作者簡(jiǎn)介：張發(fā)林，從事嵌入式系統(tǒng)軟硬件研發(fā)工作超過(guò)20年，目前在上海未來(lái)伙伴機(jī)器人有限公司擔(dān)任電子總工程師。深入理解從產(chǎn)品需求分析、方案論證設(shè)計(jì)、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品化、測(cè)試認(rèn)證、批量量產(chǎn)等各環(huán)節(jié)的難點(diǎn)、痛點(diǎn)，解決過(guò)大量研發(fā)、產(chǎn)品化和生產(chǎn)難題，參與或領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)的多款工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、通信設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)器人產(chǎn)品等均已投入大規(guī)模量產(chǎn)銷售。

一塊新設(shè)計(jì)的電路板經(jīng)過(guò)SMT、波峰焊或手工焊接后變成了PCBA，算是萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步。然而從PCBA到最后定型交付工廠量產(chǎn)，中間還需要經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試和驗(yàn)證工作。很多年輕的電子工程師對(duì)于PCBA和電子產(chǎn)品系統(tǒng)調(diào)試步驟和各階段具體要求不清楚，常常導(dǎo)致開(kāi)發(fā)調(diào)試效率低下，甚至損毀待測(cè)電路板。更可怕的是將有功能或性能缺陷的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到量產(chǎn)階段，給公司造成巨額損失。筆者根據(jù)多年親身實(shí)踐，總結(jié)出從PCBA到產(chǎn)品定型的九個(gè)步驟，高效完成了多款電子產(chǎn)品的研發(fā)工作。

第一步 目視檢查

剛剛貼裝好交付到電子工程師手上的PCBA如圖一所示，有經(jīng)驗(yàn)的工程師通過(guò)目視檢查就能快速發(fā)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)、物料和工藝問(wèn)題，可節(jié)省大量后續(xù)調(diào)試時(shí)間。

1.1. 仔細(xì)對(duì)照電路圖，檢查確認(rèn)原理圖、PCB圖和BOM的版本和拿到手的實(shí)物是否吻合，確認(rèn)PCBA實(shí)際焊接的重要元器件和電路圖是否吻合等。

1.2 檢查板子上是否有錫珠錫渣，連焊虛焊，是否有明顯的掉件漏焊；輕輕拔一拔個(gè)頭比較大的元器件，特別是電解電容、大功率電感以及手插件，仔細(xì)觀察還接位置是否居中準(zhǔn)確，焊點(diǎn)是否牢固。

1.3 注意檢查電源線排列，重要IC貼裝方向、二極管AK方向、極性電容的極性，接插件的缺口方向。

圖1 PCBA實(shí)物圖

第二步 阻抗測(cè)試

本步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，但是卻極其重要，很多嚴(yán)重問(wèn)題都是忽略了本步導(dǎo)致的。請(qǐng)務(wù)必反復(fù)核實(shí)所需要加載的的電源極性和電壓，通過(guò)萬(wàn)用表檢查各路輸入輸出電源與地之間是否有短路，是否有明顯的阻抗異常，如有任何異常務(wù)必排除之，萬(wàn)不可心存僥幸。

圖二 數(shù)字式萬(wàn)用表

第三步 上電檢查

懷著惴惴不安的心情，估計(jì)你已經(jīng)迫不及待的想給你的電路板通電工作了。好吧，可以上電，但要抱著隨時(shí)壯烈犧牲的準(zhǔn)備正確加電。將電源線負(fù)極接到實(shí)驗(yàn)電源的負(fù)極，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)電源的輸出電壓無(wú)誤后，將電源線正極輕輕搭接在實(shí)驗(yàn)電源接線端子的正極，不要急于用儀器觀測(cè)波形和數(shù)據(jù)，只關(guān)心PCBA通電瞬間是否有異?，F(xiàn)象，如冒煙、起火、電火花、異常氣味、器件爆裂等，具體慘象如圖三所示。如果有異常立即移開(kāi)電源線，返回到第一步排查問(wèn)題，待問(wèn)題查明處理后方可重新進(jìn)行本步驟。確認(rèn)無(wú)異常后方可正式上電，觀察一段時(shí)間未發(fā)現(xiàn)異常或存在明顯發(fā)燙的IC后即可進(jìn)入下一步。

圖三 冒煙的電路板

第四步 靜態(tài)測(cè)試

PCBA正式上電后，對(duì)照硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，按照以下步驟進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。

4.1 工作電壓和工作電流測(cè)量

直流電壓的測(cè)試非常方便，可直接測(cè)量。而電流的測(cè)量就不太方便，通常采用兩種方法來(lái)測(cè)量。若電路在印制電路板上留有測(cè)試點(diǎn)，可串入電流表直接測(cè)量出電流的數(shù)值，然后再用焊錫連接好。若沒(méi)有測(cè)試孔，則可測(cè)量直流電壓，再根據(jù)電阻值大小計(jì)算出直流電流。對(duì)于存在多種電源的電路，還要測(cè)試各路電源的上電時(shí)序，如圖四所示。

圖四 電源上電時(shí)序圖

4.2 處理器最小系統(tǒng)缺省狀態(tài)測(cè)試

需要確認(rèn)處理器復(fù)位電平的極性和波形、晶振電路的頻率、輸入配置引腳的狀態(tài)、輸出控制引腳的初始狀態(tài)。單片機(jī)晶振電路波形圖如圖五所示。

圖五 單片機(jī)晶振電路波形圖

4.3 邏輯電路初始狀態(tài)測(cè)試

重點(diǎn)關(guān)注芯片的片選信號(hào)、使能信號(hào)以及配置管腳的缺省狀態(tài)是否滿足要求。如圖六所示的DIR_485引腳的缺省狀態(tài)為低。

圖六 RS-485總線驅(qū)動(dòng)電路圖

4.4 模擬電路工作點(diǎn)測(cè)試

需要測(cè)試并優(yōu)化放大器、三極管、MOS管等直流靜態(tài)工作點(diǎn)。如圖七中R1和R2的阻值需要根據(jù)MOS管的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果調(diào)整。

圖七： MOS管工作點(diǎn)調(diào)試示意圖

第五步 功能調(diào)試

本階段通常需要軟件驅(qū)動(dòng)配合，需要用到各種專業(yè)儀器設(shè)備如信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、示波器、頻譜分析儀、電子模擬負(fù)載等。

5.1 打通處理器調(diào)試接口，實(shí)現(xiàn)軟件程序下載運(yùn)行和狀態(tài)輸出；如圖八所示。

圖八 Jtag仿真器調(diào)試示意圖

5.2 驗(yàn)證人機(jī)交互功能，信息指示功能正常；

5.3 通過(guò)程序控制，驅(qū)動(dòng)數(shù)字電路，觀測(cè)輸出信號(hào)波形、幅值、脈沖寬度、相位及動(dòng)態(tài)邏輯關(guān)系是否符合要求。驗(yàn)證邏輯控制和通信接口功能，輸入狀態(tài)正確和輸出狀態(tài)可控；

5.4 調(diào)整模擬電路的交流通路元件，如電容、電感等，使交流信號(hào)的波形、幅度、頻率等參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

5.5 輸入單階躍信號(hào)測(cè)試電路狀態(tài)變化的邏輯關(guān)系是否滿足要求；

5.6 驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路在空載或輕負(fù)載條件下工作是否正常。

5.7 所有功能調(diào)試完成后應(yīng)提交功能調(diào)試報(bào)告如表一所示

表一 功能調(diào)試驗(yàn)證報(bào)告

第六步 性能測(cè)試

電路經(jīng)動(dòng)態(tài)調(diào)試正常之后，便可對(duì)要求的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。如傳輸速度、誤碼率、無(wú)線傳輸距離、信噪比等進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后作出測(cè)試結(jié)論，以確定電路的技術(shù)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。如有不符，則應(yīng)仔細(xì)檢查問(wèn)題所在，一般是對(duì)某些元件參數(shù)或軟件配置加以調(diào)整和改變。若仍達(dá)不到要求，則應(yīng)對(duì)某部分電路或配置進(jìn)行修改，甚至要對(duì)整個(gè)電路重新加以修改。因此，要求在設(shè)計(jì)的全過(guò)程中，要認(rèn)真、細(xì)致，考慮問(wèn)題要更周全。具體測(cè)試結(jié)果如表二所示。

表二 性能測(cè)試分析表

第七步 一致性測(cè)試

經(jīng)過(guò)性能測(cè)試并確認(rèn)滿足設(shè)計(jì)要求后，根據(jù)實(shí)際情況至少需要進(jìn)行3塊以上的功能和性能一致性測(cè)評(píng)，對(duì)于電壓、電流、延時(shí)、信號(hào)波形等進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，如有明顯偏差務(wù)必不能掉以輕心，要認(rèn)真分析可能存在設(shè)計(jì)、物料、加工工藝或調(diào)試測(cè)試方案的缺陷不足。如表三所示即可分析存在的是偶發(fā)問(wèn)題還是批次性問(wèn)題。

表三 47套產(chǎn)品工作電流一致性測(cè)試

第八步 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

經(jīng)過(guò)一致性測(cè)試通過(guò)的PCBA需要安裝固定到整機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，原則上也要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的一致性測(cè)試。

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的過(guò)程中最常見(jiàn)的問(wèn)題是PCBA和結(jié)構(gòu)的干涉；無(wú)線通信天線位置對(duì)通信性能的影響；散熱條件惡化導(dǎo)致的性能下降，通信誤碼率導(dǎo)致的功能或性能下降，音視頻部分受箱體的影響；負(fù)載能力不足導(dǎo)致的電機(jī)堵轉(zhuǎn)或過(guò)熱保護(hù)，系統(tǒng)電源供電能力不足導(dǎo)致的各種異常等。由于電子產(chǎn)品的種類繁多，需要結(jié)合系統(tǒng)框圖進(jìn)行仔細(xì)排查。某產(chǎn)品的系統(tǒng)框圖如圖九所示。

圖九 某產(chǎn)品系統(tǒng)框圖

第九步 型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)是電子產(chǎn)品研發(fā)階段的重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品從研發(fā)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，也是產(chǎn)品能否定型的重要依據(jù)。具體測(cè)試的內(nèi)容和要求根據(jù)產(chǎn)品的類型和要求不盡相同。但大致范圍和測(cè)試項(xiàng)目相差不大，如某產(chǎn)品的型式試驗(yàn)大綱如圖十所示。

圖十 某產(chǎn)品型式定型試驗(yàn)大綱

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前電子產(chǎn)品包羅萬(wàn)象，集成芯片和功能電路也層出不窮，再加上嵌入式系統(tǒng)機(jī)械、電子和軟件的高度相關(guān)，PCBA到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)難度都在逐漸加大。另外由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，電子產(chǎn)品研發(fā)周期不斷壓縮，這就對(duì)電子工程師的從PCBA到產(chǎn)品定型全過(guò)程調(diào)試能力和能力提出較高要求。電子產(chǎn)品的形態(tài)和具體應(yīng)用的電子技術(shù)雖有不同，但調(diào)試的基本流程、步驟和注意事項(xiàng)高度相通，九步調(diào)試法對(duì)于各行業(yè)的電子工程師都具有一定的參考和借鑒作用。