基于边界扫描的印制板可测试性分析研究

刘学杰，李 林，韩军杰，王 为

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 引 言

为实现空空导弹先进的战术指标，空空导弹信号处理电路板通常采用DSP，FPGA 等大规模数字集成电路，极大地提高了产品性能。但在科研试制过程中，发现DSP 和FPGA 因管脚多、间距密，一旦出现焊接故障，就有可能造成排故进度缓慢、排故成本高昂的后果，耽误生产任务。通过边界扫描技术，可以解决焊接故障难以找到的问题。

1 当前的电装测试技术

目前在电装测试领域中常用的技术种类有功能测试、在线测试、人工目视检查、自动光学测试、自动X 射线测试等。

上述各测试技术优缺点如下:功能测试一般通过连接器连线进行测试，优点是可以完整的测出系统各部分的性能，缺点是耗费时间过长。在线测试的优点是电气缺陷测试，能够有效地查找器件的功能不正常或错值等，缺点是不能完整检测电气性能，且测试要求的节点数越多，所需要的夹具也越多，产品所需的费用也会快速增长，而且在线测试无法测试埋、盲孔和测试点太密集的情况。人工目视检查一般只起辅助作用，而自动光学测试和自动X 射线测试受图像识别算法所限，还不能完全满足测试需求。

为保证测试效果，使得电路的测试覆盖率达到80%以上。经过反复分析，采用以边界扫描技术为测试平台的方案。

2 边界扫描技术的原理

边界扫描技术是一种可测试结构技术，它模拟物理引脚对器件内部进行的扫描测试。原理是通过在器件的管脚上增加移位寄存器，然后把这些移位寄存器连接起来，加上时钟信号、扫描输入和输出端口以及测试方式选择构建成为边界扫描通道。

边界扫描结构由四个基本单元组成:测试存取口、控制器、指令寄存器以及测试数据寄存器。其中测试存取口包括4 条测试总线:测试数据输入(TDI)、测试数据输出(TDO)、测试模式选择(TMS)和测试时钟输入(TCK)。控制器是边界扫描的核心部分，由TMS 调用测试逻辑，从TDI 加入的数据在时钟的工作下可以在移位寄存器链中移动进行边界扫描，通过检测TDO 输出的测试数据，以达到测试的目的。边界扫描技术原理如图1所示。

图1 边界扫描技术原理

3 搭建测试平台

3.1 硬件平台搭建

所用的测试设备有:边界扫描软件Victory 和动态功能测试系统SPECTRUM 9100，其中9100 系统机柜内含AI710，AI760，BI410，DI025，DI050 等板卡及矩阵开关、交流电源、电子负载等。印制板连接如下:

(1)FPGA 的工作模式是由M0，M1，M2 管脚来决定的，M0，M1，M2 为“101”时，工作模式为边界扫描模式;“000”为正常工作模式。由于电路在正常工作状态和边扫测试状态下，FPGA 管脚M0，M2 的置位不同，为避免使用机械开关，且为避免电烙铁反复加热致使电阻焊盘脱落，故电路图决定采用“表贴电阻+跳帽”的方式进行置位选择，即M0，M1，M2 正常工作状态“000”通过100 Ω 表贴电阻置位;边扫测试状态“101”通过跳帽短路置位。M0，M1，M2 配置电路图如图2 所示。

(2)DSP 的EMU 管脚通过飞线接0;

(3)JTAG 口的TMS，TCK，TDI，TDO，TRST，GND 管脚通过飞线接测试矩阵开关;

(4)板上数字电源VCC 和GND 通过飞线接外部电源。

3.2 软件平台搭建

使用的软件为Victory 软件，测试需要的文件和功能如下:

(1)DCD(. dcd)文件:用于边扫测试链路描述;

(2)Access (.axp)文件:用于外部接口描述;

(3)Netlist (.cds)文件:用于电路网表建立;

(4)BSDL(. bsm)文件:用于有BSDL 模型的器件模型进行转换;

(5)Char (.chr)文件:用于无BSDL 模型的器件建模。

4 通过边界扫描发现的问题

DSP 和FPGA 组成的信息处理系统如图3 所示，DSP 和FPGA 均为BGA 封装，焊接难度较大，焊接后调试时发现系统工作不正常。测试中发现问题如下:

图3 印制板图

4.1 器件管脚短路

DSP 工作不正常，对DSP 进行边界扫描测试发现两器件管脚短路，见图4。

图4 器件管脚短路

RN8 的2 管脚和D4 器件的M25 管脚焊接时造成短路，将连接的锡膏去掉，DSP 信号工作正常。

4.2 管脚接到地上

FPGA 配置芯片工作不正常，经检测发现ADR3 的脚接到地上，如图5 所示。

图5 管脚接到地上

U1 的6 管脚不应接地，但焊接时接到地，将管脚与地断开，此位置信号工作正常。

4.3 管脚被接到电源上

配置芯片工作不正常，经边界扫描后发现，U2 的43 脚被接到电源上，如图6 所示。

图6 管脚被接到电源上

U2 的43 管脚不应接电源，但焊接时接到电源上，将管脚与电源断开，此信号工作正常。

5 增加测试覆盖率

通过边界扫描测试发现了一些焊接问题，但测试覆盖率只有60%。为了提高测试覆盖率，可以采用下面的三种方法:

(1)器件的选择

尽量选择支持边界扫描标准的器件，并从设备制造商得到准确的模型。

(2)边界扫描链的搭建

将集成电路组成一个完整的扫描链路，将前一个边界扫描器件的TDO 连接到后一个边界扫描器件的TDI 上，组成一个扫描链路。

(3)簇测试

簇测试就是要将边界扫描器件的输出管脚和不支持边界扫描器件的输入管脚相连，再将不支持边界扫描器件的输出管脚和边界扫描器件的输入管脚相连，形成一个边界扫描链。再通过扫描链上后面的边界扫描器件将测试响应串行输出，并编程来控制边界扫描器件的控制端。这样可以达到提高测试覆盖率的目的。簇测试的示意图如图7所示。

图7 簇测试

簇测试中FPGA 以及配置芯片等边界扫描模型可以从网上查到，电阻、电容、二三极管的模型在库中调用，但其他器件如双向驱动器、光耦、电源模块等没有模型，因此为提高测试覆盖率，还需对不支持边界扫描的器件建模。建模如下:

通过这种方法实质上就是在不具有边界扫描结构的元器件和具有边界扫描结构的元器件之间建立了边界扫描链，在扫描链上的不具有边界扫描结构的元器件两端加上了虚拟的I/O 端口，提高了测试覆盖率。

通过采用上述方法，增加了边界扫描的测试覆盖率，边界扫描覆盖率示意图见图8。

图8 边界扫描覆盖率示意图

通过图8 可见整板线覆盖率为84.7%，覆盖率已经大大提高。

6 结 论

边界扫描技术能快速有效地检测到焊接时造成的故障，例如两相邻的管脚互连，管脚接地和管脚接电源等问题。应用边界扫描技术可以迅速给出故障位置信息，大大提高生产效率，缩短产品的研发周期。

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