基于改進測試策略的數字電路板測試系統

陳 燦，王建業，王孔華，王 勇

（空軍工程大學防空反導學院，陜西西安710051）

基于改進測試策略的數字電路板測試系統

陳 燦，王建業，王孔華，王 勇

（空軍工程大學防空反導學院，陜西西安710051）

針對傳統的數字電路板測試系統存在體積大、性價比不高和通用性不強等問題，提出了基于改進測試策略的數字電路板測試系統。該測試系統是在傳統測試系統的基礎上融合邊界掃描技術改進了測試策略，既保證了功能測試又增強了系統的結構性測試。測試結果表明，改進的測試系統具有體積小、性價比高、通用性強和故障覆蓋率高等優點，對測試系統的發展有著重要的理論意義和實用價值。

測試系統；測試策略；邊界掃描；故障覆蓋率

0 引言

隨著微電子技術的快速發展，數字電路廣泛應用于社會生產生活的諸多領域，針對數字電路的測試系統也在不斷地發展完善。相關的研究狀況表明當前數字電路測試系統在朝著小型化、通用性和高速自動化等方向發展：賀喆等提出了一種小型化數字電路故障診斷系統［1］；張建東等提出了一種針對機載座艙面板控制模塊的通用測試系統［2］；黃現提出了一種FPGA高速自動化測試系統［3］，這些測試系統雖然在體積、通用性和測試速度等方面有著一定的改進，但是作為通用數字電路板測試系統來說是極不合適的。之所以不合適，是因為相對而言這些測試系統的體積依舊偏大，其測試對象也多是針對特定專業領域，因此通用性不強且價格昂貴。此外，當前數字電路的復雜性對測試系統的有著嚴格的要求，例如軍用數字電路板一般復雜性較高（大于3 000網絡節點），測試要求高（100%測試覆蓋率），這不僅對測試儀器的精度有著很高的要求，還得要保證較高的故障覆蓋率［4］。由于材料和工藝等方面的不斷改進，數字電路板的布局更加緊湊，加之SMT（表面貼裝技術）、MCM（多芯片組件）和BGA封裝等技術在集成電路中的應用，使得ICT（在線測試）等傳統測試方法不能有效地檢測開路故障、粘1或者粘0故障等缺陷性故障，從而導致相關的測試系統的故障覆蓋率降低。針對傳統測試系統及現有已改進的測試系統尚存在的問題，本文提出了基于改進測試策略的通用數字電路板測試系統。

1 PXI總線與傳統測試策略

數字電路測試技術不是單純的利用測試儀器對被測電路進行測量，而是對設計制造的數字電路進行測試分析、測試開發及測試施加等過程。數字電路測試分析過程如圖1所示。

圖1 數字電路測試分析過程Fig.1 Process of digital circuit test and analysis

1.1 PXI總線

設計一個滿足測試需求的自動測試系統時，選擇一種合適的標準總線，對于系統的各項技術要求有著很重要的影響。在數字電路板測試系統中被廣泛使用的標準總線主要有GPIB、VXI總線以及PXI總線，GPIB、VXI總線和PXI總線的一些基本性能指標如表1所示。

表1 GPIB、VXI總線和PXI總線性能比較Tab.1 Performance comparison between GPIB，VXI bus and PXI bus

由表1可知PXI總線和VXI總線在性能上明顯優于GPIB總線，因此要從PXI總線和VXI總線中選擇最合適的總線。性價比問題是測試系統開發的一項重要原則，與VXI相比PXI具有更好的價格優勢［5-7］，而且PXI總線儀器模塊尺寸更小，適用于體積小、易攜帶的測試系統。經綜合考慮各總線的性能后決定采用PXI總線作為數字電路板測試系統的標準總線。

PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，PCI總線在儀器儀表領域的擴展）總線是將PCI（Peripheral Component Interconnect，周邊元件擴展接口）總線擴展到儀器方面而推出的以個人計算機為基礎的高性能低價位的模塊儀器系統［2，3，8］。PXI繼承了CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect，緊湊型PCI）的機械規范和PCI總線優異的電氣規范，同時支持包括微軟公司的Microsoft Windows軟件在內的多種操作系統［3，5］。PXI總線的電氣結構如圖2所示。

圖2 PXI總線的電氣結構Fig.2 The electrical structure of PXI bus

1.2 傳統測試策略

數字電路板測試的目的是要保證數字電路板的電路結構和功能正確以及電路能正常工作。功能測試是廣泛運用于測試系統的測試方法，通過給數字電路板送入測試矢量并在響應點采集響應信號，并將所采集的測試響應信號與預期的理想響應作對比分析，以此判斷數字電路板是否實現正常的電路功能。

早期的數字電路板的復雜程度不高且產量較低，采用人工視覺檢視（Manual Visual Inspection，MVI）和功能測試就能滿足一般的測試需求。早期的小批量低復雜度的數字電路板測試策略如圖3所示。

圖3 早期的數字電路板測試策略Fig.3 Digital circuit board testing strategy early

隨著集成電路產業的快速發展，上述測試策略逐漸不適宜于結構和功能日益復雜的數字電路板的測試，傳統自動測試方法的出現在一段時期內有效地改善了這種局面。在傳統自動測試策略中采用最為廣泛的測試方法是在線測試（In-Circuit Test，ICT），該方法測試速度較快，測試一塊上千網絡節點的數字電路板（由DIP封裝的芯片和一般元器件構成的數字電路板）最多只需十幾秒，而且故障定位準確（可以定位到管腳級）［4］。采用在線測試技術的數字電路板的傳統自動測試策略如圖4所示。

圖4 數字電路板的傳統自動測試策略Fig.4 Traditional automatic testing strategy of digital circuit board

2 測試策略的改進與測試系統的實現

2.1 測試策略的改進

當前，數字電路板中大量采用SMT、MCM和BGA封裝等技術的集成電路（如當前數字電路板中大量使用的FPGA），而傳統自動測試方法對這些集成電路不能進行有效地測試。邊界掃描測試（BST，boundary scan test）技術的出現很好地解決了這一問題，邊界掃描是由聯合測試行動小組（JTAG）定義的，自上世紀八十年代開始，該測試方法日漸得到世界組織的廣泛認可，1990年2月IEEE標準化委員會采納了該方法，并在修改完善后頒布了“標準測試存取信道與邊界掃描結構”的IEEE1149.1標準［9］。邊界掃描測試（BST，boundary scan test）技術是掃描路徑技術在板級和系統級的測試上的擴展，對解決IC之間的互連線測試問題以及當前數字電路板測試難度增大問題有著重要的作用。邊界掃描的基本結構主要由測試訪問端口、TAP控制器、指令寄存器和數據寄存器（包括旁路寄存器、邊界掃描寄存器及器件標志寄存器）等部分組成。

根據對相關原理的深入研究，本文在功能測試的基礎上結合邊界掃描提出一種改進的測試策略用于測試系統設計，即利用邊界掃描測試代替傳統測試方法，其優點在于對目前大量使用SMT、MCM和BGA封裝等技術芯片的數字電路板進行測試時可以保證較高的故障覆蓋率，改進的數字電路板的測試策略如圖5所示。

考慮到邊界掃描測試技術中的簇測試對故障只能定位到邏輯簇相關整體，無法隔離到管腳甚至非邊界掃描結構芯片，為了保證高覆蓋率，可以采用少量的夾具、探筆等在內的測試設備進行測試。

圖5 改進的數字電路板測試策略Fig.5 Improvement of testing strategy of digital circuit board

2.2 測試系統的硬、軟件實現

數字電路板測試系統的硬件模塊構成如圖6所示。

圖6 測試系統的硬件構成Fig.6 Hardware structure of test system

該測試系統采用了模塊化設計思維，圖7中的PXI機箱、機箱內的控制模塊和功能模塊（根據實際需要可以增加星形觸發模塊）以及邊界掃描控制器模塊等均是由北京航天測控技術有限公司提供的，邊界掃描控制器模塊對應的邊界掃描測試開發系統也是采用的該公司提供的Scan Archon軟件平臺的Basic版本，PXI機箱內的控制和功能模塊都符合PXI總線規范，具體型號如下：

1）PXI機箱：AMC57103，該型號機箱是并采用300W的ATX電源供電的8槽高性能機箱；

2）PXI嵌入式控制器：AMC4160，該控制器能夠提供很高的計算處理能力，采用了可靠的電氣設計，同時此類控制器結構堅固緊湊，有著良好的機械性；

3）數字示波器模塊：AMC4335，該數字示波器模塊的模擬帶寬為20 MHz，它的采樣最高速率可以達到200 MSa/s；

4）數字萬用表模塊：AMC4311A；

5）數字I/O模塊：AMC4512，在測試系統設置了3塊該類型的數字I/O模塊，具有104個數字I/O通道；

6）開關模塊：AMC4610；

7）電壓/電流源模塊：AMC4401A；

8）任意波形發生器模塊：AMC4405；

9）定時/計數器模塊：AMC4307A；

10）邊界掃描控制器：AMC7103A。

測試系統的軟件部分是在LabWindows/CVI環境下完成的，該軟件是美國NI公司（美國國家儀器公司）在C語言的基礎上開發出的文本式編程的軟件開發環境，有著較高的靈活性且擁有著豐富的功能函數庫。

北京航天測控技術有限公司提供的邊界掃描測試軟件ScanArchon的Basic版本所支持的基本功能包括完整性測試、簇測試、存儲器測試和部分互連測試，支持Windows XP和Windows 7等操作系統。

3 測試結果與分析

數字電路板測試系統的軟、硬件平臺設計完成后，首先對整個測試系統進行自檢測以確保測試系統的搭建是否正確。然后對待測電路板進行邊界掃描測試，主要是通過構造掃描路徑完成完整性測試、邊界掃描結構芯片之間的互連測試和簇測試，進而檢測是否存在橋接故障、開路故障等缺陷性故障以及芯片間電路連接故障；最后對待測板進行功能測試，重點是對邊界掃描簇測試中邏輯簇部分的測試，準確定位故障點，從而完成整個測試過程。

現對一塊包含有FPGA芯片的數字電路板進行測試，可以測得FPGA芯片與PCB板之間焊接球脫落前后的測試結果如圖7和圖8所示（圖中A為測試系統采集到的待測數字電路板I/O端口的脈沖信號，B為測試系統施加的測試激勵信號）。

圖7 焊接球脫落前的測試波形Fig.7 Test waveform before welding ball off

功能測試定位該數字電路板中FPGA所占測試網絡節點（316個）占數字電路板總的測試網絡節點（973個）的32.48%。如果采用以ICT為代表的傳統測試系統，那么FPGA所占網絡節點的故障很難得到有效檢測，這就意味著改進的基于PXI總線的測試系統相較于以往的測試系統有著更高的故障覆蓋率。

圖8 焊接球脫落后的測試波形Fig.8 Test waveform after welding ball off

4 結論

本文提出了基于改進測試策略的數字電路板通用測試系統。該測試系統是在深入研究傳統測試策略的基礎上融合邊界掃描技術改進了數字電路板測試系統的測試策略，并采用模塊化思維和性能更好的成熟功能模塊來設計實現的。測試結果表明，改進的測試系統相較于傳統的數字電路板測試系統具有體積小、性價比高和通用性強等優點，同時保證了較高的故障覆蓋率，對于測試系統的發展有著重要的理論意義和實用價值。擬將LXI總線技術代替PXI總線技術運用于測試系統的改進中作為下一步研究方向，以便進一步提高測試系統的整體性能。

［1］賀喆，周劍奇，馬好東.基于PXI總線的小型化數字電路故障診斷系統設計方法研究［J］.計算機測量與控制，2010，18（2）：323-325.

［2］張建東，雷勇，張耀中，等.機載座艙面板控制模塊通用測試系統設計［J］.測控技術，2011，30（8）：94-97.

［3］黃現.基于PXI平臺的FPGA高速自動化測試系統設計［D］.上海：復旦大學，2013.

［4］堵鋒，曲偉.基于虛擬儀器與邊界掃描技術的電路板通用測試系統［J］.指揮控制與仿真，2008，30（6）：114-117.

［5］葉劍鋒.基于CycloneⅡ的PXI總線板卡設計與實現［D］.武漢：華中科學技術大學，2009.

［6］陳亮，曹興岡.基于PXI總線的電子裝備測試系統設計［J］.科學技術與工程，2011，33（11）：8243-8245.

［7］朱宏飛，楊光.基于PXI總線模塊的智能測試系統的設計［J］.計算機測量與控制，2013，21（11）：2912-2914.

［8］刁春敏.基于PXI和虛擬儀器的汽車發動機電控單元測試系統［D］.上海：上海交通大學，2010.

［9］龔銀水.基于FPGA邊界掃描單元的多芯片數字測試［D］.廣州：華南理工大學，2011.

Improved Testing Strategy for Digital Circuit Board Test System

CHEN Can，WANG Jianye，WANG Konghua，WANG Yong
（Air and Missile Defense Institute，Air Force Engineering University，Xi，an 710051，China）

Aimed at the problems of large size，low proportion，and poor generality of traditional digital circuit board test system，a digital circuit board test system based on improvement of testing strategy was put forward in this paper.The digital circuit board test system improved the testing strategy with boundary-scan architecture at the basic of the previous test equipment，which could ensure functional test and structural test.The test results showed that the test system had many advantages such as small size，high proportion，strong generality and high fault coverage.

test system；test strategy；boundary-scan；fault coverage

TP206.3

A

1008-1194（2015）05-0098-04

2015-03-25

陳燦（1990—），男，安徽毫州人，碩士研究生，研究方向：集成電路與武器系統運用。E-mail：584141261 @qq.com