引言

　　PCB 光板測試機基本的測試原理是歐姆定律，其測試方法是將待測試點間加一定的測試電壓，用譯碼電路選中PCB 板上待測試的兩點，獲得兩點間電阻值對應的電壓信號，通過電壓比較電路，測試出兩點間的電阻或通斷情況。 重復以上步驟多次，即可實現(xiàn)對整個電路板的測試。

　　由于被測試的點數比較多， 一般測試機都在2048點以上，測試控制電路比較復雜，測試點的查找方法以及切換方法直接影響測試機的測試速度，本文研究了基于FPGA的硬件控制系統(tǒng)設計。

　　硬件控制系統(tǒng)

　　測試過程是在上位計算機的控制下，控制測試電路分別打開不同的測試開關。測試機系統(tǒng)由以下幾部分構成: 上位計算機PC104 、測試控制邏輯(由FPGA 實現(xiàn)) 、高壓測試電路。 其中上位機主要完成人機交互、測試算法、測試數據處理以及控制輸出等功能。 FPGA 控制高壓測試電路完成對PCB 的測試過程。

　　本系統(tǒng)以一臺PC104 為上位計算機，以FPGA為核心，通過PC104 總線實現(xiàn)上位機對測試的控制。

　　測試系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　FPGA與PC104的接口電路

　　PC104總線是一種專為嵌入式控制定義的工業(yè)控制總線，其信號定義與ISA 總線基本相同。 PC104總線共有4 類總線周期，即8 位的總線周期、16 位的總線周期、DMA 總線周期和刷新總線周期。 16 位的I/O總線周期為3 個時鐘周期，8 位的I/O總線周期為6 個時鐘周期。 為了提高通信的速度，ISA總線采用16 位通信方式，即16 位I/O方式。 為了充分利用PC104的資源，應用PC104的系統(tǒng)總線擴展后對FPGA 進行在線配置。正常工作時通過PC104總線與FPGA進行數據通信。

　　FPGA與串行A/D及D/A器件的接口

　　根據測試機系統(tǒng)設計要求，需要對測試電壓及兩通道參考電壓進行自檢，即A/D轉換通道至少有3 路。 兩路比較電路的參考電壓由D/A輸出，則系統(tǒng)的D/A通道要求有兩通道。 為了減少A/D及D/A的控制信號線數，選用串行A/D及D/A器件。 綜合性能、價格等因素， 選用的A/D器件為TLC2543，D/A器件為TLV5618。

　　TLV5618是TI公司帶緩沖基準輸入(高阻抗)的雙路12 位電壓輸出DAC，通過CMOS 兼容的3線串行總線實現(xiàn)數字控制。器件接收16 位命令字，產生兩路D/A模擬輸出。TLV5618只有單一I/O周期，由外部時鐘SCL K決定，延續(xù)16 個時鐘周期，將命令字寫入片內寄存器，完成后即進行D/A轉換。TLV5618讀入命令字是從CS的下降沿開始有效，從下一SCLK的下降沿開始讀入數據，讀入16位數據后即進入轉換周期，直到下次出現(xiàn)CS的下降沿。 其操作時序圖如圖2 所示。

　　TLC2543是TI公司的帶串行控制和11個輸入端的12 位、開關電容逐次逼近型A/D轉換器。 片內轉換器有高速、高精度和低噪音的特點。 TLC2543工作過程分為兩個周期：I/O周期和轉換周期。I/O周期由外部時鐘SCLK決定，延續(xù)8、12或16個時鐘周期，同時進行兩種操作: 在SCLK上升沿以MSB方式輸入8位數據到片內寄存器；在SCLK下降沿以MSB 方式輸出8、12、16位轉換結果。轉換周期在I/O周期的最后一個SCLK下降沿開始，直到EOC信號變高，指示轉換完成。 為了與TLV5618的I/O周期一致，采用了MSB方式，使用CS的16 時鐘傳送的時序。其操作時序如圖3 所示。

　　由于這兩種器件都是SPI接口，可將這兩器件連接至同一SPI 總線，通過不同的片選信號對不同的器件操作。 由于SPI接口協(xié)議復雜，而且從圖3 可以看出，這兩種器件的時序并沒有用到全部的SPI接口時序。為了實現(xiàn)符合以上邏輯的時序，減少標準SPI 接口IP 核對FPGA資源的浪費， 設計采用Verilog硬件描述語言用同步狀態(tài)機(FSM)的設計方法實現(xiàn)，編寫ADC及DAC控制時序。程序實際上是一個嵌套的狀態(tài)機，由主狀態(tài)機和從狀態(tài)機通過由控制線啟動的總線在不同的輸入信號情況下構成不同功能的有限狀態(tài)機。 則由圖3 可知，D/A操作有4 個狀態(tài)，A/D操作有7個狀態(tài)。 兩種狀態(tài)中有幾個狀態(tài)是相同的，故可用一個有限狀態(tài)機完成對串行A/D及D/A的操作。 程序實際上是一個嵌套的狀態(tài)機，由主狀態(tài)機和從狀態(tài)機通過由控制總線啟動的總線在不同的輸入信號情況下構成不同功能的較復雜的有限狀態(tài)機。 A/D及D/A操作共用唯一的驅動時鐘(SCLK) 及數據總線(SI、SO)。由于操作的寫周期有16個時鐘周期，讀周期有12個時鐘周期，模塊是在三個嵌套的有限狀態(tài)機中完成的，其主狀態(tài)機的狀態(tài)如圖4所示。

　　系統(tǒng)設計中，將AD、DA操作封裝成一單獨模塊，由上層控制模塊輸出命令字及控制信號啟動本模塊的相應操作，操作完成后(進入idle狀態(tài)) ，本模塊發(fā)出相應狀態(tài)信號至上層模塊。