边界扫描技术在电路板故障诊断中的应用

2012-02-08 10:29郑永龙
长沙航空职业技术学院学报 2012年3期
关键词:自动测试框图电路板

郑永龙

(国营芜湖机械厂,安徽芜湖 241007)

边界扫描技术在电路板故障诊断中的应用

郑永龙

(国营芜湖机械厂,安徽芜湖 241007)

现代飞机中使用的电路板大量采用集成度很高的IC,尤其是BGA器件。传统的测试方法已经无法进行或者测试效率很低,并且测试的覆盖率也不高,电路板调试工作极为困难,迫切需要一种高效的测试手段来解决硬件测试中遇到的难题。文章采用边界扫描技术设计的电路板自动测试设备(ATE)很好的解决了高性能电路板测试的难题。

自动测试设备;BGA器件;边界扫描

随着微电子技术进入超大规模集成电路时代,先进的武器装备中的电路越来越复杂,多层印制板、表面贴装(SMT)、圆片规模集成(WSI)和多芯片模块(MCM)在电路中的大量应用,使电路的器件布局日益复杂;元器件的复杂的封装、密集的管脚及因电路板小型化使印制线越来越细,给电路板的线路检测和电路板故障的检查和FLASH、CPLD、ISP(在线编程)造成困难。文章阐述了边界扫描技术的原理以及优点,设计了一种基于边界扫描技术的PCB自动测试设备。

1 边界扫描技术的提出及应用条件

边界扫描测试是在20世纪80年代中期美国作为解决PCB物理访问问题的JTAG接口发展起来的,是基于边界扫描检测技术的一套完整的解决方案,能在产品的整个生命周期内对产品进行设计、检测和调试。通过配置TAP(Test Access Port)控制器及系统硬件,能够自动生成测试矢量(ATPG),支持在线程序调试,同时提供完善准确的故障诊断数据及可靠的故障覆盖率报告。因其具有测试速度最快(仅用3S即可完成测试)、测试覆盖率最高(可实现100%检测)、并能迅速准确诊断找出故障点等独特优点在美国军方武器系统研发、生产、维修中得到了广泛的应用。

现IEEE1149.1(JTAG)标准已应用到了多数复杂器件中,如FPGA或CPLD,几乎可以肯定这些硬件是通过JTAG端口来进行配置、加载的。[1]JTAG端口在几乎所有使用高性能数字器件的印刷电路板中都会出现,这就为采用基于边界扫描技术来测试PCB提供了基本条件。

2 边界扫描原理

边界扫描技术是一种可测试结构技术,它采用集成电路的内部外围所谓的“电子引脚”模拟传统的在线测试的物理引脚对器件内部进行扫描测试。它是在芯片的引脚上增加移位寄存器,把这些寄存器连接起来,加上时钟复位、测试方式选择以及扫描输入和输出端口而形成边界扫描通道。JTAG内部结构图如图1所示。

图1 JTAG内部结构图

芯片内部的边界扫描寄存器既可“发送”信号至芯片的输入引脚,也可以“捕获”输出管脚输出的信号,并且对芯片的功能不产生任何影响。因此,可以借助边界扫描寄存器来观察和调试芯片管脚的信号。如果将芯片管脚的边界扫描寄存器相互连接起来,就可以形成一个边界扫描链,通过该扫描链可以测试芯片的完整性,如果将几个芯片的扫描链连接起来,就可以测试芯片之间的互联性。[2]

芯片内部的边界扫描逻辑结构如图2所示。边界扫描用于互联测试如图3所示。

图2 边界扫描逻辑结构

图3 边界扫描用于互连测试

3 边界扫描的优点

边界扫描的原理是通过边界扫描链及边界扫描指令,对具有边界扫描功能的器件以及外围的数字器件进行置位并捕获响应,得到被测板的状态。[3]其优势体现在:

(1)能准确的测试印制板线路的开短路,并有效的解决了PCB板测试路点减少的问题(针对于物理探测点少);使用边界扫描产品,不需要PCB的电路板上测试点进行模拟和测量,而仅用一片IC中的边界扫描单元取代了以往的测试仪器,必要的测试信息仅仅通过一条4通道的测试总线就能完成从测试系统到边界扫描IC之间的传递,克服了在线测试仪(ICT)的遗憾。

(2)可检测印制电路板上芯片的焊接质量(特别是BGA)。由此解决了武器装备大规模“数字信号模型”集成电路如BGA(球栅阵列结构封装)等芯片焊接到电路板上后的测试难题。

(3)在产品研发过程中,通过边界扫描产品可以快速准确的判断故障点。更换器件后,可直接在电路板上对可编程芯片进行编程(包括FLASH和CPLD等),这样不仅缩短了产品研发周期,还节约了研发成本。

(4)边界扫描产品通过内部故障定位浏览器准确的反应了当前的电路板的情况,无需输入复杂的指令来进行操作。

4 基于边界扫描技术的电路板自动测试系统的设计

该测试系统分为硬件和软件两个部分,其整体结构框图如图4所示。

图4 测试系统的基本结构框图

4.1 自动测试设备的软件部分

测试软件的开发工具为英国公司的XJTAG Development System。[4]系统软件包含系统主程序、物理接口程序、硬件设置程序、实时采集程序、离线测试程序、自测试程序和数据管理程序,软件组成框图如图5所示。

图5 系统软件组成框图

该测试系统的软件开发流程可以分为以下四个步骤:

(1)在软件开发环境中建立系统板的工程,并建立器件库文件;

(2)导入设计文件(网表、布局图等),并设定相应规则,检查测试覆盖率;

(3)添加元器件进行测试;

(4)对元器件进行编程,并导出测试结果。

4.2 自动测试设备的硬件部分

自动测试设备的硬件部分包括一块测试底板,一个JTAG适配器,一台PC机。[5]每部分的作用如下:

(1)边界扫描适配器,它可以提供一个或多个测试端口,按功能分为通信接口、指令寄存器、数据寄存器、TAP控制器、信号采集模块、信号发生模块和分频模块,结构框图如图6所示。

图6 边界扫描适配器结构框图

(2)测试板,提供测试电源以及测试激励信号。先将边界扫描适配器与被测板的JTAG端口相连,然后将被测板与测试板相连就可以进行测试了,测试时间一般在几十秒至几分钟不等,这主要由测试时钟的速度、被测板的复杂度、测试覆盖面等因素决定。图7为自动测试设备的硬件构成。

图7 自动测试设备的硬件构成

5 结论

当前随着航空电子产品的集成度越来越高,基于边界扫描技术的板级维修领域的研究,一方面增加了电路板的可测试点,以实现板级的完整性测试,大大提高测试覆盖率;另一方面可以缩短测试时间,以减少修理成本。可见,边界扫描技术在军用飞机修理中,对降低飞机装备测试成本以及提高飞机性能方面都具有重要的研究意义。

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

[2]陈光禹,潘中良.可测性设计技术[M].北京:电子工业出版社,1997.

[3]李桂祥,杨江平,王隆刚.基于边界扫描技术的板级设计及测试策略[J].现代雷达,2003,25(6).

[4]杨成,史训中,查光东.机载电子设备自动化检测系统仪器无关性测试软件的设计[J].电光与控制,2002,9 (3).

[5]张庆国,赵思宏,余书山.某型飞机激光测试仪的研究与设计[J].电光与控制,2005,12(3).

[编校:邓桂萍]

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

郑永龙(1983-),男,安徽池州人,助理工程师,工学硕士,研究方向为电路板故障诊断。

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