为什么测试您的产品与产品本身一样重要

2021-08-06

为什么测试您的产品与产品本身一样重要

可测试性设计

电子设计包含两部分；设计本身和设计的可测试性。当然，专注于功能以及您的小部件如何以无线方式提醒您的智能手机您脚臭的当前状态（专利申请中）很有吸引力，但这只是成功的一半。

你制作的一个原型完美无缺，因为你已经与它紧密结合了很长时间，你已经减轻了你可以在一个样本上看到的任何问题。

您对自己的原型很满意，并希望将其提升到一个新的水平，这样您就可以将一些原型交到朋友和家人的手中。假设您想制造 50 个单位，太棒了！

您决定最好自己制作前 50 个，这样您就可以制作出裸露的 PCB，购买所有组件，然后就可以使用焊台了。

您花了一整天的时间精心焊接所有 50 块 PCB 上的 0402 电阻器、QFN 封装和芯片天线。看着所有 50 块组装好的电路板，您知道在将它们发送给朋友和家人之前，需要对它们进行测试以确保它们能够正常工作。

幸运的是，您知道这即将到来，并且从一开始就考虑到了可测试性。参考设计的框图，您在设计的所有关键电源和信号部分添加了测试点，以便轻松进行探测或测试夹具接口（稍后将详细介绍）。

尽早测试，经常测试

许多制造商都有内置流程，可确保正在制造的设计正是您提供的。在 PCB 制造过程中，有几个步骤可以减少任何缺陷。

PCBWay对整个过程有很好的解释。

两个最重要的步骤是自动光学检测 (AOI) 和电气测试。

AOI 将根据提供的艺术品目视检查设计，电气测试将通过物理探测 PCB 来测试任何错误的开路或短路。

您会很高兴您的 PCB 在组装之前经过了一系列测试。无论您是自己组装 PCB 还是依赖制造商，重要的是要知道您的硬件是按照您的预期制造的。

如果您的制造商组装了 PCB，他们通常会进行另一个检查过程以确保一切正常。执行另一个 AOI 以检查焊点、零件方向和任何其他缺陷。

有时，如果存在具有复杂封装的组件，例如 BGA，将执行自动 X 射线 (AXI) 以确认零件下方的焊点是否完好。

测试什么

力量

显然，每种设计都有其独特的功能，但通常有一个共同点，那就是您的电路板是如何供电的。您需要确认您的设计获得了正确的电压。如果您的电压有误，那么设计的其余部分就没有希望了，您需要在移动之前进行故障排除。

如果您的制造商在他们花哨的自动化机器上做得很好，那么您应该能够在不散发神奇烟雾的情况下为您的电路板供电。如果烟雾消失，您的电气问题就会变成热问题。你可以把它交给热工程师。

撇开玩笑不谈，使用简单的万用表进行一些初始探测，以确认设计中的所有电压都测量出您期望的值，这将是确保设计的其余部分正常运行的第一步。

微控制器、处理器等

大多数新设计将包括某种大脑。微控制器很便宜，可以做很多很棒的事情，但您还需要确保它们正常工作。

在某些时候需要使用您的代码对裸微控制器进行编程。芯片制造商甚至可以在将部件焊接到电路板上之前完成此操作，但需要付费或额外的交货时间或两者兼而有之。但是，拥有一种使用系统内编程器 (ISP) 进行编程的方法也很重要。

对于初始单元，最好自己对它们进行编程，并在与电路交互时使用 ISP 来调试可能出现的任何问题。

信号和传感器

大多数设计都会包含某种信号，无论它是作为微控制器的输出生成的，还是来自某个传感器的。

在您的设计按预期工作之前，您很可能需要对微控制器进行编程。假设您的微控制器已编程，并且正在与所有外围组件进行通信。

此时，您可以探测电压电平和波形、与按钮交互、检查 LED 是否正确点亮，并确认任何模拟电压电平都符合您的规格。

用户界面

用户不会关心设计的“幕后”发生了什么。他们肯定会关心按钮是否不起作用或 LED 是否不像用户手册所说的那样工作。

必须彻底测试所有面向用户的组件。这包括按钮、LED、屏幕、电容式触摸或用户将与之交互的任何东西，以使您的产品为他们服务。

如何测试

我恳请您参观一家生产与您推向市场的产品类似的产品的制造工厂。了解生产硬件产品的幕后没有更好的经验。

在您的设计阶段尽早这样做，因为您可能会学到一些可以在以后节省时间和金钱的东西。

硬件学院的 某个人分享了这段精彩的视频，视频中一位受欢迎的技术 YouTuber 走过制造工厂，详细介绍了生产智能手机所需的条件。

有专门的软件测试、相机质量控制、加速度计运动、对准、粘合、掉落的设备。惊人的 100+ 人将在出厂前触摸每部手机！

令人惊讶的是，这只是众多智能手机中的一款，而且每年都会更新。

生产智能手机需要一小部分工程师和制造商。您的产品可能没有那么复杂，但原则仍然成立。

生产任何东西的圣杯是将您的产品廉价、快速地送到客户手中，并确保它的高质量。实际上，要同时实现这三个目标几乎是不可能的。

测试计划

就像创建您想要设计的框图（设计前阶段）一样，最好记下设计中需要测试的所有内容。这使您可以了解全局，甚至可以集思广益地讨论如何测试某些内容。

测试计划也应该在设计阶段的早期完成。这将迫使您考虑需要在 PCB 上进行物理布局，以促进高效和稳健的测试。

测试点

您的测试计划应该告诉您需要将哪些测试点添加到您的设计中。测试点是您或测试夹具可以轻松探测以进行测量的 PCB 上的物理位置。

由于各种原因，您不想依赖于探测组件的引脚或焊盘。我喜欢让我的测试点直径为 1 毫米，并将它们彼此间隔至少 2.54 毫米。

这为手动或自动探测提供了足够的表面积和空间。我也倾向于将它们放在 PCB 的底部以便于访问。

PCB 背面的测试点示例

在系统编程

我在上一节中提到了 ISP，但有多种方法可以在您的设计中包含此接口。一些设计（例如 Arduino Uno）在板上焊接了一个 6 针接头，以便连接编程器。

这对开发板很有好处，但您可能不希望在成品中增加连接器的成本。但是，您需要一种有效的方法来对每块电路板进行编程，而无需每次都焊接或拆焊连接器。

我最喜欢的与系统内微控制器接口的方法之一是使用Tag-Connect系统。板上没有额外的组件，占用空间小，可重复性高。我在所有需要编程的设计中都使用了这个系统。如果我需要排除任何故障，我可以将电缆连接到我的电路板上。

测试夹具

对于较低数量的设计，您可能需要亲自手动测试每块电路板。如果有人能帮助你，那就更好了。

确保你有一个健壮的测试计划，并且每个板子都遵循计划到 T。人类通常在可重复性方面很差，人为错误是真实的，请记住这一点。

另一种通常用于较大数量的方法是设计和生产自动化测试夹具。

正如您在上面的智能手机制造视频中看到的那样，有几个专门的测试装置可以执行非常具体的任务。这些固定装置可以由您或制造商设计，但成本很高。

测试夹具本身就是一种产品。它可能不像您生产的产品那样华丽或美观，但它肯定可以是一个复杂的设计，如果不是更复杂的话。

建造

我见过由 3D 打印部件制成的测试夹具，我什至见过由 2x4 和胶合板制成的测试夹具。无论测试夹具是由什么制成的，最重要的方面是它的稳健性和可重复性。

最常见的是，测试夹具将涉及弹簧加载的针脚，有时称为弹簧针，以及一种将被测单元（您的电路板）夹在针脚上的方法。好的夹具将机械地将您的电路板与引脚对齐，以获得最大的可重复性。

夹紧测试夹具示例

根据您希望生产的数量，最好从一次可以测试一块板的夹具开始。

如果您要生产大量产品，您可能会考虑测试整个电路板面板，这会提高速度，但也会显着增加夹具的复杂性。

自动化为王

除了与板上测试点接口的弹簧针之外，还有其他方面需要考虑，以使您的自动化测试尽可能可靠。

如果您的设计有按钮和 LED，有两种方法可以确认它们是否正常工作。

第一种方法是让操作员手动按下按钮并获得 LED 的视觉效果。按照你的测试计划，他们会知道什么时候按下它，以及电路板是通过还是失败。

另一种方法是使该过程完全自动化。在我的一个测试装置中，我什至使用两个螺线管来物理按下按钮以确保它们正常工作。还使用了颜色传感器来确保 LED 的颜色正确。

这增加了设计的复杂性，但从长远来看是有益的，因为测试快速且可重复，将人类排除在外。

测试接口

通常情况下，测试装置需要在计算机上运行。计算机执行您编写的程序以执行必要的测试，告诉操作员您的电路板是通过还是失败。

我测试夹具的方法是它应该对操作员尽可能简单。操作员应该能够按下按钮，让测试夹具执行所有测试，然后在测试结束时获得通过或失败指示。失败的板子放在一堆，通过的板子放在另一堆。

我几乎在所有测试装置中都使用了 Raspberry Pi。它是一款紧凑型计算机，可通过具有所有 GPIO、电源和通信功能的接头轻松连接外围设备。

Linux 是首选的操作系统，如果它对Mars 足够好，那么它对于一个强大的测试装置来说已经绰绰有余了。

通常，会有一个接口板来扩展 Raspberry Pi 的功能，然后与您的被测单元 (UUT) 连接。

与 GPIO 交互的最简单方法是用 Python 编写测试夹具程序。库很丰富，而且功能齐全。

提供您自己的计算机可以消除与您的制造商的计算机可能使用过时的操作系统的任何兼容性问题。然后，您可以在发货前正确设置电脑。

包括您自己的计算机的另一个好处是能够远程更新测试夹具或设置 Web 界面以实时获取测试数据。这将使您能够解决可能出现的任何问题。在制造商端可能需要对网络进行一些配置，但这是值得的。

冗余

就像工程师在Contact 中所做的那样，您应该计划至少拥有两个相同的装置。

想象一下，您在海外制造，而您的单个测试夹具坏了。这会停止整个生产过程。您必须生产另一个并将其运送到您的工厂。哎呀。

在您的制造商手中拥有两个测试夹具可以提高速度和效率，还可以降低生产突然停止的风险。

拥有第三个固定装置可能也有好处，您可以自己进行任何故障排除，这样您就可以与制造商并行工作。

让它变得简单，让它变得显而易见

想象自己使用测试夹具测试数千块板。您希望该过程尽可能高效，因为在生产产品时，花时间测试劳动力成本的因素。

您希望能够按下一个明显的“开始”按钮来开始测试，并且您想要一个明显的通过或失败。不仅如此，您还想知道测试装置何时准备就绪以及何时进行。

我使用了大绿色、红色和蓝色 LED 的组合来指示正在发生的事情。我什至听说过一些设计师将他们的测试夹具制作成游戏，或者在测试通过时在测试结束时添加叮当声。