1 引言
随着大规模集成电路技术飞速发展，印刷电路板(PCB)的集成度越来越高，制作工艺越来越复杂，因此对未知PCB的解剖分析工作变得越来越困难。其中最为困难的是如何获取未知PCB上元件引脚间的连通关系，形成测量网表。这项工作传统的方法是用万用电表对PCB上所有元件引脚进行穷举式测量，手工记录测量结果，最后由人工分析、综合所有记录，形成测量网表。这种方法十分繁琐耗时，工作效率低，而且容易出错，制约了解剖分析工作整体技术水平和工作效率的提升。
为了解决这一问题，笔者设计了一套PCB测量导航系统。它采用计算机辅助的测量技术，由计算机控制整个测量过程，指导用户进行测量，并自动分析、记录测量结果，最后形成网表，从而减轻人工操作的负担，减少了人为错误的可能性，在保证了测量的完备性和可靠性的同时提高了测量效率。本文比较详细地阐明了该系统的设计和实现原理，分析了其测量性能和技术指标，探讨了以后的改进和发展方向。
2 系统组成和基本原理
本系统由硬件模块和软件模块两部分组成。硬件模块为PCB通路探测仪;软件模块包括物理元件布局模块、测量工具管理模块、测量导航模块、网络服务模块、文件管理模块和网表导出模块七个部分。系统总体框架如图所示:
PCB通路探测仪实现对待测电路板上元件引脚间的连通关系进行数据采集，并将数据以既定的格式上传至主机。
物理元件布局模块实现待测电路板元件PCB布局图的建立，为测量的可视化提供基础。
测量工具管理模块实现对测量工具(包括测试夹或测试钩，下面统称测试夹)的管理。
测量导航模块实现测量过程的全程控制;包括测量进展状况的显示、测量元件的选择与组织、测量过程的人机交互、测量通道的设置、PCB通路探测仪的控制、上传数据的接收和识别、测量结果的记录。
网络服务模块实现对测量结果的检查和纠错。
文件管理模块实现对测量文件的管理。
网表导出模块实现由测量结果到网表文件的生成。
工作流程如下所示:
物理布局→测量工具管理→测量导航→网络服务→网表导出
3 测量机制
系统测量部分由PCB通路探测仪来实现。探测仪内设置有由微控制器控制的通/断路测量电路，实现对待测元件引脚连通关系的自动测量。测量电路中共有256个测量通道，通过测量电缆引出256个测量头，可支持同时对256个引脚进行测量，其中每个测量头占用一个测量通道。测量头可挂接各种测试夹，用来与元件引脚相接。考虑到被测电路板上还有许多不能用测试夹测量的元件，探测仪从测量电路连出一对测试笔，用来对此类元件进行测量。
当启动测量后，由测量导航模块向探测仪发送测量命令，运行在微控制器上的测量控制程序接收和识别测量命令，并按照组合原则，通过控制探测电路上的模拟开关阵列打开命令中设置的相应测量通道，使得测量头之间、或测量头与测试笔之间、或两测试笔之间形成测量通路，对两两引脚间的通/断路连接关系进行测量和判断，并把测量的结果数据通过USB接口上传至主机。
测量命令共有三类：
•夹内测量：测量测量头之间，即测试夹内引脚连通关系。
•笔夹测量：测量测量头与测试笔之间，即测试夹内引脚与测试笔所在引脚的连通关系。
•笔笔测量：测量两测试笔之间的连通关系。
4 导航机制
为了在现有硬件基础上进一步提高测量效率，系统采用了导航机制，通过一系列导航算法和关键技术来实现测量的完备性、准确性、高效性。
4.1 可夹元件和不可夹元件
为了便于导航，系统根据测量工具情况将所有元件划分为两类：可夹元件和不可夹元件。
可夹元件表示可用测试夹测量的元件。不可夹元件表示只能测试笔测量的元件。
可夹元件引脚之间连通关系通过夹内测量得到;可夹元件和不可夹元件引脚之间连通关系通过笔夹测量得到;不可夹元件引脚之间连通关系通过笔笔测量得到。
4.2 分组测量
由于探测仪引出的测量头数目为256个，一般来说，不可能同一批次就为板上所有可夹元件的引脚都分配上测量头，需要分批夹。因此，导航引用了分组测量的策略，具体方法是：取一组元件作为基组，将其余元件分为若干组依次和基组元件进行测量，待到测量结束后基组元件就已完全测量，即基组元件引脚所有连通关系都已测量完毕;接着再选下一组基组测量，如此依次，直至所有元件都完全测量。
为了便于程序实现，我们将所有元件分为五组：
•A组——未测量元件组;
•B组——基准元件组(基组);
•C组——当前正与基组测量的元件组;
•D组——已与基组测量完成的元件组;
•E组——已完全测量元件组;
为了减少笔夹测量次数，夹内测量和笔夹测量需交替进行，即B组和第一个C组夹内测量完后进行笔夹测量，当这组C进入B组时就无须笔夹测量。例如：有1、2、3、4四组可夹元件，只有当B、C两组分别为1-2组或3-4组时才须进行笔夹测量，1-3、1-4、2-3、2-4均无须笔夹测量。
测量导航流程如下：
(1) 初始时所有元件都在A组，B、C、D和E组内无任何元件。
(2) 从A组中选择部分可夹元件进入B组。选择进入B组元件的条件：必须有相应空闲夹具支持;未做笔夹测量的元件优先;引脚数大的优先;与上次B组使用夹具匹配的元件优先;所选元件引脚总数不能大于用户设定的B组元件引脚数上限。
(3) 从A组中选择部分可夹元件进C组。选择进入C组元件的条件：必须有相应空闲夹具支持;未做笔夹测量的元件优先;引脚数大的优先;与上次C组使用夹具匹配的元件优先;C组元件引脚总数不超过256-B组元件引脚总数。
(4) 启动夹内测量，测量B、C两组元件引脚间的连通关系;
(5) 如果B组全部元件均进行过笔夹测量，转(8)，否则进行笔夹测量。
(6) 启动笔夹测量，测量所有不可夹元件与B、C两组元件引脚间的连通关系。
(7) 笔夹测量完成，将C组元件移入D组，C组清空。
(8) 重复(3)~(8)，直至A组无可夹元件，B组元件已完全测量。
(9) 将B组元件移入E组，B组清空，将D组元件移入A组，D组清空。
(11) 重复(2)~(10)，直至所有可夹元件移入E组，此时，A组中只剩下不可夹元件;
(12) 任取A组中一个不可夹元件a移入B组，用笔笔测量方式，测量它的任一引脚与A组中元件所有引脚间的连接关系，测量完成，将元件a从B组移入E组。
(13) 重复(12)，直至所有元件移入E组，全部测量完成。
4.3 测量方法
测量方法包括两种：完全测量和快速测量。
完全测量：完全按照组合原则，对所有待测元件所有引脚两两之间的连通关系都进行测量。
快速测量：对于已知连通关系的引脚对不进行测量。例如：有a、b、c三个引脚，若测得a和b连通，a和c连通，则b和c一定连通;若测得a和b连通，a和c不连通，则b和c一定不连通。此两种情况b和c都无需测量，测量导航不给出测量提示和引导。从整个测量过程来看，快速测量可解释为每个B组完全测量完后，若有非B组元件，其所有引脚与B组元件都有连通关系，那么该元件可看为已完全测量，可将该元件直接移入E组。
两种方法相比，完全测量因有完整的数据记录，自动纠错能力较强，但测量速度较慢，适合于测量质量要求高的情况;快速测量因省去了许多引脚对的测量，测量速度较快(实验表明，在一般情况下快速测量比完全测量速度快10倍左右)，但因没有冗余数据，自动纠错能力不强，适合于测量速度要求快的情况。
4.4 笔夹测量和笔笔测量的导航方法
笔夹测量和笔笔测量的导航方法有两种：引脚导航法和自由搜索法。
引脚导航法：在所选的范围内，系统在布局图中提示当前应测量的不可夹元件引脚，用户使用测试笔找到该引脚进行测量，系统自动记录测量结果。
自由搜索法：在所选的范围内，使用测试笔随意轻划不可夹元件引脚，若发现有连通的引脚，由用户用鼠标在布局图中点亮该引脚，系统自动记录其连通关系。
两种方法相比，引脚导航法可确保测量的完备性，而且具有良好的测量向导，记录全自动完成，具有一定的即时检错和纠错的能力，但测量速度稍慢，适合于连通关系较多的情况;区域导航法速度较快，但导航效果稍差，没有即时检错和纠错的能力，适合于连通关系较少的情况。
5 性能分析
假设一张布局图上可夹元件引脚总数为500，不可夹元件引脚总数为200，若纯手工测量，可夹元件引脚之间测量次数为次，可夹元件与不可夹元件引脚之间测量次数为500×200=100000次，不可夹元件引脚之间测量次数为次，总测量次数为124750+100000+19900=244650次。采用测量导航，可夹元件分为4组(一次测量256个引脚，256个引脚分为B、C两组)，可夹元件引脚之间测量次数为次，可夹元件与不可夹元件引脚之间测量次数为2×200=400次，不可夹元件引脚之间测量次数为次，总测量次数为6+400+19900=20300次，比纯手工测量效率提高了10倍，若采用快速测量，测量效率就提高了100倍。
由上述分析表明，在采用测量导航情况下，可夹元件越多，测量速度越快;若选用快速测量，连通关系越多，测量速度越快。
6 结束语
此系统虽然在较大程度上提高了PCB测量效率，但由于接触式测量的局限性，系统还存在许多不足，对于无法接触到的封装和元件(例如BGA封装元件和多层板中层与层之间元件)还无法测量，这在很大程度上约束了该系统的应用范围。因此，采用非接触式测量是今后研究和发展的方向，但这还有待于进一步论证。
