基于邊界掃描的印制板可測試性分析研究

劉學杰，李 林，韓軍杰，王 為

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

為實現(xiàn)空空導(dǎo)彈先進的戰(zhàn)術(shù)指標，空空導(dǎo)彈信號處理電路板通常采用DSP，F(xiàn)PGA 等大規(guī)模數(shù)字集成電路，極大地提高了產(chǎn)品性能。但在科研試制過程中，發(fā)現(xiàn)DSP 和FPGA 因管腳多、間距密，一旦出現(xiàn)焊接故障，就有可能造成排故進度緩慢、排故成本高昂的后果，耽誤生產(chǎn)任務(wù)。通過邊界掃描技術(shù)，可以解決焊接故障難以找到的問題。

1 當前的電裝測試技術(shù)

目前在電裝測試領(lǐng)域中常用的技術(shù)種類有功能測試、在線測試、人工目視檢查、自動光學測試、自動X 射線測試等。

上述各測試技術(shù)優(yōu)缺點如下:功能測試一般通過連接器連線進行測試，優(yōu)點是可以完整的測出系統(tǒng)各部分的性能，缺點是耗費時間過長。在線測試的優(yōu)點是電氣缺陷測試，能夠有效地查找器件的功能不正常或錯值等，缺點是不能完整檢測電氣性能，且測試要求的節(jié)點數(shù)越多，所需要的夾具也越多，產(chǎn)品所需的費用也會快速增長，而且在線測試無法測試埋、盲孔和測試點太密集的情況。人工目視檢查一般只起輔助作用，而自動光學測試和自動X 射線測試受圖像識別算法所限，還不能完全滿足測試需求。

為保證測試效果，使得電路的測試覆蓋率達到80%以上。經(jīng)過反復(fù)分析，采用以邊界掃描技術(shù)為測試平臺的方案。

2 邊界掃描技術(shù)的原理

邊界掃描技術(shù)是一種可測試結(jié)構(gòu)技術(shù)，它模擬物理引腳對器件內(nèi)部進行的掃描測試。原理是通過在器件的管腳上增加移位寄存器，然后把這些移位寄存器連接起來，加上時鐘信號、掃描輸入和輸出端口以及測試方式選擇構(gòu)建成為邊界掃描通道。

邊界掃描結(jié)構(gòu)由四個基本單元組成:測試存取口、控制器、指令寄存器以及測試數(shù)據(jù)寄存器。其中測試存取口包括4 條測試總線:測試數(shù)據(jù)輸入(TDI)、測試數(shù)據(jù)輸出(TDO)、測試模式選擇(TMS)和測試時鐘輸入(TCK)。控制器是邊界掃描的核心部分，由TMS 調(diào)用測試邏輯，從TDI 加入的數(shù)據(jù)在時鐘的工作下可以在移位寄存器鏈中移動進行邊界掃描，通過檢測TDO 輸出的測試數(shù)據(jù)，以達到測試的目的。邊界掃描技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 邊界掃描技術(shù)原理

3 搭建測試平臺

3.1 硬件平臺搭建

所用的測試設(shè)備有:邊界掃描軟件Victory 和動態(tài)功能測試系統(tǒng)SPECTRUM 9100，其中9100 系統(tǒng)機柜內(nèi)含AI710，AI760，BI410，DI025，DI050 等板卡及矩陣開關(guān)、交流電源、電子負載等。印制板連接如下:

(1)FPGA 的工作模式是由M0，M1，M2 管腳來決定的，M0，M1，M2 為“101”時，工作模式為邊界掃描模式;“000”為正常工作模式。由于電路在正常工作狀態(tài)和邊掃測試狀態(tài)下，F(xiàn)PGA 管腳M0，M2 的置位不同，為避免使用機械開關(guān)，且為避免電烙鐵反復(fù)加熱致使電阻焊盤脫落，故電路圖決定采用“表貼電阻+跳帽”的方式進行置位選擇，即M0，M1，M2 正常工作狀態(tài)“000”通過100 Ω 表貼電阻置位;邊掃測試狀態(tài)“101”通過跳帽短路置位。M0，M1，M2 配置電路圖如圖2 所示。

(2)DSP 的EMU 管腳通過飛線接0;

(3)JTAG 口的TMS，TCK，TDI，TDO，TRST，GND 管腳通過飛線接測試矩陣開關(guān);

(4)板上數(shù)字電源VCC 和GND 通過飛線接外部電源。

3.2 軟件平臺搭建

使用的軟件為Victory 軟件，測試需要的文件和功能如下:

(1)DCD(. dcd)文件:用于邊掃測試鏈路描述;

(2)Access (.axp)文件:用于外部接口描述;

(3)Netlist (.cds)文件:用于電路網(wǎng)表建立;

(4)BSDL(. bsm)文件:用于有BSDL 模型的器件模型進行轉(zhuǎn)換;

(5)Char (.chr)文件:用于無BSDL 模型的器件建模。

4 通過邊界掃描發(fā)現(xiàn)的問題

DSP 和FPGA 組成的信息處理系統(tǒng)如圖3 所示，DSP 和FPGA 均為BGA 封裝，焊接難度較大，焊接后調(diào)試時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作不正常。測試中發(fā)現(xiàn)問題如下:

圖3 印制板圖

4.1 器件管腳短路

DSP 工作不正常，對DSP 進行邊界掃描測試發(fā)現(xiàn)兩器件管腳短路，見圖4。

圖4 器件管腳短路

RN8 的2 管腳和D4 器件的M25 管腳焊接時造成短路，將連接的錫膏去掉，DSP 信號工作正常。

4.2 管腳接到地上

FPGA 配置芯片工作不正常，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)ADR3 的腳接到地上，如圖5 所示。

圖5 管腳接到地上

U1 的6 管腳不應(yīng)接地，但焊接時接到地，將管腳與地斷開，此位置信號工作正常。

4.3 管腳被接到電源上

配置芯片工作不正常，經(jīng)邊界掃描后發(fā)現(xiàn)，U2 的43 腳被接到電源上，如圖6 所示。

圖6 管腳被接到電源上

U2 的43 管腳不應(yīng)接電源，但焊接時接到電源上，將管腳與電源斷開，此信號工作正常。

5 增加測試覆蓋率

通過邊界掃描測試發(fā)現(xiàn)了一些焊接問題，但測試覆蓋率只有60%。為了提高測試覆蓋率，可以采用下面的三種方法:

(1)器件的選擇

盡量選擇支持邊界掃描標準的器件，并從設(shè)備制造商得到準確的模型。

(2)邊界掃描鏈的搭建

將集成電路組成一個完整的掃描鏈路，將前一個邊界掃描器件的TDO 連接到后一個邊界掃描器件的TDI 上，組成一個掃描鏈路。

(3)簇測試

簇測試就是要將邊界掃描器件的輸出管腳和不支持邊界掃描器件的輸入管腳相連，再將不支持邊界掃描器件的輸出管腳和邊界掃描器件的輸入管腳相連，形成一個邊界掃描鏈。再通過掃描鏈上后面的邊界掃描器件將測試響應(yīng)串行輸出，并編程來控制邊界掃描器件的控制端。這樣可以達到提高測試覆蓋率的目的。簇測試的示意圖如圖7所示。

圖7 簇測試

簇測試中FPGA 以及配置芯片等邊界掃描模型可以從網(wǎng)上查到，電阻、電容、二三極管的模型在庫中調(diào)用，但其他器件如雙向驅(qū)動器、光耦、電源模塊等沒有模型，因此為提高測試覆蓋率，還需對不支持邊界掃描的器件建模。建模如下:

通過這種方法實質(zhì)上就是在不具有邊界掃描結(jié)構(gòu)的元器件和具有邊界掃描結(jié)構(gòu)的元器件之間建立了邊界掃描鏈，在掃描鏈上的不具有邊界掃描結(jié)構(gòu)的元器件兩端加上了虛擬的I/O 端口，提高了測試覆蓋率。

通過采用上述方法，增加了邊界掃描的測試覆蓋率，邊界掃描覆蓋率示意圖見圖8。

圖8 邊界掃描覆蓋率示意圖

通過圖8 可見整板線覆蓋率為84.7%，覆蓋率已經(jīng)大大提高。

6 結(jié) 論

邊界掃描技術(shù)能快速有效地檢測到焊接時造成的故障，例如兩相鄰的管腳互連，管腳接地和管腳接電源等問題。應(yīng)用邊界掃描技術(shù)可以迅速給出故障位置信息，大大提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

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