隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備中越來越多的使用大規(guī)模可編程數(shù)字邏輯器件，如FPGA等。這種器件的使用提高了電子設(shè)備的性能，增加了可靠性，但是與此同時(shí)復(fù)雜的邏輯關(guān)系、電路板快速測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及應(yīng)用細(xì)密的引腳也給設(shè)備的維修帶來了巨大的壓力。維修人員無法通過探針來測量芯片引腳上的波形，而使用“針床”等專用測試平臺(tái)又需要付出很高的成本。電路板快速測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及應(yīng)用邊界掃描技術(shù)的誕生為這一問題提供了一個(gè)新的解決途徑。邊界掃描協(xié)議是聯(lián)合測試工作組(JTAG：Jointtestaction group)提出了，并于1990年形成了IEEE1149.1工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)通過設(shè)置在器件輸入輸出引腳與內(nèi)核電路之間的邊界掃描單元對器件及外圍電路進(jìn)行測試，從而提高了電路板的可測性。邊界掃描就像一根“虛擬探針”，能夠在不影響電路板正常工作的同時(shí)，采集芯片引腳的狀態(tài)信息，通過分析這些信息達(dá)到故障診斷功能。本文針對當(dāng)前復(fù)雜數(shù)字電路板快速測試難的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于邊界掃描的電路板測試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以對含有邊界掃描接口的復(fù)雜數(shù)字電路板進(jìn)行快速診斷，幫助維修人員進(jìn)行維修。

　　2、基于邊界掃描的電路板測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1設(shè)計(jì)需求

　　(1)對于包含邊界掃描接口的電路均可測試，用戶需根據(jù)實(shí)際情況自定義被測電路板JTAG掃描鏈結(jié)構(gòu)。

　　(2)既能在線對電路板上邊界掃描鏈路及接口信號(hào)進(jìn)行采集，又能在離線狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對電路板上模塊的測試功能。

　　(3)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、錄制、分析，預(yù)置系統(tǒng)觸發(fā)、停止條件的功能。

　　(4)對采集到的信號(hào)進(jìn)行快速分析，產(chǎn)生測試報(bào)告供維修人員使用。

　　2.2基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　該系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)邊界掃描適配器，兩者使用計(jì)算機(jī)并口相連。

　　使用該邊界掃描測試系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行電路板上掃描鏈的測試，確保掃描鏈正常。然后根據(jù)實(shí)際情況選擇進(jìn)行在線功能測試或者離線功能測試。在線功能測試即電路板不脫離設(shè)備，通過采集電路板內(nèi)邊界掃描單元及電路板接口的數(shù)據(jù)判斷電路板工作狀態(tài)和故障分布情況。此步驟適合于對電路板進(jìn)行快速診斷、快速維修時(shí)使用。離線功能測試即電路板脫離設(shè)備，在連接好電源后，由測試系統(tǒng)對電路板進(jìn)行信號(hào)加載，分模塊對整個(gè)電路進(jìn)行測試。此步驟適合于對故障電路板維修時(shí)使用。如果懷疑系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障，可以通過自測試進(jìn)行診斷。

　　2.3邊界掃描適配器設(shè)計(jì)

　　邊界掃描適配器采用Altera公司的EPM7128SLC84-15芯片作為控制器，負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)相連，上傳、下載測試數(shù)據(jù)和控制字，按時(shí)鐘產(chǎn)生邊界掃描控制時(shí)序及測試向量。芯片內(nèi)部按功能分應(yīng)包含通信接口、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2所示。

　　從計(jì)算機(jī)傳來的指令信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)通過通信接口分別保存在邊界掃描適配器內(nèi)部的寄存器中，然后適配器中的其它模塊如TAP控制器、信號(hào)采集模塊和信號(hào)發(fā)生模塊將依據(jù)指令寄存器中的指令字進(jìn)行相應(yīng)的工作，包括發(fā)送JTAG總線時(shí)序、移位、并行采集數(shù)據(jù)和并行發(fā)送數(shù)據(jù)等。采集的數(shù)據(jù)通過通信接口上傳給計(jì)算機(jī)以供分析時(shí)使用。分頻器用來產(chǎn)生各模塊工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。本文在MAX+PlusII環(huán)境下，使用VHDL語言對各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，頂層文件使用圖形輸入方式將各模塊連接起來。

　　2.4計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件采用VisualBasic6.0**編程語言開發(fā)，其主要功能是通過計(jì)算機(jī)并行端口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與邊界掃描適配器之間的實(shí)時(shí)通信，將指令信號(hào)和測試數(shù)據(jù)發(fā)送給邊界掃描適配器，同時(shí)將測試響應(yīng)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，并完成對數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)等操作。

　　(1)系統(tǒng)的軟件組成

　　系統(tǒng)軟件包含下列組件：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)庫管理程序。

　　系統(tǒng)主程序：顯示系統(tǒng)主界面，并與系統(tǒng)中其它模塊進(jìn)行切換。

　　物理接口模塊：控制計(jì)算機(jī)端口，負(fù)責(zé)從計(jì)算機(jī)端口讀取數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)發(fā)送到端口上。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)置模塊：設(shè)置系統(tǒng)的各種參數(shù)，包括掃描鏈路的結(jié)構(gòu)、芯片型號(hào)，同時(shí)進(jìn)行總線故障測試和內(nèi)部邊界掃描鏈測試，以驗(yàn)證掃描鏈路是否暢通。

　　在線測試模塊：使用外測試命令，對電路板上邊界掃描器件引腳以及電路板接口信號(hào)進(jìn)行采集、顯示與分析。

　　離線測試模塊：依次向電路板接口或者板上邊界掃描器件輸入激勵(lì)測試信號(hào)，觀察其響應(yīng)信號(hào)是否與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果一致，判斷板上連線、功能模塊是否正常。

　　自測試模塊：輸出系統(tǒng)自測試向量，觀察系統(tǒng)自響應(yīng)是否與標(biāo)準(zhǔn)一致，檢查系統(tǒng)是否工作正常。

　　數(shù)據(jù)庫管理模塊：保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)、測試向量、標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果等數(shù)據(jù)，用以查詢比較等操作。

　　(2)物理接口模塊

　　由于在VB中不能直接使用命令對計(jì)算機(jī)端口進(jìn)行操作，本文中選擇動(dòng)態(tài)鏈接庫inpout32.dll幫助系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對底層硬件的控制。在開發(fā)計(jì)算機(jī)端Windows應(yīng)用程序時(shí)只需在開發(fā)前將其驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)文件拷貝到計(jì)算機(jī)，并且在開發(fā)過程中注冊其動(dòng)態(tài)鏈接庫相應(yīng)的API函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)并行端口的應(yīng)用。本文物理接口模塊中引用了動(dòng)態(tài)連接庫中的兩個(gè)函數(shù)：Inp32和Out32用于并行端口的輸入和輸出，相關(guān)程序代碼如下所示。

　　寫入操作：Outadd,reg

　　讀出操作：reg=Inp(add)其中，add為寫入/讀出的地址，reg為寫入/讀出的數(shù)據(jù)。

　　(3)在線測試模塊在線測試模塊主要實(shí)現(xiàn)對掃描鏈信號(hào)的循環(huán)采集，同時(shí)將采集到的結(jié)果顯示在屏幕上。采集數(shù)據(jù)的同時(shí)對掃描鏈上信號(hào)的變化頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可預(yù)置中斷暫停條件，使用虛擬工具箱單獨(dú)顯示關(guān)鍵信號(hào)狀態(tài)，儲(chǔ)存采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號(hào)分析，生成報(bào)告表供維修人員使用。

　　(4)離線測試模塊離線測試模塊主要實(shí)現(xiàn)電路板單獨(dú)測試功能。用戶可選擇進(jìn)行自動(dòng)測試或是手動(dòng)測試。自動(dòng)測試時(shí)，系統(tǒng)將已生成的測試向量依次送入被測電路板，然后采集電路板響應(yīng)向量，將其與標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)進(jìn)行比較。手動(dòng)測試時(shí)，用戶可根據(jù)需要利用系統(tǒng)提供的工具手動(dòng)編寫測試向量，系統(tǒng)將一步步執(zhí)行用戶的指令。

　　3、故障分析策略

　　在邊界掃描測試系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)采集時(shí)，一般采集頻率較低。例如使用10MHz的時(shí)鐘對邊界掃描鏈上的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位輸出，如果掃描鏈上有500個(gè)單元，則采集數(shù)據(jù)頻率*高只能達(dá)到20KHz。而電路板上信號(hào)的脈寬有的很短，如何對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本系統(tǒng)主要采取下列兩個(gè)方法進(jìn)行分析。

　　如果掃描鏈的采集間隔遠(yuǎn)大于信號(hào)脈寬，系統(tǒng)可能很長時(shí)間無法采集到信號(hào)的變化，因此信號(hào)統(tǒng)計(jì)法需要運(yùn)行相當(dāng)?shù)臅r(shí)間才能保證分析的準(zhǔn)確性。

　　方法二：數(shù)據(jù)分析法

　　記錄采集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算每路信號(hào)之間的差異，著重觀察相同的信號(hào)，如全0、全1或者其它。出現(xiàn)全0、全1的引腳易發(fā)生呆滯故障，而出現(xiàn)信號(hào)的變化且采集信號(hào)完全相同的引腳易發(fā)生斷路故障。

　　上述兩種方法僅適合于對周期信號(hào)的分析。如果電路板某模塊的輸入輸出引腳上信號(hào)為單脈沖信號(hào),且脈寬較短，則在線測試很難采集到它們的脈沖。對于這類模塊電路的測試一般采用離線測試的方法人為輸入測試向量分析模塊輸出是否正常。

　　4、結(jié)論

　　通過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)對含邊界掃描器件(如FPGA等)電路板的在線測試、離線測試等功能，而且系統(tǒng)的體積小，測試時(shí)與電路板的連接線少，雖然由于測試點(diǎn)有限，不能提供100%的故障覆蓋率，但該系統(tǒng)仍能夠?yàn)榫S修人員對含邊界掃描器件電路板的快速維修提供有效支持。

　　本文作者**點(diǎn)是：將邊界掃描技術(shù)應(yīng)用在電路板快速測試系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的邊界掃描測試系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的故障分析策略進(jìn)行了討論研究，提出對周期信號(hào)采用信號(hào)統(tǒng)計(jì)法和數(shù)據(jù)分析法的故障分析策略。