鄭永龍

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241007）

邊界掃描技術(shù)在電路板故障診斷中的應(yīng)用

鄭永龍

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241007）

現(xiàn)代飛機(jī)中使用的電路板大量采用集成度很高的IC，尤其是BGA器件。傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)無法進(jìn)行或者測試效率很低，并且測試的覆蓋率也不高，電路板調(diào)試工作極為困難，迫切需要一種高效的測試手段來解決硬件測試中遇到的難題。文章采用邊界掃描技術(shù)設(shè)計(jì)的電路板自動(dòng)測試設(shè)備（ATE）很好的解決了高性能電路板測試的難題。

自動(dòng)測試設(shè)備;BGA器件;邊界掃描

隨著微電子技術(shù)進(jìn)入超大規(guī)模集成電路時(shí)代，先進(jìn)的武器裝備中的電路越來越復(fù)雜，多層印制板、表面貼裝（SMT）、圓片規(guī)模集成（WSI）和多芯片模塊（MCM）在電路中的大量應(yīng)用，使電路的器件布局日益復(fù)雜;元器件的復(fù)雜的封裝、密集的管腳及因電路板小型化使印制線越來越細(xì)，給電路板的線路檢測和電路板故障的檢查和FLASH、CPLD、ISP（在線編程）造成困難。文章闡述了邊界掃描技術(shù)的原理以及優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于邊界掃描技術(shù)的PCB自動(dòng)測試設(shè)備。

1 邊界掃描技術(shù)的提出及應(yīng)用條件

邊界掃描測試是在20世紀(jì)80年代中期美國作為解決PCB物理訪問問題的JTAG接口發(fā)展起來的，是基于邊界掃描檢測技術(shù)的一套完整的解決方案，能在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、檢測和調(diào)試。通過配置TAP（Test Access Port）控制器及系統(tǒng)硬件，能夠自動(dòng)生成測試矢量（ATPG），支持在線程序調(diào)試，同時(shí)提供完善準(zhǔn)確的故障診斷數(shù)據(jù)及可靠的故障覆蓋率報(bào)告。因其具有測試速度最快（僅用3S即可完成測試）、測試覆蓋率最高（可實(shí)現(xiàn)100%檢測）、并能迅速準(zhǔn)確診斷找出故障點(diǎn)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在美國軍方武器系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、維修中得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)IEEE1149．1（JTAG）標(biāo)準(zhǔn)已應(yīng)用到了多數(shù)復(fù)雜器件中，如FPGA或CPLD，幾乎可以肯定這些硬件是通過JTAG端口來進(jìn)行配置、加載的。［1］JTAG端口在幾乎所有使用高性能數(shù)字器件的印刷電路板中都會(huì)出現(xiàn)，這就為采用基于邊界掃描技術(shù)來測試PCB提供了基本條件。

2 邊界掃描原理

邊界掃描技術(shù)是一種可測試結(jié)構(gòu)技術(shù)，它采用集成電路的內(nèi)部外圍所謂的“電子引腳”模擬傳統(tǒng)的在線測試的物理引腳對器件內(nèi)部進(jìn)行掃描測試。它是在芯片的引腳上增加移位寄存器，把這些寄存器連接起來，加上時(shí)鐘復(fù)位、測試方式選擇以及掃描輸入和輸出端口而形成邊界掃描通道。JTAG內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 JTAG內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

芯片內(nèi)部的邊界掃描寄存器既可“發(fā)送”信號(hào)至芯片的輸入引腳，也可以“捕獲”輸出管腳輸出的信號(hào)，并且對芯片的功能不產(chǎn)生任何影響。因此，可以借助邊界掃描寄存器來觀察和調(diào)試芯片管腳的信號(hào)。如果將芯片管腳的邊界掃描寄存器相互連接起來，就可以形成一個(gè)邊界掃描鏈，通過該掃描鏈可以測試芯片的完整性，如果將幾個(gè)芯片的掃描鏈連接起來，就可以測試芯片之間的互聯(lián)性。［2］

芯片內(nèi)部的邊界掃描邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。邊界掃描用于互聯(lián)測試如圖3所示。

圖2 邊界掃描邏輯結(jié)構(gòu)

圖3 邊界掃描用于互連測試

3 邊界掃描的優(yōu)點(diǎn)

邊界掃描的原理是通過邊界掃描鏈及邊界掃描指令，對具有邊界掃描功能的器件以及外圍的數(shù)字器件進(jìn)行置位并捕獲響應(yīng)，得到被測板的狀態(tài)。［3］其優(yōu)勢體現(xiàn)在：

（1）能準(zhǔn)確的測試印制板線路的開短路，并有效的解決了PCB板測試路點(diǎn)減少的問題（針對于物理探測點(diǎn)少）;使用邊界掃描產(chǎn)品，不需要PCB的電路板上測試點(diǎn)進(jìn)行模擬和測量，而僅用一片IC中的邊界掃描單元取代了以往的測試儀器，必要的測試信息僅僅通過一條4通道的測試總線就能完成從測試系統(tǒng)到邊界掃描IC之間的傳遞，克服了在線測試儀（ICT）的遺憾。

（2）可檢測印制電路板上芯片的焊接質(zhì)量（特別是BGA）。由此解決了武器裝備大規(guī)?！皵?shù)字信號(hào)模型”集成電路如BGA（球柵陣列結(jié)構(gòu)封裝）等芯片焊接到電路板上后的測試難題。

（3）在產(chǎn)品研發(fā)過程中，通過邊界掃描產(chǎn)品可以快速準(zhǔn)確的判斷故障點(diǎn)。更換器件后，可直接在電路板上對可編程芯片進(jìn)行編程（包括FLASH和CPLD等），這樣不僅縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，還節(jié)約了研發(fā)成本。

（4）邊界掃描產(chǎn)品通過內(nèi)部故障定位瀏覽器準(zhǔn)確的反應(yīng)了當(dāng)前的電路板的情況，無需輸入復(fù)雜的指令來進(jìn)行操作。

4 基于邊界掃描技術(shù)的電路板自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

4．1 自動(dòng)測試設(shè)備的軟件部分

測試軟件的開發(fā)工具為英國公司的XJTAG Development System。［4］系統(tǒng)軟件包含系統(tǒng)主程序、物理接口程序、硬件設(shè)置程序、實(shí)時(shí)采集程序、離線測試程序、自測試程序和數(shù)據(jù)管理程序，軟件組成框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件組成框圖

該測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程可以分為以下四個(gè)步驟：

（1）在軟件開發(fā)環(huán)境中建立系統(tǒng)板的工程，并建立器件庫文件;

（2）導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件（網(wǎng)表、布局圖等），并設(shè)定相應(yīng)規(guī)則，檢查測試覆蓋率;

（3）添加元器件進(jìn)行測試;

（4）對元器件進(jìn)行編程，并導(dǎo)出測試結(jié)果。

4．2 自動(dòng)測試設(shè)備的硬件部分

自動(dòng)測試設(shè)備的硬件部分包括一塊測試底板，一個(gè)JTAG適配器，一臺(tái)PC機(jī)。［5］每部分的作用如下：

（1）邊界掃描適配器，它可以提供一個(gè)或多個(gè)測試端口，按功能分為通信接口、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、TAP控制器、信號(hào)采集模塊、信號(hào)發(fā)生模塊和分頻模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 邊界掃描適配器結(jié)構(gòu)框圖

（2）測試板，提供測試電源以及測試激勵(lì)信號(hào)。先將邊界掃描適配器與被測板的JTAG端口相連，然后將被測板與測試板相連就可以進(jìn)行測試了，測試時(shí)間一般在幾十秒至幾分鐘不等，這主要由測試時(shí)鐘的速度、被測板的復(fù)雜度、測試覆蓋面等因素決定。圖7為自動(dòng)測試設(shè)備的硬件構(gòu)成。

圖7 自動(dòng)測試設(shè)備的硬件構(gòu)成

5 結(jié)論

當(dāng)前隨著航空電子產(chǎn)品的集成度越來越高，基于邊界掃描技術(shù)的板級(jí)維修領(lǐng)域的研究，一方面增加了電路板的可測試點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)板級(jí)的完整性測試，大大提高測試覆蓋率;另一方面可以縮短測試時(shí)間，以減少修理成本?？梢姡吔鐠呙杓夹g(shù)在軍用飛機(jī)修理中，對降低飛機(jī)裝備測試成本以及提高飛機(jī)性能方面都具有重要的研究意義。

［1］IEEE Std1149．1．IEEE Standard Test Access Port and Boundary Scan Architecture［S］．1990．

［2］陳光禹，潘中良．可測性設(shè)計(jì)技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，1997．

［3］李桂祥，楊江平，王隆剛．基于邊界掃描技術(shù)的板級(jí)設(shè)計(jì)及測試策略［J］．現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25（6）．

［4］楊成，史訓(xùn)中，查光東．機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)化檢測系統(tǒng)儀器無關(guān)性測試軟件的設(shè)計(jì)［J］．電光與控制，2002，9 （3）．

［5］張慶國，趙思宏，余書山．某型飛機(jī)激光測試儀的研究與設(shè)計(jì)［J］．電光與控制，2005，12（3）．

［編校：鄧桂萍］

Boundary Scan Technology’s Application in Board Fault Diagnosis

ZHENG Yonglong
（State－owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu Anhui 241007）

In modern aircraft，a large number of high integrated IC are used in PCB，especially BGA device．The traditional testmethod can’t be used or the efficacity is very low，and the test coverage is not high．The working of PCB debugging is extremely difficult．An efficient testingmeans to solve the problems encountering in the test hardware is urgently needed．Using automatic testequipment（ATE）in the boundary scan technique provides a good solution to a high performance PCB testing．

automatic test equipment;BGA device;boundary scan

TM930．12

A

1671－9654（2012）03－048－03

2012－09－10

鄭永龍（1983－），男，安徽池州人，助理工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)殡娐钒骞收显\斷。