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医疗设备电路板维修
史 鑫
(北京友谊医院 医工部，北京100050)
[中图分类号]TH789 [文献标识码]B [文章编号]1002—2376 (2011)05—0053—03
医疗设备维修中，厂家或其维修站多采取板级维修方式。设备发生了故障，厂家工程师运行诊断程序找出故障电路板进行更换，修复故障。这种方式称为板级维修或换板，而有故障的电路板则发回公司本土的工厂进行修复。这种维修方式对于医院来说维修费用负担沉重。
对电路板进行维修属于深层次维修，具有一定难度，其技术性含量高，要求具备一定条件。现在很多设备都采用了FPGA、CPLD这类可编程器件。维修用仪器应当前医疗设备发展水平相适应，像过去那种使用电烙铁、万用表、普通示波器、器件离线测试的方法已不能胜任电路板元件级维修的需求，采用新型维修仪器设备，对电路板元件级维修
才能提供有力支持。首先要排除电源、显示器、输入输出设备的故障后，再考虑电路板的故障。可以使用设备自带的诊断程序测试，也可以使用替换的方式，确定有故障的电路板。
需要对电路板进行维修时，几个必要的步骤，会使维修工作事半功倍。
1 电路板上电源的维修
对电路板进行维修时，首先要确定是否为板上电源的故障。当确定是哪块电路板的故障时，有些机器可以使用延长板进行测试，但在大多数情况下是需要将电路板拆卸下来进行测试和维修的。因为如果想使用原机器电源，则可能会面临需要将其他的电路板供电都切断或者连接线不够长这类尴尬的问题。这就要求能为电路板提供符合要求的电源。因此，需要具备合适的电源条件。
(1)电源的准备。
为电路板的提供电源要能够对电路板加上有保护，有限制流电流电压设定的高精度直流电源。高精度直流电源要求低涟波和低噪音，具有高分辨率及精度。支持USB／RS232／GPIB通讯高精度和高速率输出，则可通过计算机进行软件监控，可按照程序所编的电压电流值输出，最好可以串并联使用。高精度的电源一般需要每年测试校准一次。因为电路板价值很高，首先要确保不增加故障。拆下来的电路板是有故障的，有可能会出现过压或过流的情况，所以一定要有限制电压限制电流的保护。使用高精度直流电源前，首先要测量电路板电源输入端是否有短路，有高精度毫欧姆表会更方便，可以测试电路板上的短路点。若有短路则需排除后在进行电路板测试，否则可能会烧毁高精度直流电源。有些电路板电源电流很大，能达到十几甚至几十安培，因此电源与电路板连接需专用粗铜导线且接头要压紧压实，避免产生电火花烧毁电路板或高精度电源。
(2)对电路板的用电电流进行准确的测量。
当电路板电流很大时，应该对电路板的用电电流进行准确的测量。一般为了安全且不影响电路板本身的运行，采用钳形电流表(交、直流)来测试用电电流。
(3)对电路板做热成像
如果有热像仪的帮助，维修中许多问题会变得容易许多。对电路板进行热成像是维修中，是比较简便的方法。当电路板通电后，通过红外成像，可以对电路板的热量分布一目了然，从而快速判断出最有可能出现问题元件。
设备在设计时已经考虑了热量分布的问题，一般不会有热量非常不均匀的情况。因此如果发现有某一部分温度异常升高，基本可以确定这里有问题。如果能在工作中，使用热像仪经常将正常的电路板的图像记录下来，当机器出现问题时取出对照，就能够非常迅速的找到问题。对维修工帮助会非常大。但这需要平时积累大量的一手资料。
2 电路板的测试
(1)加相对应的时钟脉冲和复位脉冲在能为电路板提供合适的的电源后，就可以进一步对电路板进行测试了。但电路板只有电源支持是远远不够的。首先要能为电路板提供时钟脉冲。现在大多数医疗仪器的电路板都是有时钟脉冲，它是整个系统的时间工作基准，根据时钟脉冲来一步步进行工作的。如果电路板本身有脉冲发生电路，那就可以进行测试了，但如果时钟脉冲是由其他电路板提供的，那就需要我们自己来为电路板提供时钟脉冲。脉冲发生器是较好的选择。脉冲发生器价格不菲，我们可以自己制作一些简单的脉冲发生电路。例如可以使用555电路搭建电路。能根据要求调节频率使用起来会更得心应手。
一般医疗设备上电后，会首先对机器的各部分进行复位，然后进行自检，再进入工作状态。所以复位脉冲也是电路板进入正常工作状态所要求的。复位电路一般需要自己搭建电路，人为触发。也可以利用已有设备的触发脉冲功能。现在有不少测试设备混合了多种功能，有一些高级的示波器就有脉冲发生和触发功能。
(2)对电路中的各测量点能够用逻辑分析仪和高级多通道示波器进行测量和记录。测试是维修的基础。首先通过测试确定问题所在，才能进行维修。但不论是加上相对应的时钟脉冲和复位电路，还是对电路中的各测量点能够用逻辑分析仪和高级多通道示波器进行测量和记录。进行元件级维修，首先要尽可能的利用彩超设备提供的诊断软件、原理框图、逻辑电路图、信号流程图、测试点及故障状态指示灯去确定故障电路板和缩小或确定板上的故障范围或器件。要了解故障电路板上集成电路的功能、主要用途、基本线路原理、电路芯片及器件的技术参数，信号流程及在正常的状态下各测试参考点的逻辑电平、波形等。手边应备有相关集成芯片及器件的技术手册。
使用示波器是元件级维修的基本要求，能对逻辑分析仪熟练使用就可以在维修上前进一大步。
一般医疗设备提供的诊断软件均能诊断到电源、信号采集转换、图像处理、发射接收部分等子系统的功能单元的故障，明确提示错误信息，供维修参考。但要进一步找到具体的故障芯片或器件还要颇费一番周折。电路板上的故障现象千变万化，各不相同，但归纳起来不外乎以下几类：集成电路及阻容元件性能变差、性能不稳定、功能失效；芯片及器件引脚的虚焊、虚接、开路；芯片及器件的击穿短路、引脚互碰等都会导致电路板不能正常运行工作。要依故障情况进行具体分析。
(3)对FPGA的超大规模集成电路进行边界扫描及测量
随着电子技术的不断发展，电子设备中越来越多的使用大规模可编程数字逻辑器件，如FPGA等。这种器件的使用提高了电子设备的性能，增加了可靠性，但是与此同时复杂的逻辑关系、细密的引脚也给设备的维修带来了巨大的压力。芯片封装技术的发展，特别是表面贴装技术(SMT)的发展给传统针床测试带来很多困难。维修人员无法通过探针来测量芯片引脚上的波形，而使用“针床”等专用测试平台又需要付出很高的成本。边界扫描技术的诞生为这一问题提供了一个新的解决途径。边界扫描协议是联合测试工作组(JTAG：Joint test action group)提出了，并于1990年形成了IEEE 1149．1工业标准。该标准通过设置在器件输入输出引脚与内核电路之间的边界扫描单元对器件及外围电路进行测试，从而提高了电路板的可测性。边界扫描就像一根“虚拟探针”，能够在不影响电路板正常工作的同时，采集芯片引脚的状态信息，通过分析这些信息达到故障诊断功能。
维修也遇到同样的问题，现在大多数电路板都使用了FPGA、CPLD等大规模可编程数字逻辑器件，这些芯片的出现就要求我们能够使用边界扫描测试系统进行测试判断和维修。
(1)边界扫描原理
IEEE 1149．1标准规定了一个四线串行接口(第五条线是可选的)，该接口称作测试访问端口(TAP)，用于访问复杂的集成电路(IC)，例如微处理器、DSP、ASIC和CPLD。除了TAP之外，混合IC也包含移位寄存器和状态机，以执行边界扫描功能。在TDI(测试数据输人)引线上输人到芯片中的数据存储在指令寄存器中或一个数据寄存器中。串行数据从TDO (测试数据输出)引线上离开芯片。边界扫描逻辑由TCK (测试时钟)上的信号计时，而且TMS(测试模式选择)信号驱动TAP控制器的状态。TRST(测试重置)是可选项。在PCB上可串行互连多个可兼容扫描功能的Ic，形成一个或多个扫描链，每一个链都由其自己的TAP。每一个扫描链提供电气访问，从串行TAP接口到作为链的一部分的每一个IC上的每一个引线。在正常的操作过程中，IC执行其预定功能，就好像边界扫描电路不存在。但是，当为了进行测试或在系统编程而激活设备的扫描逻辑时，数据可以传送到Ic中，并且使用串行接口从IC中读取出来。这样数据可以用来激活设备核心，将信号从设备引线发送到PCB上，读出PCB的输入引线并读出设备输出。
(2)边界扫描测试
边界扫描测试技术将测试电路设置在集成电路芯片内部，其中包含连接在元器件的边界引脚和核心逻辑之间的边界扫描单元。除了与封装引脚和芯片的工作逻辑相连外，边界扫描单元也串行互联，形成一个移位寄存器链。在芯片的正常工作情况下，它是透明的和停止运行的。测试模式下，元器件的边界引脚以及内核逻辑可以通过边界扫描单元进行控制和观察，不需要其它测试设备。
图1 边界扫描芯片的内部结构
图1 边界扫描电路板的内部逻辑结构
对应芯片的边界扫描工具软件都可以找到。在对电路板上FPGA芯片和可测链路上其他芯片，以及这些芯片内部寄存器和它们之间的连接的了解的基础上，可以编程测试。通过测试可以确定故障芯片。
3 对电路板上的元件进行更换
当确定了有问题的元件或芯片后，就需要对故障元件进行更换。早期的分立元件可以用电烙铁、吸锡器进行拆卸和安装。后来的表面贴装元件可以使用热风机进行拆卸和安装。但大规模集成电路使用的封装方式越来越小型化，BGA这类封装方式应用后，以前使用的电烙铁，热风机在很多时候，已经显得无能为力了。
BGA是一种典型芯片封装形式，也越来越多地应用到电脑主板、手机主板、MP3／MP4主板等等我们身边的产品中。医疗设备中也已经大量使用。作为一种新型的芯片封装技术，BGA的返修也同样面临着一个新的挑战。对BGA的电子元件可用采取回流焊技术的BGA返修台进行更换。如果有条件最好使用带有光学对位的BGA返修台。对电路板上的元件更换后，还应进行仔细的测试，以保证医疗设备的安全正常工作。
[参考文献][1]用边界扫描工具检测FPGA芯片，David George[J]．电子设计技术EDN China，1994．11．51—54．
[2]板载FPGA芯片的边界扫描测试设计，雷沃妮，现代雷达[J]．2006年．第28卷，第1期，76—78．
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