尤 路

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38 研究所 合肥 230088)

0 引言

在高速串行通信中，設(shè)計(jì)者更傾向采用差分信號(hào)傳輸，相比于單端信號(hào)傳輸，它的抗干擾能力和故障容錯(cuò)能力強(qiáng)，而且失真度小。為了提高對(duì)差分互連與交流耦合信號(hào)的測(cè)試能力，2001年5月，Agilent公司和Cisco 公司成立了“特別工業(yè)工作組”開始起草用于高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)，2003年IEEE 計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)和測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過(guò)并公布了該標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 1149.6-2003。

該標(biāo)準(zhǔn)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)支持具有魯棒性的邊界掃描測(cè)試芯片，所測(cè)試的信號(hào)通道中允許使用差分信號(hào)交流耦合技術(shù)。它的目標(biāo)是提高IEEE 1149.1 的檢測(cè)能力，以保持快速準(zhǔn)確的檢測(cè)和診斷系統(tǒng)中和電路板上的互連缺陷。IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試同時(shí)適用于IEEE 1149.1 傳統(tǒng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和IEEE 1149.4 傳統(tǒng)模擬網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)在原IEEE 1149.1 基礎(chǔ)上擴(kuò)充了邊界掃描的描述語(yǔ)言(BSDL)，以支持新的測(cè)試模式。該標(biāo)準(zhǔn)制定的目的是為IC 的可測(cè)試性電路提供設(shè)計(jì)指南，當(dāng)這些IC包含差分信號(hào)，具有交流耦合特性時(shí)，可以方便地以更高的故障覆蓋率對(duì)其進(jìn)行板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。

1 IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)

1.1 概述

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)是一種結(jié)構(gòu)化的可測(cè)性設(shè)計(jì)方案，兼容IEEE 1149.1 數(shù)字電路邊界掃描測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)充了測(cè)試資源，彌補(bǔ)了它對(duì)高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)交流耦合、差分互連等測(cè)試能力的不足。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)字電路中的直流耦合互連部分，仍然采用IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行測(cè)試;而其中的交流耦合、差分互連部分，新標(biāo)準(zhǔn)則制訂了專用的交流外測(cè)試指令與測(cè)試結(jié)構(gòu)以滿足測(cè)試的要求。

圖1 差分驅(qū)動(dòng)雙單端接收

考慮到交流耦合差分互連與一般的直流耦合互連不同，在IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)中，推薦采用圖1所示的高速測(cè)試模型，這種方式克服了差分對(duì)中單管腳故障、共模噪聲等影響，最大限度地發(fā)揮了測(cè)試電路的效能，具有故障覆蓋能力強(qiáng)，對(duì)高速信號(hào)通道的性能影響小等特點(diǎn)。

圖2 高速數(shù)字邊界掃描器件基本結(jié)構(gòu)

1.2 高速數(shù)字邊界掃描器件的基本結(jié)構(gòu)

邊界掃描測(cè)試的實(shí)現(xiàn)需要帶有邊界掃描功能的器件支持，與IEEE 1149.1 一樣，IEEE 1149.6 也定義了器件外部配置的專用管腳，包括測(cè)試時(shí)鐘(Test Clock，TCK)、測(cè)試模式選擇(Test Mode Select，TMS)、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入(Test Data In，TDI)、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出(Test Data Out，TDO)與測(cè)試復(fù)位TRST*(Test Reset，TRST*，該管腳可選)。同時(shí)，器件內(nèi)核邏輯與外部I/O 管腳之間嵌入了邊界掃描單元，這些單元均具有移位寄存器的特征，在內(nèi)部依次串接后，首尾分別與測(cè)試管腳TDI和TDO 連接，形成一條芯片內(nèi)部的邊界掃描鏈，如圖2所示。高速數(shù)字邊界掃描器件的基本結(jié)構(gòu)通常包含:邊界掃描單元、TAP控制器、指令寄存器、指令譯碼器、旁路寄存器與其它用戶測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器等。若電路板上有多個(gè)邊界掃描器件，它們各自的掃描鏈則以菊花鏈形式連接，構(gòu)成一條更長(zhǎng)的邊界掃描鏈。當(dāng)測(cè)試進(jìn)行時(shí)，外部測(cè)試控制器將通過(guò)這條鏈向各器件串行移入測(cè)試指令與測(cè)試向量，并采集反饋的測(cè)試響應(yīng)，完成測(cè)試任務(wù)。

1.3 IEEE 1149.6 交流測(cè)試指令

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，兼容原來(lái)所有的測(cè)試指令，同時(shí)，為了滿足交流耦合、差分互連測(cè)試的需要，額外增加了兩條用于交流外測(cè)試的指令，即EXTEST_PULSE 和EXTEST_TRAIN。

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)提供的兩條新指令EXTEST_PULSE 和EXTEST_TRAIN 指令為交流測(cè)試模式指令，使用與IEEE 1149.1 相同的邊界掃描寄存器的數(shù)據(jù)和控制單元。這些指令用于生成和采集交流測(cè)試信號(hào)，主要用來(lái)調(diào)制測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)包含交流管腳的器件，測(cè)試數(shù)據(jù)將通過(guò)交流耦合通道進(jìn)行傳播，一般情況下都使用EXTEST_PULSE 指令，除非有特別要求才使用EXTEST_TRAIN 指令。

EXTEST_PULSE 指令是為交流管腳定義的新的測(cè)試功能，無(wú)論EXTEST_PULSE 指令何時(shí)有效，所有直流管腳都按IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的EXTEST 指令執(zhí)行。EXTEST_PULSE 指令使能交流管腳的信號(hào)通路邊沿檢測(cè)功能，交流管腳上測(cè)試接收器甚至在信號(hào)因交流耦合衰減時(shí)，也能重建驅(qū)動(dòng)器的原始波形。

圖3 EXTEST_PULSE 指令有效時(shí)的交流測(cè)試信號(hào)

2 基于IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試實(shí)例

目前一些大規(guī)模FPGA 均支持IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)，如Altera 公司的Cylone IV 系列和Stratix V 系列，Xilinx 公司的Virtex-6，Virtex-7 等，德州儀器(TI)公司的雙路1.5Gbps 緩沖器SCAN15MB200 和1.5Gbps LVDS 交叉點(diǎn)開關(guān)SCAN90CP02 也支持IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)，下面以SCAN90CP02 為例介紹IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程。

2.1 測(cè)試驗(yàn)證硬件的設(shè)計(jì)

DEMO 板主要由兩片SCAN90CP02 芯片構(gòu)成，如圖4所示。在差分、交流耦合互連網(wǎng)絡(luò)中插入了多個(gè)開關(guān)，可以設(shè)置互連中如驅(qū)動(dòng)器正/負(fù)端開路，接收器正/負(fù)端開路，終端匹配電容短路等多個(gè)故障。另一方面，在兩片芯片的掃描鏈中設(shè)置了兩個(gè)開關(guān)，既可以選擇對(duì)單/雙芯片進(jìn)行操作，也可以設(shè)置掃描鏈路故障;此外，借助于芯片本身具有的故障插入能力，還可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)器正/負(fù)端呆滯1 或呆滯0 故障。

圖4 差分/交流耦合邊界掃描鏈路

2.2 差分/交流耦合高速數(shù)字電路的測(cè)試

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的主要任務(wù)是解決差分/交流耦合高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的互連測(cè)試問(wèn)題，圖4所示電路中，差分/交流耦合互連在U1 的OUT1+、OUT1-與U2 的IN1+、IN1-之間，通過(guò)故障模擬電路可以模擬各種故障現(xiàn)象。交流互連測(cè)試流程與數(shù)字電路的互連測(cè)試流程相同，僅采用交流測(cè)試指令EXTEST_PULSE 指令。

1.正?；ミB交流測(cè)試

當(dāng)不設(shè)置任何故障的情況時(shí)，互連情況如圖5所示:

圖5 正?；ミB示意圖

測(cè)試開始時(shí)，首先通過(guò)PRELOAD 指令在OUT1測(cè)試驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)預(yù)裝0 或1 值，然后送入EXTEST_PULSE 指令。當(dāng)它有效時(shí)，OUT1 內(nèi)預(yù)裝的值將與全局交流測(cè)試信號(hào)相異或，送到驅(qū)動(dòng)器后TX+/-端將產(chǎn)生相應(yīng)的上升沿/下降沿，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 正?；ミB交流測(cè)試結(jié)果

2.TX+開路故障測(cè)試

TX+開路故障如圖6所示，測(cè)試結(jié)果如表2所示，RX+捕獲的值總與RX-的值一致，但是如果存在TX+與VDD 短路、TX+與GND 短路、RX+開路、TX-與RX+短路等故障，故障測(cè)試結(jié)果與該測(cè)試結(jié)果相同。

圖6 TX+開路故障示意圖

表2 TX+開路故障測(cè)試結(jié)果

3.TX-開路故障測(cè)試

TX-開路故障如圖7所示，測(cè)試結(jié)果如表3所示，RX+捕獲的值總與RX-的值一致，但是如果存在TX-與VDD 短路、TX-與GND 短路、RX-開路、TX+與RX-短路等故障，故障測(cè)試結(jié)果與該測(cè)試結(jié)果相同。

圖7 TX-開路故障示意圖

4.TX+與TX-短路故障測(cè)試

TX+與TX-短路故障如圖8所示，測(cè)試結(jié)果如表4所示，由于TX+與TX-短路，RX+與RX-接收到一個(gè)不穩(wěn)定的電平，經(jīng)測(cè)試接收器后，收到的數(shù)據(jù)也是不確定的，在此分別用V1、V2 和V3、V4 表示RX+和RX-內(nèi)捕獲的值，RX+與RX-短路故障測(cè)試結(jié)果與該測(cè)試結(jié)果相同。

圖8 TX+與TX-短路故障示意圖

?

表4 TX+與TX-短路故障測(cè)試結(jié)果

5.RX+與GND 短路故障測(cè)試

RX+與GND 短路故障如圖9所示，測(cè)試結(jié)果如表5所示，當(dāng)RX+與VDD 短路時(shí)，RX+與RX-將總是捕獲邏輯“0”，RX-與GND 短路故障測(cè)試結(jié)果與該測(cè)試結(jié)果相同。

圖9 RX+與GND 短路故障示意圖

表5 RX+與GND 短路故障測(cè)試結(jié)果

6.RX+與VDD 短路故障測(cè)試

RX+與VDD 短路故障如圖10所示，測(cè)試結(jié)果如表6所示，當(dāng)RX+與VDD 短路時(shí)，RX+與RX-將總是捕獲邏輯“1”。RX-與VDD 短路故障測(cè)試結(jié)果與該測(cè)試結(jié)果相同。

圖10 RX+與VDD 短路故障示意圖

表6 RX+與VDD 短路故障測(cè)試結(jié)果

7.耦合電容短路故障測(cè)試

表7 TX+與RX+的耦合電容短路故障測(cè)試結(jié)果

TX+的耦合電容短路故障如圖11所示，測(cè)試結(jié)果如表7所示，由測(cè)量結(jié)果可知RX+捕獲的值與RX-相同。此時(shí)TX+與RX+直流耦合，TX+端的信號(hào)幾乎無(wú)延時(shí)的到達(dá)RX+端。如果用EXTEST_PULSE 指令，RX+腳測(cè)試接收單元不能正確采樣信號(hào)的上升沿，使得測(cè)試無(wú)法進(jìn)行;如果用EXTEST 指令，測(cè)試接收單元的遲滯比較器將與參考直流電平比較，捕獲的值將覆蓋遲滯存儲(chǔ)器內(nèi)的初始值。應(yīng)用這種方法，測(cè)試前需用PRELOAD 指令在測(cè)試接收單元的遲滯存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)置初始值，從而檢測(cè)出耦合電容短路。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的研究，對(duì)高速差分耦合通道中的故障模式有了較為深刻的了解，隨著高速信號(hào)測(cè)試需求的逐漸增加，IEEE 1149.6 的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣，目前很多邊界掃描測(cè)試工具中已經(jīng)兼容了IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)試領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的融合，為數(shù)字電路高速通道的測(cè)試提供了一種簡(jiǎn)單有效的手段。

［1］譚劍波，尤路，黃新，張卿等，邊界掃描測(cè)試技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［2］“IEEE Standard for Boundary-Scan Testing of Advanced Digital Networks”，IEEE Standard 1149.6-2003，IEEE Standards Board，345 East 47th St.New York NY 10017，2003.

［3］尤路，譚劍波，夏勇.基于邊界掃描技術(shù)的通用測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).［J］合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(4):452-455.

［4］黃新，雷加，顏學(xué)龍.基于網(wǎng)絡(luò)的邊界掃描測(cè)試技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn).［J］計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(7):1476-1478+1482.

［5］Kenneth P.Parker.The Boundary-Scan Handbook Second Edition.KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS，2003.