LED测试与控制的自动化

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，来检验每个元件。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元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，零组件品质的优劣会直接影响顾客满意度，以及对整体产品品质的观感。
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他狭小空间时，因元件故障、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，就能在其他元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，之后再回报所有元件都正常无误。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，只要加入其他颜色的LED，并将其输入端连结至其他针脚即可。

 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，而且也涵盖了其他种类的建置方法。
　

(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元件，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，或某种形态的多工机制来提高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类比数位转换器，并透过多工机制对所有测试点进行採样，将结果汇整成处理元素的格式。这些资讯可用来研判其所测出的电压值，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，但仍需要多个元件来执行作业，以及处理从测试点所撷取到的资料。而整合度更高的系统，则是运用一个具备多种类比功能的微控制器。这种方式能把A/D採样以及处理功能整合至单一元件。

实际的测试流程则类似其他机板测试，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）–在颜色一电路通道中侦测到故障；
(4)所有LED开启（颜色二）–在颜色二电路通道中侦测到故障；
(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)反覆第(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量负责控制与驱动LED元件，与测试元件之间的协调运作。元件之间必须具备握手（handshaking）机制，确保测试元件瞭解目前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)显示一个可程式化的测试电路组态，这个元件是设计用来监控26个LED，并透过一个I2C介面与整个系统相连结。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元件。运用I2C介面让外部系统能研判任何测试的结果，以及每个LED的效能表现。
　

(图三)　可程式化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元件中。一般使用的连结埠扩充器可用来支援设计中的LED控制功能，元件中的类比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。由于元件必须支援控制与测试功能，虽然额外的针脚与软体复杂度将衍生出更多的硬体需求；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。