LED測(cè)試與控制的自動(dòng)化

LED測(cè)試與控制的自動(dòng)化發(fā)光二極管(LED)常被用于各種現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)與系統(tǒng)中，以提供影像顯示與狀態(tài)檢視的功能。在機(jī)板日趨復(fù)雜之際，廠商紛紛尋求更多的測(cè)試功能，來(lái)檢驗(yàn)每個(gè)元件。而這將會(huì)使得邊界掃瞄測(cè)試(BoundaryScanTestBST)演進(jìn)到加入具備完整功能的內(nèi)建自我測(cè)試(Build-inSelfTest；BIST)技術(shù)。業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)在于至今仍有一些元件的自動(dòng)測(cè)試功能有限，必須依賴人工測(cè)試或目測(cè)來(lái)偵測(cè)故障狀況。這類LED可制造出1美元成本的零組件，應(yīng)用在售價(jià)達(dá)1萬(wàn)美元的線路卡或系統(tǒng)中，因此，零組件品質(zhì)的優(yōu)劣會(huì)直接影響顧客滿意度，以及對(duì)整體產(chǎn)品品質(zhì)的觀感。LED測(cè)試瓶頸LED的故障通?？煞譃閮纱箢悺５谝?，當(dāng)LED在插入前置面板顯示器或其他狹小空間時(shí)，因元件故障、電路板組裝問(wèn)題以及機(jī)械組裝破損，會(huì)造成電子開路與短路。第二種則是當(dāng)鄰近LED在被激化至相同狀態(tài)時(shí)，其色彩與亮度會(huì)出現(xiàn)不一致的狀況。利用BST檢驗(yàn)線路的連續(xù)性，就能在其他元件中找出第一種故障形態(tài)。但在獨(dú)立型LED中，內(nèi)建BST功能并不是一種可行的作法，制造工程師只好以目測(cè)方式來(lái)檢驗(yàn)LED。目測(cè)的檢驗(yàn)流程是由技術(shù)人員觀察LED狀態(tài)，之后再回報(bào)所有元件都正常無(wú)誤。這種重復(fù)性的作業(yè)容易出現(xiàn)人為失誤，因此檢驗(yàn)更加復(fù)雜，以確保技術(shù)人員沒有分心出錯(cuò)。對(duì)于測(cè)試人員與業(yè)者而言，這種測(cè)試流程都不是一種有效率、具有附加價(jià)值的方法。(圖一)一般LED發(fā)光電路示意圖在尋找LED測(cè)試的替代方法之前，有必要檢視LED在正常系統(tǒng)運(yùn)作下的運(yùn)作程序?；径?，當(dāng)施加電壓讓二極管進(jìn)入偏壓狀態(tài)時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光，如(圖一)(a)所示。由于二極管的反應(yīng)屬于非線性模式，因此通常會(huì)在電路中加入一個(gè)限流電阻器，以確保不會(huì)超過(guò)驅(qū)動(dòng)針腳的電流上限。一般而言，單色LED通常是由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器所控制，并連結(jié)至一個(gè)針腳上，另一根針腳則接地（GND）。這種設(shè)計(jì)可使得一個(gè)針腳就可以控制一個(gè)LED。要顯示多種顏色，只要加入其他顏色的LED，并將其輸入端連結(jié)至其他針腳即可。簡(jiǎn)易LED測(cè)試解決方案圖一（b）顯示一個(gè)雙色LED組態(tài)，使用一個(gè)共同的接地端，并連結(jié)不同的驅(qū)動(dòng)器。在同一空間內(nèi)結(jié)合兩個(gè)或更多不同顏色LED會(huì)發(fā)生的情況之一便是若兩個(gè)LED同時(shí)被激化，其所呈現(xiàn)的混色則取決于兩個(gè)LED所顯示的顏色。另一種建置雙埠雙色LED的方法，則是把兩個(gè)組態(tài)過(guò)的LED以頭接尾的方式連結(jié)，任一方的發(fā)光狀態(tài)則取決于進(jìn)入偏壓狀態(tài)的另一方LED。若需要顯示混色，情況就變得更復(fù)雜，系統(tǒng)必須以更快的速度在兩種激化狀態(tài)之間進(jìn)行切換，如此肉眼才不會(huì)看到切換時(shí)的閃爍，而讓混色呈現(xiàn)單一顏色狀態(tài)，如圖一（c）所示。在以下的討論中，將介紹這種雙色LED，因?yàn)樗碜顝?fù)雜的狀況，而且也涵蓋了其他種類的建置方法。Paint1TOC\o"1-5"\h\zPin1 J!> rM5公Pin2iA 」52RD,com（圖二）連接比較器的雙色LED電路觀察（圖二）中LED的運(yùn)作，若針腳1與針腳2輸入相同的電壓（通常為Vcc或GND），不會(huì)有任何電流產(chǎn)生，而電路中所有點(diǎn)都會(huì)測(cè)得相同的電壓。當(dāng)兩個(gè)針腳的電壓高低不同時(shí)，雙色LED就會(huì)產(chǎn)生偏壓，測(cè)量點(diǎn)的電壓就會(huì)成為一個(gè)diodedrop（通常為0.7伏特），會(huì)高于或低于針腳2的電壓。若能測(cè)量到此點(diǎn)的電壓，LED的狀態(tài)就能確定，也能發(fā)展出涵蓋各個(gè)LED的自動(dòng)化測(cè)試機(jī)制；并且可藉此辨識(shí)出LED在制造與測(cè)試過(guò)程中大部份的故障狀況。就最基本的層面而言，若每個(gè)LED連結(jié)至一個(gè)比較器，并選擇合適的設(shè)定點(diǎn)作為比較器的輸入來(lái)源，LED就能進(jìn)行測(cè)試流程。在這種測(cè)試中，測(cè)試器處在完全被動(dòng)的狀態(tài)，因此，LED控制器必須把LED放在適合的電子狀態(tài)中。此外，由于理想狀況是LED在各種不同的狀態(tài)下受測(cè)(受激化后顯示不同顏色或是關(guān)閉)，因此比較器的設(shè)定點(diǎn)最好能夠加以調(diào)整。但這需要用到更多的元件，機(jī)板研發(fā)人員也須增加耗電量。這種方法的主要缺點(diǎn)在于零組件數(shù)量過(guò)高，因?yàn)槊總€(gè)LED需要自己專屬的比較器，或某種形態(tài)的多工機(jī)制來(lái)提高LED的涵蓋率，但另一方面卻須減少零組件數(shù)量。此外，還須面臨控制所有設(shè)定點(diǎn)的復(fù)雜作業(yè)，以確保在適當(dāng)?shù)脑O(shè)定點(diǎn)中檢查到正確的數(shù)值。整合度略高的解決方案可使用多種A/D類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，并透過(guò)多工機(jī)制對(duì)所有測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行探樣，將結(jié)果匯整成處理元素的格式。這些資訊可用來(lái)研判其所測(cè)出的電壓值，對(duì)于處于測(cè)試中的現(xiàn)有LED組態(tài)而言是否合適。雖然這種方法可減少零組件數(shù)量，但仍需要多個(gè)元件來(lái)執(zhí)行作業(yè)，以及處理從測(cè)試點(diǎn)所擷取到的資料。而整合度更高的系統(tǒng)，則是運(yùn)用一個(gè)具備多種類比功能的微控制器。這種方式能把A/D探樣以及處理功能整合至單一元件。實(shí)際的測(cè)試流程則類似其他機(jī)板測(cè)試，其中可能發(fā)生組裝(機(jī)板與機(jī)箱)錯(cuò)誤。單一測(cè)試模式僅能檢驗(yàn)出激態(tài)LED是不足以確保運(yùn)作正常，因此業(yè)界必須發(fā)展出一套完整的測(cè)試方案。以下顯示一個(gè)雙色LED的范例：所有LED關(guān)閉(兩個(gè)連結(jié)至Vcc的針腳)-接地端偵測(cè)為短路狀態(tài)；所有LED關(guān)閉(兩個(gè)連結(jié)至接地端的針腳)-Vcc端偵測(cè)為短路狀態(tài)；所有LED開啟(顏色一)-在顏色一電路通道中偵測(cè)到故障；所有LED開啟(顏色二)-在顏色二電路通道中偵測(cè)到故障；所有LED關(guān)閉(鄰近LED線路在Vcc端與接地端之間切換)-于LED線路間偵測(cè)到短路狀態(tài)；反覆第(5)步驟，偵測(cè)反方向的通道。完成這六項(xiàng)步驟，就可確定LED所有功能都正常無(wú)誤，而且在原始機(jī)板組裝或是前置面板的機(jī)械組件也沒有任何故障狀況。如此一來(lái)，能大幅降低對(duì)于人工目測(cè)LED功能的依賴，讓制造工程師能夠在制造流程中的任何階段均能夠測(cè)試LED功能。此外，設(shè)計(jì)人員還必須額外考量負(fù)責(zé)控制與驅(qū)動(dòng)LED元件，與測(cè)試元件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作。元件之間必須具備握手(handshaking)機(jī)制，確保測(cè)試元件瞭解目前LED的「預(yù)期」?fàn)顟B(tài)，點(diǎn)1的電壓值代表通過(guò)測(cè)試與測(cè)試失敗，如圖二所示。(圖三)顯示一個(gè)可程式化的測(cè)試電路組態(tài)，這個(gè)元件是設(shè)計(jì)用來(lái)監(jiān)控26個(gè)LED，并透過(guò)一個(gè)I2C介面與整個(gè)系統(tǒng)相連結(jié)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)能對(duì)所有設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，并指定接下來(lái)要測(cè)試的元件。運(yùn)用I2C介面讓外部系統(tǒng)能研判任何測(cè)試的結(jié)果，以及每個(gè)LED的效能表現(xiàn)。（圖三）可程式化LED測(cè)試電路組態(tài)另一種在設(shè)計(jì)中加入微控制器的方法，就是將控制與測(cè)試功能整合在同一個(gè)元件中。一般使用的連結(jié)埠擴(kuò)充器可用來(lái)支援設(shè)計(jì)中的LED控制功能，元件中的類比功能則可用來(lái)同時(shí)執(zhí)行測(cè)試工作。這項(xiàng)整合可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員僅須發(fā)出一個(gè)測(cè)試指令，讓微控制器負(fù)責(zé)控管所有的程序，完成后還會(huì)自動(dòng)切換至正常的系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)。由于元件必須支援控制與測(cè)試功能，雖然額外的針腳與軟體復(fù)雜度將衍生出更多的硬體需求；但另一方面也降低系統(tǒng)處理器在制造測(cè)試，與正常系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)LED控制作業(yè)的負(fù)載量。結(jié)語(yǔ)總結(jié)來(lái)說(shuō)，目前許多LED都是以目測(cè)方式