CN111123073A - 一种硬件板卡快速自检装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硬件板卡快速自检装置，包括精密采样电阻、开关切换单元、运放单元、电流源、模数转换器、数字单元、以及处理显示单元，所述精密采样电阻连接第一开关切换单元的输入端，第一开关切换单元的输出端连接运放单元以及电流源的输入端，运放单元以及电流源的输出端连接第二开关切换单元的输入端，第二开关切换单元的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接第三开关切换单元的输入端，第三开关切换单元的输出端连接数字单元的输入端，数字单元的输出端连接处理显示单元的输入端。本发明使用精密采样电阻串联在电源模块和负载之间，采集电阻两端电参数，即可完成电源指标测试。

Description

一种硬件板卡快速自检装置

技术领域

本发明属于电路板技术领域，尤其是涉及一种硬件板卡快速自检装置。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，对于现代大型的FPGA、CPU、DSP芯片，它们采用最先进的晶体管技术和顶尖的架构，以实现令人难以置信的灵活性和最高的性能。随着时间的推移和技术的进步，这种复杂性决定了，在用电路设计和实现系统时，需要做出某些妥协。这一点在电源中最为明显，芯片每次更新换代，电源都要提高精度、灵活性、可控性、效率和故障感知能力，还要减小体积。

为了提升运行速率、达到器件电源噪声极低要求、降低芯片内各个模块之间耦合或震颤的风险，芯片行业都趋于设计芯片拥有多个电源域。一般大型FPGA和高频CPU的电源域都在7个以上，而现在VPX板卡、CPCI板卡等复杂高速数字板上都会板载多颗FPGA、CPU或DSP，这赋予了数字系统更好的功能和性能，但同时也给电源设计和电源自检测试带来了技术上的挑战。

硬件板卡调试时，为了保证板子正常工作，需要对大型的FPGA、CPU、DSP多个电源域测试阻抗、电压值、电流值。工程师常用万用表对芯片的多个电源引脚依次测试上述参数。测试时先设置万用表为电阻档，手动依次测量多个电源引脚对地阻抗，手动记录多个测量值，检测是否有短路情况。如果没有短路，万用表设置为电压档，板卡上电手动依次测量多个电源引脚的电压值，手动记录多个测量值，检测是否满足芯片电源输入范围。如果电压值满足芯片指标要求，万用表设置为电流档，手动依次测量多个电源的电流，手动记录多个测量值，检测是否满足芯片电源电流指标要求。

代替手动测试的自动化测试仪器，行业内通常叫数据采集/开关系统，工程师使用数据采集/开关系统对芯片的多个电源引脚指标参数测试，首先要选对仪器专用的子卡，一般电压和阻抗测试用一种功能子卡，而电流测试用另一种功能子卡。然后要对多个电源域测试点进行飞线，这里与万用表测试不同，万用表有专用的表笔接触电源引脚测试。而数据采集/开关系统没有测试表笔，只有接线盒，需要把电源引脚飞线后接到接线盒里的卡座。电压和阻抗测试用单lane飞线方式，电流测试用双lane飞线方式。接着工程师需要根据现场单lane飞线实际接线进行编程，控制子卡在正确的时间打开正确的继电器测试电源域的电压和阻抗，测试多个电源域的电压和阻抗，仪器可快速记录测试值并显示。接着工程师需要断开飞线，换另一种功能的子卡和接线盒，把电流测试用双lane飞线接到接线盒里的卡座，根据现场实际接线进行编程，控制子卡在正确的时间打开正确的继电器测试电源域的电流，测试多个电源域的电流，仪器可快速记录测试值并显示。

然而，用万用表手动依次测试多个电源域指标，不仅步骤繁琐，工作效率低，而且还会出现人为操作不当引起的电路故障或指标误差。具体有以下几个缺点和不足：

(1)由于使用万用表表笔接触芯片的电源引脚或测试点，可能会出现测试人员疏忽导致金属表笔触碰其他芯片的引脚，引起信号短路。轻则烧坏芯片或器件，如果是接触到大电流信号，还会烧坏硬件板卡或测试用的万用表。在测试电压、电流、阻抗时如果没有设置正确的万用表档位，也会出现烧坏万用表的情况。

(2)因为测试要接触芯片的电源引脚或测试点，就需要测试人员依次找到正确的测试位置，低端数字芯片电源域较少，测试时间可控。要快速找到高速板卡上大型数字芯片的众多电源域测试点，是比较费时的，如果不熟悉板卡的人来测，效率会非常低。

(3)测试时还会出现测量值误差，首先测试人员万用表型号各不相同，就造成了数据一致性误差。其次，测试时需要手动依次将测量值抄录测试报告，可能会出现人为记错数值，且个人习惯不同还会出现记录数值有效不同数据不统一规范的问题。

(4)硬件板卡工作时，万用表测试不能迅速监测众多电源域的电压和电流工作状态。当板卡异常时，还需手动依次测试电源指标，不能直观地看见整板电源状态，影响调试定位问题的效率。

用数据采集/开关系统可以减少手动依次测试的时间，提高效率；也可以快速检测和监测众多电源域的电压和电流，并在屏幕上直观显示。但它还是有一些缺点和不足，如下所述：

(1)因为数据采集/开关系统设置步骤比万用表复杂，万用表只需按一下电压或电阻档就可以测试。而数据采集系统使用，首先要根据测试目的选对正确的子卡和接线盒。然后根据实际接线情况，进行编程，控制继电器的切换进行测试。这就需要测试人员要非常熟悉数据采集系统的操作和现场测试环境搭建。如果出错，则会出现烧坏板卡或损坏仪器。

(2)虽然不用测试人员手动依次用表笔接触测试点，但是仍然需要对测试点飞线，一根根地接到测试盒的卡座。由于有人为操作，就会出现接线不良或接错线的问题，导致测试故障。

(3)因为要把测试点引出飞线，就要使用烙铁焊接。就会出现焊接不良、焊接短路、静电放电等问题，损坏板卡。而且飞线需要根据测试数量和现场环境来临时制做，也间接增加了测试时间和复杂度。

(4)数据采集系统可以快速直观地观测板卡众多电源的工作状态，但是同一时间只能测试电压和电阻或测试电流。因为需要两种功能不同的子卡，且接线方式也不同，测试另一种指标时就需要换子卡和接线盒，重新接线。这个步骤就会带来人为操作的错误。

(5)硬件板卡的电源域状态快速直观监测必须使用数据采集/开关系统，但是板卡使用时是脱离监测设备的，而大部分用户更是没有该仪器设备。如果出现工作异常，不能马上定位问题点，仍然需要搭建数据采集/开关系统或用万用表手动依次测试电源域，不便于现场实时定位问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种硬件板卡快速自检装置，以解决上述背景技术中提到的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种硬件板卡快速自检装置，包括精密采样电阻、开关切换单元、运放单元、电流源、模数转换器、数字单元、以及处理显示单元，所述精密采样电阻连接第一开关切换单元的输入端，第一开关切换单元的输出端连接运放单元以及电流源的输入端，运放单元以及电流源的输出端连接第二开关切换单元的输入端，第二开关切换单元的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接第三开关切换单元的输入端，第三开关切换单元的输出端连接数字单元的输入端，数字单元的输出端连接处理现实单元的输入端。

进一步的，所述精密采样电阻，串联在电源模块和负载之间，精密电阻两端产生电压差Vin+和电压差Vin-。

进一步的，所述第一开关切换单元包括两个单刀双掷开关，一个双刀双掷开关，第一开关切换单元通过两个单刀双掷开关连接运放单元的两个输入端，通过双刀双掷开关连接电流源的输入端，电压差Vin+连接第一单刀双掷开关的下端，电压差Vin-连接第一单刀双掷开关的上端和第二单刀双掷开关的下端，第二单刀双掷开关的上端接地，双刀双掷开关上端接电压差Vin-，双刀双掷开关下端接地。

进一步的，所述第二开关切换单元为单刀双掷开关。

进一步的，所述第三开关切换单元为单刀双掷开关。

进一步的，所述运放单元选用低偏置电压放大器，接收通过第一开关切换单元的开关输入的电压，进行滤波，信号幅度调整为模数转换器可接受的输入范围。

进一步的，所述电流源包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的第一输入端连接Vref，第二输入端通过第一电阻接地，第一运算放大器的输出通过第二电阻连接第一MOS管，第一MOS管连接第二运算放大器的第一输入端，第二运算放大器的第二输入端连接第四开关切换单元的动端，第四开关切换单元的不动端分别通过第四电阻和第五电阻连接VCC，第五开关切换单元的不动端分别连接至第四开关切换单元的不动端，第五开关切换单元的动端和第二运算放大器的输出端均连接第二MOS管，第二MOS管连接保护电路的输入端，保护电路的输出连接第一二极管，第一二极管通过第二二极管连接测量电路。

进一步的，所述数字单元包括功率逻辑单元、电压逻辑单元、电流逻辑单元，所述功率逻辑单元、电压逻辑单元、电流逻辑单元均连接通信单元，电压逻辑单元、电流逻辑单元，还通过乘法器连接功率逻辑单元。

本发明的另一目的在于提出一种硬件板卡快速自检装置进行自检的方法，包括如下步骤：

S1：测试负载有无短路时，其余开关断开，闭合双刀双掷开关，第二开关切换单元开关向下端导通，电流源给电压差Vin-端充电，同时测试充电电压发给模数转换器转为数字信号，第三开关切换单元开关向上端导通，将转换后的数字信号存入电压逻辑单元，如果有电压值则负载没有短路，如果电压值为0V，则存在短路；

S2：测试负载电压时，第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关向上端导通，将电压差Vin-对地的电压送给运放单元处理，第二开关切换单元开关向上端导通，将运放单元处理后电压送给模数转换器转为数字信号，第三开关切换单元开关向上端导通，将转换后的数字信号存入电压逻辑单元；

S3:测试负载电流时，第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关向下端导通，将电压差Vin+减去电压差Vin-的电压差送给运放单元处理，第二开关切换单元开关向上端导通，将运放单元处理后电压送给模数转换器转为数字信号，第三开关切换单元开关向下端导通，将转换后的数字信号存入电流逻辑单元；

测试负载功率时，完成S2和S3步骤，乘法器自动取电压逻辑单元和电流逻辑单元的值计算，送入功率逻辑单元。

相对于现有技术，本发明所述的一种硬件板卡快速自检装置具有以下优势：

(1)本发明使用精密采样电阻串联在电源模块和负载之间，采集电阻两端电参数，即可完成电源指标测试。测试人员无需依次找到测试点，也不需要搭建测试环境，避免表笔接触芯片、烙铁焊接飞线、连接飞线、仪器设置等人为操作，引起的短路和接线不良问题；

(2)本发明通过合理的开关切换架构，科学的切换流程，快速完成电压、电流、阻抗的测试，不需要中途换测试设备和接线，大大提高测试效率；

(3)本发明能够快速记录标准统一的测量值，并直观显示板卡众多电源域的工作状态，大大提高监测和故障定位效率；

(4)本发明不依赖测试仪器，降低工程师对仪器熟悉度要求，板载功能模块实时测量，方便用户外场使用也可了解板卡工作状态，间接降低使用仪器的测试成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种硬件板卡快速自检装置的原理示意图；

图2为本发明实施例所述的电流源原理示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供一种硬件板卡快速自检装置，如图1所示，A部分是精密采样电阻，串联在电源模块和负载之间。控制电源模块先不给负载供电，切换开关使用恒流源给VIN-端充电，同时测试电压，判断负载端有无短路情况。如果没有短路，给负载供电工作，这时会有电流通过电阻，在电阻左右两端就会产生电压，通过切换开关测量VIN-对地电压就是测到负载电压。切换开关测量VIN+与VIN-的电压差除以采样电阻值则得到负载的电流。精密采样电阻采用20m欧以下，不会因为流过电流而降低负载电压。如果负载电流较大，选小阻值电阻；电流较小，选大阻值电阻。

在使用时，采样电阻如果产生的压降影响负载电压，电源模块可采用带Sense功能，补偿采样电阻上的(压降)IR-drop。

B部分是开关切换模块，实现电压、电流、阻抗三种功能测试的切换，同一时间只有打开一种测试通路。S1、S2、S4、S5是单刀双掷开关，S3是双刀双掷开关。

测试负载有无短路，其余开关断开，闭合S3，S4开关向下端导通，电流源给VIN-端充电，同时测试充电电压发给模/数转换器转为数字信号。S5开关向上端导通，将转换后的数字信号存入电压逻辑单元，如果有电压值则负载没有短路，如果电压值为0V，则存在短路。

测试负载电压时，S1和S2开关向上端导通，将VIN-对地的电压送给运放处理。S4开关向上端导通，将运放处理后电压送给模/数转换器转为数字信号。S5开关向上端导通，将转换后的数字信号存入电压逻辑单元。

测试负载电流时，S1和S2开关向下端导通，将VIN+减去VIN-的电压差送给运放处理。S4开关向上端导通，将运放处理后电压送给模/数转换器转为数字信号。S5开关向下端导通，将转换后的数字信号存入电流逻辑单元。

C部分是运放单元，选用低偏置电压放大器，接收通过S1和S2开关输入的电压，进行滤波，信号幅度调整为模/数转换器可接受的输入范围。

在使用时，本发明的U1还可采用JFET型运放，进一步降低偏置电压对采样输入电压的影响。

D部分是负载短路测试的核心单元，它既产生稳定的恒流给负载充电，又能测试负载充电后的电压。如果电压值为0V，说明负载短路，不能供电，需要工程师排查电路。反之，负载正常可以供电。

如图2所示为本发明的恒流源电路，用于给负载充电，同时测试充电电压。运放U3和U4采用低偏置电流放大器，U3和Q1用于电压缩放，将Vref的基准转换成比精密电阻(R4和R5)公共端低1V输入到U4。S6和S7开关用于选择2个精密电流(开尔文接法)。Q2受U4控制保持精密电阻两端的电压为1V。Q2输出信号经过保护电路正向导通D1给到图1的S3开关，输出负载阻抗充电电流。如果有充电电压，则D2反向导通将电压给测量电路，说明没有短路。反之负载端存在短路。R4和R5构建大小不同电流能力，测试负载阻抗小时，切到大电流；测试负载阻抗大时，切到小电流。

E部分是模/数转换器单元，用于采样S4或S5传回的电压值，转换为数字信号。它的采样率和位数是决定电压和电流测试准确度的关键。这里设计是12bit的模/数转换器。在使用时，如果要更高精度的测量值，模/数转换器还可采用更高位数的，可用14bit、16bit甚至是24bit。

F部分是数字单元，电压逻辑单元是把模/数转换器输出的并行信号转为串行信号，储存测试负载电压和阻抗测试时的充电电压，然后发给通信单元。电流逻辑单元是把模/数转换器输出的并行信号转为串行信号，储存测试负载电流，然后发给通信单元。U2乘法器取样电压逻辑单元和电流逻辑单元的数字信号，算出负载功率值，然后发给功率逻辑单元算存储负载功率。通信单元是将之前的各个逻辑单元数字信号进行编码，转成与通信处理器的协议，这里采用IIC总线协议。

在使用时，应为一个电源域就要放一个本发明电路模块。板卡上众多电源域就需要数量很多的电路模块。通信单元还可采用SPI或1-BUS总线等，可挂多个从设备。

G部分是处理显示单元，处理器接收通信单元传来协议信号，进行解析出测量的负载电压、电流、阻抗，发给显示屏进行显示。

本发明通过合理的开关切换架构，科学的切换流程，保证发明电路可快速测量负载的电压、电流和阻抗；采用自适应负载，调节输出电流大小的恒流源，快速做负载是否短路的测试。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：包括精密采样电阻、开关切换单元、运放单元、电流源、模数转换器、数字单元、以及处理显示单元，所述精密采样电阻连接第一开关切换单元的输入端，第一开关切换单元的输出端连接运放单元以及电流源的输入端，运放单元以及电流源的输出端连接第二开关切换单元的输入端，第二开关切换单元的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接第三开关切换单元的输入端，第三开关切换单元的输出端连接数字单元的输入端，数字单元的输出端连接处理现实单元的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述精密采样电阻，串联在电源模块和负载之间，精密电阻两端产生电压差Vin+和电压差Vin-。

3.根据权利要求2所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述第一开关切换单元包括两个单刀双掷开关，一个双刀双掷开关，第一开关切换单元通过两个单刀双掷开关连接运放单元的两个输入端，通过双刀双掷开关连接电流源的输入端，电压差Vin+连接第一单刀双掷开关的下端，电压差Vin-连接第一单刀双掷开关的上端和第二单刀双掷开关的下端，第二单刀双掷开关的上端接地，双刀双掷开关上端接电压差Vin-，双刀双掷开关下端接地。

4.根据权利要求1所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述第二开关切换单元为单刀双掷开关。

5.根据权利要求1所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述第三开关切换单元为单刀双掷开关。

6.根据权利要求1所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述运放单元选用低偏置电压放大器，接收通过第一开关切换单元的开关输入的电压，进行滤波，信号幅度调整为模数转换器可接受的输入范围。

7.根据权利要求1所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述电流源包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的第一输入端连接Vref，第二输入端通过第一电阻接地，第一运算放大器的输出通过第二电阻连接第一MOS管，第一MOS管连接第二运算放大器的第一输入端，第二运算放大器的第二输入端连接第四开关切换单元的动端，第四开关切换单元的不动端分别通过第四电阻和第五电阻连接VCC，第五开关切换单元的不动端分别连接至第四开关切换单元的不动端，第五开关切换单元的动端和第二运算放大器的输出端均连接第二MOS管，第二MOS管连接保护电路的输入端，保护电路的输出连接第一二极管，第一二极管通过第二二极管连接测量电路。

8.根据权利要求1所述的一种硬件板卡快速自检装置，其特征在于：所述数字单元包括功率逻辑单元、电压逻辑单元、电流逻辑单元，所述功率逻辑单元、电压逻辑单元、电流逻辑单元均连接通信单元，电压逻辑单元、电流逻辑单元，还通过乘法器连接功率逻辑单元。

9.利用上述一种硬件板卡快速自检装置进行自检的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：测试负载有无短路时，其余开关断开，闭合双刀双掷开关，第二开关切换单元开关向下端导通，电流源给电压差Vin-端充电，同时测试充电电压发给模数转换器转为数字信号，第三开关切换单元开关向上端导通，将转换后的数字信号存入电压逻辑单元，如果有电压值则负载没有短路，如果电压值为0V，则存在短路；

S2：测试负载电压时，第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关向上端导通，将电压差Vin-对地的电压送给运放单元处理，第二开关切换单元开关向上端导通，将运放单元处理后电压送给模数转换器转为数字信号，第三开关切换单元开关向上端导通，将转换后的数字信号存入电压逻辑单元；

S3:测试负载电流时，第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关向下端导通，将电压差Vin+减去电压差Vin-的电压差送给运放单元处理，第二开关切换单元开关向上端导通，将运放单元处理后电压送给模数转换器转为数字信号，第三开关切换单元开关向下端导通，将转换后的数字信号存入电流逻辑单元；

测试负载功率时，完成S2和S3步骤，乘法器自动取电压逻辑单元和电流逻辑单元的值计算，送入功率逻辑单元。

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