏蔽）。這里討論的耦合錯(cuò)誤模型是單向的，即j→i，實(shí)際上可能是雙向的，即也有可能同時(shí)存在i→j，這比較復(fù)雜，因篇幅有限，本文不作進(jìn)一步討論。

　　0或1耦合錯(cuò)誤模型定義如下：一個(gè)單元的向上或向下遷移，強(qiáng)制第二個(gè)單元的內(nèi)容為0或1。如圖3（b）所示，Sn是普通的置1輸入，Sc是不想要的置1輸入，它強(qiáng)制R/S觸發(fā)器置1，即為<↑;1>。R/S的R端情況與S端的情況類似，即為<↑;0>。該模型有4個(gè)可能性：<↑;0>，<↑;1>，<↓;0>，<↓;0>。

　　這里給出一個(gè)i單元和j單元的一個(gè)0或1耦合錯(cuò)誤模型狀態(tài)轉(zhuǎn)換的例子，見(jiàn)圖4（a），共有4個(gè)狀態(tài)：00、01、10、11，即Sij表示為S00、S01、S10、S11。W0/i，W0/j表示i單元置0，j單元置0，狀態(tài)返回到S00狀態(tài)；W1/i，W0/j表示i單元置1，j單元置0，狀態(tài)返回到S10狀態(tài)；W0/i，W1/j表示i單元置0，j單元置1，狀態(tài)返回到S01狀態(tài)；W1/i，W1/j，表示i單元置1，j單元置1，狀態(tài)返回到S11狀態(tài)。在該例圖的其他狀態(tài)在一定條件下的轉(zhuǎn)換的分析，可按照上述方法進(jìn)行。這里需要特別指出的是S00在W1/j條件下轉(zhuǎn)換到S11的情況。正常情況下，S00在W1/j條件下應(yīng)該轉(zhuǎn)換到S01狀態(tài)，而不是S11狀態(tài)，這說(shuō)明發(fā)生了0或1耦合錯(cuò)誤。即當(dāng)j從0遷移到1（↑）時(shí)，i強(qiáng)制為1，即為<↑;1>。

　　與上述遷移引起的耦合錯(cuò)誤模型不同的是橋接耦合錯(cuò)誤模型和狀態(tài)耦合模型。這兩種耦合是由于邏輯電平的原因造成的，與遷移無(wú)關(guān)。

　　1.5鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型

　　鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型定義為：一個(gè)單元的內(nèi)容是由其所有另外的單元構(gòu)成的圖式所影響，這些單元構(gòu)成的圖式是由0和1所組成的。如圖4（b）所示，鄰近單元是指與錯(cuò)誤單元有關(guān)的所有單元包含錯(cuò)誤單元。b代表基本單元，基本單元表示正在測(cè)試的單元。稱不包含基本單元的鄰近單元為已消除基本單元的鄰近單元，簡(jiǎn)稱為已消基鄰近單元。鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型的表示方法為：Ci,j<d0、d1、d2、d3:b>，其中Ci,j為基本單元的位置，d0、d1、d2、d3為已消基鄰近單元。鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型有三種類型，分別為主動(dòng)鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型、被動(dòng)鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型以及靜態(tài)鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型。主動(dòng)鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型定義為：由于已消基鄰近單元的變化，基本單元也改變了器內(nèi)容。如Ci,j<0,↓,1,1:1>，由于d1的遷移，使得基本單元的狀態(tài)變成1。被動(dòng)鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型定義為：由于某種已消基鄰近單元所構(gòu)成的圖式使得基本單元的內(nèi)容不能被改變。如Ci,j<0,0,1,1:↑/0>，當(dāng)從d0到d3為0011時(shí)，基本單元的狀態(tài)0不能改變。靜態(tài)鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型定義為：由于某種已消基鄰近單元所構(gòu)成的圖式使得基本單元的內(nèi)容被強(qiáng)制到某個(gè)狀態(tài)，如Ci,j<0,1,0,0,1,1,1,1;-/0>，當(dāng)d0到d7為01001111時(shí)，基本單元的內(nèi)容被強(qiáng)制到0。

　　1.6地址譯碼錯(cuò)誤模型

　　地址譯碼錯(cuò)誤有5種類型：（1）某一個(gè)地址沒(méi)有單元可訪問(wèn)；（2）沒(méi)有某單元可訪問(wèn)的地址；（3）某個(gè)單元多個(gè)地址可被訪問(wèn)；（4）某個(gè)單元可被多個(gè)地址訪問(wèn)；（5）以上四種類型的任意組合。在VXI或PXI高密度Digital I/O板卡中的端口選擇的電路邏輯就相當(dāng)于地址譯碼模型。

2VXI或PXI高密度Digital I/O板卡的診斷算法

　　2.1診斷算法簡(jiǎn)介

　　診斷算法就是根據(jù)VXI或PXI高密度Digital I/O板卡的特點(diǎn)，結(jié)合上述錯(cuò)誤模型，選取最能檢測(cè)出相關(guān)錯(cuò)誤模型的方法。每種具體型號(hào)的板卡的電路結(jié)構(gòu)可能不同，但有些錯(cuò)誤模型是普遍發(fā)生的，如卡死錯(cuò)誤模型、遷移錯(cuò)誤模型、耦合錯(cuò)誤模型、地址譯碼錯(cuò)誤模型。根據(jù)具體電路結(jié)構(gòu)來(lái)決定是否需要鄰近單元感應(yīng)錯(cuò)誤模型的檢測(cè)算法。診斷算法有：行程算法、0-1算法、棋盤(pán)算法、步行和快步0/1算法等。

　　2.2行程算法的概念

　　行程算法是由一定數(shù)量的有限的行程單元序列所組成的。行程單元是對(duì)高密度Digital I/O的每個(gè)單元診斷操作的序列。行程方向可以按地址方向向上行進(jìn)，用↑表示；行程方向可以按地址方向向下行進(jìn)，用↓表示；地址無(wú)關(guān)用表示。置0為（w0），置1為（w1）。讀期望值0為（r0），讀期望值1為（r1）。行程測(cè)試算法{↑（r0,w1）;↓（r1:w0）}是由行程單元{↑（r0,w1）}和{↓（r1:w0）}所組成的。行程算法的類型很多，功能很強(qiáng)，有針對(duì)各種錯(cuò)誤模型的解決方法，但算法比較復(fù)雜，其能檢測(cè)到故障但不一定能定位到故障。行程算法的主要類型為：MATS+：主要檢測(cè)卡死錯(cuò)誤模型；行程C-:檢測(cè)無(wú)關(guān)聯(lián)的0或1耦合錯(cuò)誤模型；行程A：檢測(cè)相關(guān)聯(lián)的0或1耦合錯(cuò)誤模型；行程B：檢測(cè)相關(guān)聯(lián)的遷移錯(cuò)誤模型和遷移錯(cuò)誤模型。

　　2.30-1算法

　　最小測(cè)試是由置0和置1所組成。算法分為4個(gè)步驟：(1)對(duì)所有單元置0；(2)對(duì)所有單元讀；(3)對(duì)所有單元置1；(4)讀所有單元。0-1算法特點(diǎn)為:（1）不是所有的地址譯碼錯(cuò)誤能被檢測(cè)到;（2）卡死錯(cuò)誤可以被檢測(cè)到和定位（條件是地址譯碼正確）;（3）不是所有的遷移錯(cuò)誤能被檢測(cè)到;（4）不是所有的耦合錯(cuò)誤能被檢測(cè)到。其算法表示為：{↑（w0）；↑（r0）；↑（w1）；↑（r1）}，優(yōu)點(diǎn)是算法占用時(shí)間短和能夠定位。

　　2.4棋盤(pán)算法

　　棋盤(pán)算法把所有單元分成2組，即單元組1和單元組2，由此形成棋盤(pán)圖式。其算法分為4個(gè)步驟：(1)對(duì)單元組1置1，對(duì)單元組2置0；(2)讀所有單元；(3)對(duì)單元組1置0，對(duì)單元組2置1；(4)讀所有單元。其算法表示為：其中M1為單元組1，M2為單元組2。其特點(diǎn)為：（1）不是所有的地址譯碼錯(cuò)誤能被檢測(cè)到；（2）卡死錯(cuò)誤可以被檢測(cè)到和定位（條件是地址譯碼正確）；（3）不是所有的遷移錯(cuò)誤能被檢測(cè)到；（4）不是所有的耦合錯(cuò)誤能被檢測(cè)到。該算法的優(yōu)點(diǎn)是占用時(shí)間短和能夠定位。該算法主要針對(duì)鄰近單元的短路檢測(cè)（條件是地址譯碼正確）。

　　2.5步行和快步0/1算法

　　步行和快步0/1算法是相似的，只是讀基本單元時(shí)的行為有些差異。步行算法是所有其他單元讀過(guò)之后才讀基本單元；快步0/1算法是每次讀其他單元后，讀基本單元。具體算法如圖5所示。

　　步行和快步0/1算法的特點(diǎn)是：（1）能檢測(cè)和定位所有的地址譯碼錯(cuò)誤。地址譯碼錯(cuò)誤將造成基單元不能在步驟2進(jìn)行置位，算法從而在步驟5或7能夠定位故障。同樣，其他的單元在步驟2置位，在步驟4和步驟6定位故障。（2）能檢測(cè)和定位所有的卡死錯(cuò)誤，因?yàn)樵诨締卧诓襟E2置位，在步驟5和7進(jìn)行讀（0和1）檢測(cè)和定位。（3）能檢測(cè)和定位所有的遷移錯(cuò)誤。因?yàn)樵诓襟E5和步驟7的讀操作后，基本單元在步驟2有一次↑和↓的遷移動(dòng)作。（4）能檢測(cè)和定位所有的耦合錯(cuò)誤。在步驟2，可以探測(cè)<↑;1>、<↓;0>、<↑;↑>、<↓;↓>耦合錯(cuò)誤（根據(jù)步驟1中的0或1），在步驟4和6進(jìn)行定位故障。在步驟3，可以探測(cè)<↓;1>、<↑;0>、<↓;↑>、<↑;↓>耦合錯(cuò)誤，在步驟4和6進(jìn)行定位故障。該算法的定位地址譯碼錯(cuò)誤和耦合錯(cuò)誤是十分精確的。因?yàn)樵谥梦获詈蠁卧?，算法立即進(jìn)行讀操作，所以它十分清楚哪個(gè)單元耦合給哪一個(gè)。步行和快步0/1算法在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。

3VXI或PXI高密度Digital I/O板卡的診斷算法應(yīng)用舉例

　　在AlcatelLucnt公司的3G CDMA測(cè)試平臺(tái)中使用了4塊Agilent VXI Chanel Digital I/O E1458A，快速和精確定位故障是選擇診斷算法的基本要求。綜合各種算法特點(diǎn)，根據(jù)2.5節(jié)的描述，步行0/1算法是比較適合本例。本例用NI LabWindows CVI［5］軟件開(kāi)發(fā)了E1458A的測(cè)試診斷程序，測(cè)試程序界面見(jiàn)圖6，其涉及步行0/1算法的部分代碼（由于篇幅有限，只用部分代碼做演示）見(jiàn)圖7。如圖6所示，SELF BIT BY TEST REVIEW表格（位于界面的下半部分）用來(lái)顯示采用了步行0/1算法的診斷結(jié)果。表格的第1行是通道號(hào)（Channel），第2行是測(cè)試置0的結(jié)果，第3行是測(cè)試置1的結(jié)果。如果測(cè)試結(jié)果在第2行（置0行）的某格顯示出1或-1，則表示該格所對(duì)應(yīng)的通道置0出錯(cuò)；如果測(cè)量結(jié)果在第3行（置1行）的某格顯示出0或-1，則表示該格所對(duì)應(yīng)的通道置1出錯(cuò)，這樣可以即精確又方便地報(bào)告故障所在的位置，即哪一端口的哪一線出錯(cuò)及出錯(cuò)的類型。

4結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)VXI PXI高密度Digital I/O建立抽象模型，引入了對(duì)其錯(cuò)誤模型和算法的研究和討論，從而得出了合適的算法即步行0/1算法，并應(yīng)用此算法成功地開(kāi)發(fā)了VXI PXI高密度Digital I/O自動(dòng)化診斷系統(tǒng)，解決了大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)際維護(hù)問(wèn)題。當(dāng)然，可以應(yīng)用此思路，改進(jìn)或發(fā)展這些算法并應(yīng)用到其他類似模型的電路結(jié)構(gòu)中，從而能更好、更多地解決實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)發(fā)更多的自動(dòng)化診斷系統(tǒng)。

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