邊界掃描技術在電路板故障診斷中的應用

鄭永龍

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241007）

邊界掃描技術在電路板故障診斷中的應用

鄭永龍

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241007）

現代飛機中使用的電路板大量采用集成度很高的IC，尤其是BGA器件。傳統的測試方法已經無法進行或者測試效率很低，并且測試的覆蓋率也不高，電路板調試工作極為困難，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設計的電路板自動測試設備（ATE）很好的解決了高性能電路板測試的難題。

自動測試設備;BGA器件;邊界掃描

隨著微電子技術進入超大規模集成電路時代，先進的武器裝備中的電路越來越復雜，多層印制板、表面貼裝（SMT）、圓片規模集成（WSI）和多芯片模塊（MCM）在電路中的大量應用，使電路的器件布局日益復雜;元器件的復雜的封裝、密集的管腳及因電路板小型化使印制線越來越細，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的原理以及優點，設計了一種基于邊界掃描技術的PCB自動測試設備。

1 邊界掃描技術的提出及應用條件

邊界掃描測試是在20世紀80年代中期美國作為解決PCB物理訪問問題的JTAG接口發展起來的，是基于邊界掃描檢測技術的一套完整的解決方案，能在產品的整個生命周期內對產品進行設計、檢測和調試。通過配置TAP（Test Access Port）控制器及系統硬件，能夠自動生成測試矢量（ATPG），支持在線程序調試，同時提供完善準確的故障診斷數據及可靠的故障覆蓋率報告。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（可實現100%檢測）、并能迅速準確診斷找出故障點等獨特優點在美國軍方武器系統研發、生產、維修中得到了廣泛的應用。

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

2 邊界掃描原理

邊界掃描技術是一種可測試結構技術，它采用集成電路的內部外圍所謂的“電子引腳”模擬傳統的在線測試的物理引腳對器件內部進行掃描測試。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，加上時鐘復位、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內部結構圖如圖1所示。

圖1 JTAG內部結構圖

芯片內部的邊界掃描寄存器既可“發送”信號至芯片的輸入引腳，也可以“捕獲”輸出管腳輸出的信號，并且對芯片的功能不產生任何影響。因此，可以借助邊界掃描寄存器來觀察和調試芯片管腳的信號。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，如果將幾個芯片的掃描鏈連接起來，就可以測試芯片之間的互聯性。［2］

芯片內部的邊界掃描邏輯結構如圖2所示。邊界掃描用于互聯測試如圖3所示。

圖2 邊界掃描邏輯結構

圖3 邊界掃描用于互連測試

3 邊界掃描的優點

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字器件進行置位并捕獲響應，得到被測板的狀態。［3］其優勢體現在：

（1）能準確的測試印制板線路的開短路，并有效的解決了PCB板測試路點減少的問題（針對于物理探測點少）;使用邊界掃描產品，不需要PCB的電路板上測試點進行模擬和測量，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量（特別是BGA）。由此解決了武器裝備大規模“數字信號模型”集成電路如BGA（球柵陣列結構封裝）等芯片焊接到電路板上后的測試難題。

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

（4）邊界掃描產品通過內部故障定位瀏覽器準確的反應了當前的電路板的情況，無需輸入復雜的指令來進行操作。

4 基于邊界掃描技術的電路板自動測試系統的設計

該測試系統分為硬件和軟件兩個部分，其整體結構框圖如圖4所示。

圖4 測試系統的基本結構框圖

4．1 自動測試設備的軟件部分

測試軟件的開發工具為英國公司的XJTAG Development System。［4］系統軟件包含系統主程序、物理接口程序、硬件設置程序、實時采集程序、離線測試程序、自測試程序和數據管理程序，軟件組成框圖如圖5所示。

圖5 系統軟件組成框圖

該測試系統的軟件開發流程可以分為以下四個步驟：

（1）在軟件開發環境中建立系統板的工程，并建立器件庫文件;

（2）導入設計文件（網表、布局圖等），并設定相應規則，檢查測試覆蓋率;

（3）添加元器件進行測試;

（4）對元器件進行編程，并導出測試結果。

4．2 自動測試設備的硬件部分

自動測試設備的硬件部分包括一塊測試底板，一個JTAG適配器，一臺PC機。［5］每部分的作用如下：

（1）邊界掃描適配器，它可以提供一個或多個測試端口，按功能分為通信接口、指令寄存器、數據寄存器、TAP控制器、信號采集模塊、信號發生模塊和分頻模塊，結構框圖如圖6所示。

圖6 邊界掃描適配器結構框圖

（2）測試板，提供測試電源以及測試激勵信號。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行測試了，測試時間一般在幾十秒至幾分鐘不等，這主要由測試時鐘的速度、被測板的復雜度、測試覆蓋面等因素決定。圖7為自動測試設備的硬件構成。

圖7 自動測試設備的硬件構成

5 結論

當前隨著航空電子產品的集成度越來越高，基于邊界掃描技術的板級維修領域的研究，一方面增加了電路板的可測試點，以實現板級的完整性測試，大大提高測試覆蓋率;另一方面可以縮短測試時間，以減少修理成本。可見，邊界掃描技術在軍用飛機修理中，對降低飛機裝備測試成本以及提高飛機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．可測性設計技術［M］．北京：電子工業出版社，1997．

［3］李桂祥，楊江平，王隆剛．基于邊界掃描技術的板級設計及測試策略［J］．現代雷達，2003，25（6）．

［4］楊成，史訓中，查光東．機載電子設備自動化檢測系統儀器無關性測試軟件的設計［J］．電光與控制，2002，9 （3）．

［5］張慶國，趙思宏，余書山．某型飛機激光測試儀的研究與設計［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，工學碩士，研究方向為電路板故障診斷。