陳 燦，王建業(yè)，王孔華，王 勇

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安710051）

基于改進(jìn)測試策略的數(shù)字電路板測試系統(tǒng)

陳 燦，王建業(yè)，王孔華，王 勇

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安710051）

針對傳統(tǒng)的數(shù)字電路板測試系統(tǒng)存在體積大、性價比不高和通用性不強(qiáng)等問題，提出了基于改進(jìn)測試策略的數(shù)字電路板測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)是在傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上融合邊界掃描技術(shù)改進(jìn)了測試策略，既保證了功能測試又增強(qiáng)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性測試。測試結(jié)果表明，改進(jìn)的測試系統(tǒng)具有體積小、性價比高、通用性強(qiáng)和故障覆蓋率高等優(yōu)點(diǎn)，對測試系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的理論意義和實(shí)用價值。

測試系統(tǒng)；測試策略；邊界掃描；故障覆蓋率

0 引言

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字電路廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域，針對數(shù)字電路的測試系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展完善。相關(guān)的研究狀況表明當(dāng)前數(shù)字電路測試系統(tǒng)在朝著小型化、通用性和高速自動化等方向發(fā)展：賀喆等提出了一種小型化數(shù)字電路故障診斷系統(tǒng)［1］；張建東等提出了一種針對機(jī)載座艙面板控制模塊的通用測試系統(tǒng)［2］；黃現(xiàn)提出了一種FPGA高速自動化測試系統(tǒng)［3］，這些測試系統(tǒng)雖然在體積、通用性和測試速度等方面有著一定的改進(jìn)，但是作為通用數(shù)字電路板測試系統(tǒng)來說是極不合適的。之所以不合適，是因?yàn)橄鄬Χ赃@些測試系統(tǒng)的體積依舊偏大，其測試對象也多是針對特定專業(yè)領(lǐng)域，因此通用性不強(qiáng)且價格昂貴。此外，當(dāng)前數(shù)字電路的復(fù)雜性對測試系統(tǒng)的有著嚴(yán)格的要求，例如軍用數(shù)字電路板一般復(fù)雜性較高（大于3 000網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)），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(jìn)，數(shù)字電路板的布局更加緊湊，加之SMT（表面貼裝技術(shù)）、MCM（多芯片組件）和BGA封裝等技術(shù)在集成電路中的應(yīng)用，使得ICT（在線測試）等傳統(tǒng)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(dǎo)致相關(guān)的測試系統(tǒng)的故障覆蓋率降低。針對傳統(tǒng)測試系統(tǒng)及現(xiàn)有已改進(jìn)的測試系統(tǒng)尚存在的問題，本文提出了基于改進(jìn)測試策略的通用數(shù)字電路板測試系統(tǒng)。

1 PXI總線與傳統(tǒng)測試策略

數(shù)字電路測試技術(shù)不是單純的利用測試儀器對被測電路進(jìn)行測量，而是對設(shè)計(jì)制造的數(shù)字電路進(jìn)行測試分析、測試開發(fā)及測試施加等過程。數(shù)字電路測試分析過程如圖1所示。

圖1 數(shù)字電路測試分析過程Fig.1 Process of digital circuit test and analysis

1.1 PXI總線

設(shè)計(jì)一個滿足測試需求的自動測試系統(tǒng)時，選擇一種合適的標(biāo)準(zhǔn)總線，對于系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)要求有著很重要的影響。在數(shù)字電路板測試系統(tǒng)中被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(yōu)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(tǒng)開發(fā)的一項(xiàng)重要原則，與VXI相比PXI具有更好的價格優(yōu)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(tǒng)。經(jīng)綜合考慮各總線的性能后決定采用PXI總線作為數(shù)字電路板測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。

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

圖2 PXI總線的電氣結(jié)構(gòu)Fig.2 The electrical structure of PXI bus

1.2 傳統(tǒng)測試策略

數(shù)字電路板測試的目的是要保證數(shù)字電路板的電路結(jié)構(gòu)和功能正確以及電路能正常工作。功能測試是廣泛運(yùn)用于測試系統(tǒng)的測試方法，通過給數(shù)字電路板送入測試矢量并在響應(yīng)點(diǎn)采集響應(yīng)信號，并將所采集的測試響應(yīng)信號與預(yù)期的理想響應(yīng)作對比分析，以此判斷數(shù)字電路板是否實(shí)現(xiàn)正常的電路功能。

早期的數(shù)字電路板的復(fù)雜程度不高且產(chǎn)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(fù)雜度的數(shù)字電路板測試策略如圖3所示。

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

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，上述測試策略逐漸不適宜于結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜的數(shù)字電路板的測試，傳統(tǒng)自動測試方法的出現(xiàn)在一段時期內(nèi)有效地改善了這種局面。在傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字電路板（由DIP封裝的芯片和一般元器件構(gòu)成的數(shù)字電路板）最多只需十幾秒，而且故障定位準(zhǔn)確（可以定位到管腳級）［4］。采用在線測試技術(shù)的數(shù)字電路板的傳統(tǒng)自動測試策略如圖4所示。

圖4 數(shù)字電路板的傳統(tǒng)自動測試策略Fig.4 Traditional automatic testing strategy of digital circuit board

2 測試策略的改進(jìn)與測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 測試策略的改進(jìn)

當(dāng)前，數(shù)字電路板中大量采用SMT、MCM和BGA封裝等技術(shù)的集成電路（如當(dāng)前數(shù)字電路板中大量使用的FPGA），而傳統(tǒng)自動測試方法對這些集成電路不能進(jìn)行有效地測試。邊界掃描測試（BST，boundary scan test）技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，邊界掃描是由聯(lián)合測試行動小組（JTAG）定義的，自上世紀(jì)八十年代開始，該測試方法日漸得到世界組織的廣泛認(rèn)可，1990年2月IEEE標(biāo)準(zhǔn)化委員會采納了該方法，并在修改完善后頒布了“標(biāo)準(zhǔn)測試存取信道與邊界掃描結(jié)構(gòu)”的IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)［9］。邊界掃描測試（BST，boundary scan test）技術(shù)是掃描路徑技術(shù)在板級和系統(tǒng)級的測試上的擴(kuò)展，對解決IC之間的互連線測試問題以及當(dāng)前數(shù)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(jié)構(gòu)主要由測試訪問端口、TAP控制器、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器（包括旁路寄存器、邊界掃描寄存器及器件標(biāo)志寄存器）等部分組成。

根據(jù)對相關(guān)原理的深入研究，本文在功能測試的基礎(chǔ)上結(jié)合邊界掃描提出一種改進(jìn)的測試策略用于測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即利用邊界掃描測試代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試方法，其優(yōu)點(diǎn)在于對目前大量使用SMT、MCM和BGA封裝等技術(shù)芯片的數(shù)字電路板進(jìn)行測試時可以保證較高的故障覆蓋率，改進(jìn)的數(shù)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(shù)中的簇測試對故障只能定位到邏輯簇相關(guān)整體，無法隔離到管腳甚至非邊界掃描結(jié)構(gòu)芯片，為了保證高覆蓋率，可以采用少量的夾具、探筆等在內(nèi)的測試設(shè)備進(jìn)行測試。

圖5 改進(jìn)的數(shù)字電路板測試策略Fig.5 Improvement of testing strategy of digital circuit board

2.2 測試系統(tǒng)的硬、軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)字電路板測試系統(tǒng)的硬件模塊構(gòu)成如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成Fig.6 Hardware structure of test system

該測試系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思維，圖7中的PXI機(jī)箱、機(jī)箱內(nèi)的控制模塊和功能模塊（根據(jù)實(shí)際需要可以增加星形觸發(fā)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(shù)有限公司提供的，邊界掃描控制器模塊對應(yīng)的邊界掃描測試開發(fā)系統(tǒng)也是采用的該公司提供的Scan Archon軟件平臺的Basic版本，PXI機(jī)箱內(nèi)的控制和功能模塊都符合PXI總線規(guī)范，具體型號如下：

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

2）PXI嵌入式控制器：AMC4160，該控制器能夠提供很高的計(jì)算處理能力，采用了可靠的電氣設(shè)計(jì)，同時此類控制器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固緊湊，有著良好的機(jī)械性；

3）數(shù)字示波器模塊：AMC4335，該數(shù)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(dá)到200 MSa/s；

4）數(shù)字萬用表模塊：AMC4311A；

5）數(shù)字I/O模塊：AMC4512，在測試系統(tǒng)設(shè)置了3塊該類型的數(shù)字I/O模塊，具有104個數(shù)字I/O通道；

6）開關(guān)模塊：AMC4610；

7）電壓/電流源模塊：AMC4401A；

8）任意波形發(fā)生器模塊：AMC4405；

9）定時/計(jì)數(shù)器模塊：AMC4307A；

10）邊界掃描控制器：AMC7103A。

測試系統(tǒng)的軟件部分是在LabWindows/CVI環(huán)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(chǔ)上開發(fā)出的文本式編程的軟件開發(fā)環(huán)境，有著較高的靈活性且擁有著豐富的功能函數(shù)庫。

北京航天測控技術(shù)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(tǒng)。

3 測試結(jié)果與分析

數(shù)字電路板測試系統(tǒng)的軟、硬件平臺設(shè)計(jì)完成后，首先對整個測試系統(tǒng)進(jìn)行自檢測以確保測試系統(tǒng)的搭建是否正確。然后對待測電路板進(jìn)行邊界掃描測試，主要是通過構(gòu)造掃描路徑完成完整性測試、邊界掃描結(jié)構(gòu)芯片之間的互連測試和簇測試，進(jìn)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(jìn)行功能測試，重點(diǎn)是對邊界掃描簇測試中邏輯簇部分的測試，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，從而完成整個測試過程。

現(xiàn)對一塊包含有FPGA芯片的數(shù)字電路板進(jìn)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(jié)果如圖7和圖8所示（圖中A為測試系統(tǒng)采集到的待測數(shù)字電路板I/O端口的脈沖信號，B為測試系統(tǒng)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(shù)字電路板中FPGA所占測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（316個）占數(shù)字電路板總的測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（973個）的32.48%。如果采用以ICT為代表的傳統(tǒng)測試系統(tǒng)，那么FPGA所占網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障很難得到有效檢測，這就意味著改進(jìn)的基于PXI總線的測試系統(tǒng)相較于以往的測試系統(tǒng)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(jié)論

本文提出了基于改進(jìn)測試策略的數(shù)字電路板通用測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)是在深入研究傳統(tǒng)測試策略的基礎(chǔ)上融合邊界掃描技術(shù)改進(jìn)了數(shù)字電路板測試系統(tǒng)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。測試結(jié)果表明，改進(jìn)的測試系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的數(shù)字電路板測試系統(tǒng)具有體積小、性價比高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時保證了較高的故障覆蓋率，對于測試系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的理論意義和實(shí)用價值。擬將LXI總線技術(shù)代替PXI總線技術(shù)運(yùn)用于測試系統(tǒng)的改進(jìn)中作為下一步研究方向，以便進(jìn)一步提高測試系統(tǒng)的整體性能。

［1］賀喆，周劍奇，馬好東.基于PXI總線的小型化數(shù)字電路故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（2）：323-325.

［2］張建東，雷勇，張耀中，等.機(jī)載座艙面板控制模塊通用測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2011，30（8）：94-97.

［3］黃現(xiàn).基于PXI平臺的FPGA高速自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2013.

［4］堵鋒，曲偉.基于虛擬儀器與邊界掃描技術(shù)的電路板通用測試系統(tǒng)［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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

［6］陳亮，曹興岡.基于PXI總線的電子裝備測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)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(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)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(fā)動機(jī)電控單元測試系統(tǒng)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［9］龔銀水.基于FPGA邊界掃描單元的多芯片數(shù)字測試［D］.廣州：華南理工大學(xué)，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(tǒng)運(yùn)用。E-mail：584141261 @qq.com