基于邊界掃描的印制板可測(cè)試性分析研究

劉學(xué)杰，李 林，韓軍杰，王 為

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)空空導(dǎo)彈先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，空空導(dǎo)彈信號(hào)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(guò)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(jìn)度緩慢、排故成本高昂的后果，耽誤生產(chǎn)任務(wù)。通過(guò)邊界掃描技術(shù)，可以解決焊接故障難以找到的問(wèn)題。

1 當(dāng)前的電裝測(cè)試技術(shù)

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

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

為保證測(cè)試效果，使得電路的測(cè)試覆蓋率達(dá)到80%以上。經(jīng)過(guò)反復(fù)分析，采用以邊界掃描技術(shù)為測(cè)試平臺(tái)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(cè)試結(jié)構(gòu)技術(shù)，它模擬物理引腳對(duì)器件內(nèi)部進(jìn)行的掃描測(cè)試。原理是通過(guò)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(lái)，加上時(shí)鐘信號(hào)、掃描輸入和輸出端口以及測(cè)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(gè)基本單元組成:測(cè)試存取口、控制器、指令寄存器以及測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器。其中測(cè)試存取口包括4 條測(cè)試總線:測(cè)試數(shù)據(jù)輸入(TDI)、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出(TDO)、測(cè)試模式選擇(TMS)和測(cè)試時(shí)鐘輸入(TCK)。控制器是邊界掃描的核心部分，由TMS 調(diào)用測(cè)試邏輯，從TDI 加入的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的工作下可以在移位寄存器鏈中移動(dòng)進(jìn)行邊界掃描，通過(guò)檢測(cè)TDO 輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)，以達(dá)到測(cè)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(cè)試平臺(tái)

3.1 硬件平臺(tái)搭建

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

(1)FPGA 的工作模式是由M0，M1，M2 管腳來(lái)決定的，M0，M1，M2 為“101”時(shí)，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(cè)試狀態(tài)下，F(xiàn)PGA 管腳M0，M2 的置位不同，為避免使用機(jī)械開(kāi)關(guān)，且為避免電烙鐵反復(fù)加熱致使電阻焊盤(pán)脫落，故電路圖決定采用“表貼電阻+跳帽”的方式進(jìn)行置位選擇，即M0，M1，M2 正常工作狀態(tài)“000”通過(guò)100 Ω 表貼電阻置位;邊掃測(cè)試狀態(tài)“101”通過(guò)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(guò)飛線接0;

(3)JTAG 口的TMS，TCK，TDI，TDO，TRST，GND 管腳通過(guò)飛線接測(cè)試矩陣開(kāi)關(guān);

(4)板上數(shù)字電源VCC 和GND 通過(guò)飛線接外部電源。

3.2 軟件平臺(tái)搭建

使用的軟件為Victory 軟件，測(cè)試需要的文件和功能如下:

(1)DCD(. dcd)文件:用于邊掃測(cè)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(jìn)行轉(zhuǎn)換;

(5)Char (.chr)文件:用于無(wú)BSDL 模型的器件建模。

4 通過(guò)邊界掃描發(fā)現(xiàn)的問(wèn)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(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作不正常。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下:

圖3 印制板圖

4.1 器件管腳短路

DSP 工作不正常，對(duì)DSP 進(jìn)行邊界掃描測(cè)試發(fā)現(xiàn)兩器件管腳短路，見(jiàn)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(shí)造成短路，將連接的錫膏去掉，DSP 信號(hào)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(cè)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(shí)接到地，將管腳與地?cái)嚅_(kāi)，此位置信號(hào)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(shí)接到電源上，將管腳與電源斷開(kāi)，此信號(hào)工作正常。

5 增加測(cè)試覆蓋率

通過(guò)邊界掃描測(cè)試發(fā)現(xiàn)了一些焊接問(wèn)題，但測(cè)試覆蓋率只有60%。為了提高測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的器件，并從設(shè)備制造商得到準(zhǔn)確的模型。

(2)邊界掃描鏈的搭建

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

(3)簇測(cè)試

簇測(cè)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(gè)邊界掃描鏈。再通過(guò)掃描鏈上后面的邊界掃描器件將測(cè)試響應(yīng)串行輸出，并編程來(lái)控制邊界掃描器件的控制端。這樣可以達(dá)到提高測(cè)試覆蓋率的目的。簇測(cè)試的示意圖如圖7所示。

圖7 簇測(cè)試

簇測(cè)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(kù)中調(diào)用，但其他器件如雙向驅(qū)動(dòng)器、光耦、電源模塊等沒(méi)有模型，因此為提高測(cè)試覆蓋率，還需對(duì)不支持邊界掃描的器件建模。建模如下:

通過(guò)這種方法實(shí)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(cè)試覆蓋率。

通過(guò)采用上述方法，增加了邊界掃描的測(cè)試覆蓋率，邊界掃描覆蓋率示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 邊界掃描覆蓋率示意圖

通過(guò)圖8 可見(jiàn)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(cè)到焊接時(shí)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(wèn)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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