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LED测试与控制的自动化

导读: 发光二极管(LED)常被用于各种现代电子设计与系统中,以提供影像显示与状态检视的功能。在机板日趋复杂之际,厂商纷纷寻求更多的测试功能,来检验每个组件。

                                                        David Johnson
                               
(作者任职于Cypress Semiconductor柏士半导体)
 
        发光二极管(LED)常被用于各种现代电子设计与系统中,以提供影像显示与状态检视的功能。在机板日趋复杂之际,厂商纷纷寻求更多的测试功能,来检验每个组件。而这将会使得边界扫瞄测试(Boundary Scan Test;BST)演进到加入具备完整功能的内建自我测试(Build-in Self Test;BIST)技术。业者面临的挑战在于至今仍有一些组件的自动测试功能有限,必须依赖人工测试或目测来侦测故障状况。这类LED可制造出1美元成本的零组件,应用在售价达1万美元的线路卡或系统中,因此,零组件质量的优劣会直接影响顾客满意度,以及对整体产品质量的观感。

LED测试瓶颈

        LED的故障通常可分为两大类。第一,当LED在插入前置面板显示器或其它狭小空间时,因组件故障、电路板组装问题以及机械组装破损,会造成电子开路与短路。第二种则是当邻近LED在被激化至相同状态时,其色彩与亮度会出现不一致的状况。利用BST检验线路的连续性,就能在其它组件中找出第一种故障形态。但在独立型LED中,内建BST功能并不是一种可行的作法,制造工程师只好以目测方式来检验LED。目测的检验流程是由技术人员观察LED状态,之后再回报所有组件都正常无误。这种重复性的作业容易出现人为失误,因此检验更加复杂,以确保技术人员没有分心出错。对于测试人员与业者而言,这种测试流程都不是一种有效率、具有附加价值的方法。

      
 
                         (图一) 一般LED发光电路示意图
 
        在寻找LED测试的替代方法之前,有必要检视LED在正常系统运作下的运作程序。基本而言,当施加电压让二极管进入偏压状态时,LED就会发光,如(图一)(a)所示。由于二极管的反应属于非线性模式,因此通常会在电路中加入一个限流电阻器,以确保不会超过驱动针脚的电流上限。一般而言,单色LED通常是由一个驱动器所控制,并连结至一个针脚上,另一根针脚则接地(GND)。这种设计可使得一个针脚就可以控制一个LED。要显示多种颜色,只要加入其它颜色的LED,并将其输入端连结至其它针脚即可。
 
简易LED测试解决方案

         图一(b)显示一个双色LED组态,使用一个共同的接地端,并连结不同的驱动器。在同一空间内结合两个或更多不同颜色LED会发生的情况之一便是若两个LED同时被激化,其所呈现的混色则取决于两个LED所显示的颜色。另一种建置双埠双色LED的方法,则是把两个组态过的LED以头接尾的方式连结,任一方的发光状态则取决于进入偏压状态的另一方LED。若需要显示混色,情况就变得更复杂,系统必须以更快的速度在两种激化状态之间进行切换,如此肉眼才不会看到切换时的闪烁,而让混色呈现单一颜色状态,如图一(c)所示。在以下的讨论中,将介绍这种双色LED,因为它代表最复杂的状况,而且也涵盖了其它种类的建置方法。

         
                                     (图二) 连接比较器的双色LED电路
 
        观察(图二)中LED的运作,若针脚1与针脚2输入相同的电压(通常为 Vcc 或GND),不会有任何电流产生,而电路中所有点都会测得相同的电压。当两个针脚的电压高低不同时,双色LED就会产生偏压,测量点的电压就会成为一个diode drop(通常为0.7伏特),会高于或低于针脚2的电压。若能测量到此点的电压,LED的状态就能确定,也能发展出涵盖各个LED的自动化测试机制;并且可藉此辨识出LED在制造与测试过程中大部份的故障状况。就最基本的层面而言,若每个LED连结至一个比较器,并选择合适的设定点作为比较器的输入来源,LED就能进行测试流程。在这种测试中,测试器处在完全被动的状态,因此,LED控制器必须把LED放在适合的电子状态中。

        此外,由于理想状况是LED在各种不同的状态下受测(受激化后显示不同颜色或是关闭),因此比较器的设定点最好能够加以调整。但这需要用到更多的组件,机板研发人员也须增加耗电量。这种方法的主要缺点在于零组件数量过高,因为每个LED需要自己专属的比较器,或某种形态的多任务机制来提高LED的涵盖率,但另一方面却须减少零组件数量。此外,还须面临控制所有设定点的复杂作业,以确保在适当的设定点中检查到正确的数值。
        整合度略高的解决方案可使用多种A/D模拟数字转换器,并透过多任务机制对所有测试点进行采样,将结果汇整成处理元素的格式。这些信息可用来分析其所测出的电压值,对于处于测试中的现有LED组态而言是否合适。虽然这种方法可减少零组件数量,但仍需要多个组件来执行作业,以及处理从测试点所撷取到的数据。而整合度更高的系统,则是运用一个具备多种模拟功能的微控制器。这种方式能把A/D采样以及处理功能整合至单一组件。
实际的测试流程则类似其它机板测试,其中可能发生组装(机板与机箱)错误。单一测试模式仅能检验出激态LED是不足以确保运作正常,因此业界必须发展出一套完整的测试方案。以下显示一个双色LED的范例:

       (1)所有LED关闭(两个连结至Vcc的针脚)–接地端侦测为短路状态;
       (2)所有LED关闭(两个连结至接地端的针脚)–Vcc端侦测为短路状态;
       (3)所有LED开启(颜色一)–在颜色一电路信道中侦测到故障;
       (4)所有LED开启(颜色二)–在颜色二电路信道中侦测到故障;
       (5)所有LED关闭(邻近LED线路在Vcc端与接地端之间切换)–于LED线路间侦测到短路状态;
       (6)反复第(5)步骤,侦测反方向的通道。

         完成这六项步骤,就可确定LED所有功能都正常无误,而且在原始机板组装或是前置面板的机械组件也没有任何故障状况。如此一来,能大幅降低对于人工目测LED功能的依赖,让制造工程师能够在制造流程中的任何阶段均能够测试LED功能。此外,设计人员还必须额外考虑负责控制与驱动LED组件,与测试组件之间的协调运作。组件之间必须具备握手(handshaking)机制,确保测试组件了解目前LED 的「预期」状态,点1的电压值代表通过测试与测试失败,如图二所示。(图三)显示一个可程序化的测试电路组态,这个组件是设计用来监控26个LED,并透过一个I2C接口与整个系统相连结。这项设计让系统能对所有设定点进行调整,并指定接下来要测试的组件。运用I2C接口让外部系统能分析任何测试的结果,以及每个LED的效能表现。
        
                                  (图三) 可程序化LED测试电路组态
 
        另一种在设计中加入微控制器的方法,就是将控制与测试功能整合在同一个组件中。一般使用的连结埠扩充器可用来支持设计中的LED控制功能,组件中的模拟功能则可用来同时执行测试工作。这项整合可简化设计工作,因为设计人员仅须发出一个测试指令,让微控制器负责控管所有的程序,完成后还会自动切换至正常的系统运作状态。由于组件必须支持控制与测试功能,虽然额外的针脚与软件复杂度将衍生出更多的硬件需求;但另一方面也降低系统处理器在制造测试,与正常系统运作时LED控制作业的负载量。
 
结语

        总结来说,目前许多LED都是以目测方式进行检验,很容易遇到人为疏失的问题,因此,业界已发展出许多替代的测试方法。这些方法不仅能提高测试的可靠度,还带来部份自动化测试的效益,以取代人工测试流程。这不仅能降低成本,而且能让LED在组装流程的任何阶段都能进行测试,甚至成为正常启动程序中的一环。而现有的LED测试程序均无法提供上述这些功能。

 

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