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雷達數(shù)字電路便攜式邊界掃描測試系統(tǒng)設計方案

   2011年07月22日 09:47  
  雷達,作為一種重要的軍事武器裝備,在軍事上將其形象的比喻成作戰(zhàn)指揮員的“眼睛”,在維護國家安全及領土完整中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但隨著數(shù)字電路設計及制造技術的發(fā)展,特別是CAD設計軟件的進步及完善,單一的測試方法如ICT(In-CircuitTest)測試、功能測試等已無法滿足新型雷達數(shù)字電路測試及故障診斷的要求,邊界掃描測試將成為今后雷達裝備數(shù)字電路故障診斷發(fā)展的主流技術。
  
  自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)
  
  “MERGE(組合)”測試模型的建立
  
  IEEE1149.1標準明確的規(guī)范了邊界掃描構建原理及相應的測試方法。在故障診斷過程中,可利用VLSI芯片自帶的邊界掃描結構及相關測試指令,有效的實現(xiàn)對VLSI芯片引腳固定型、開路、橋接等故障類型的檢測。但待測試的數(shù)字電路模塊通常包括邊界掃描器件和非邊界掃描器件,本文提出的MERGE測試模型可通過已有的邊界掃描結構實現(xiàn)對非邊界掃描芯片的測試,能夠拓展邊界掃描的測試范圍,提高TPS的故障覆蓋率。
  
  基于邊界掃描測試技術的基本原理,構建測試系統(tǒng)過程中創(chuàng)造性的提出了“MERGE”結構測試模型,基本思想如圖1所示。其中,B部分為待測數(shù)字電路BUT(BoardUnderTest),A部分為獨立于BUT外的邊界掃描擴展卡,該擴展卡可看作是一塊符合IEEE1149.1邊界掃描設計規(guī)范的數(shù)字電路。首先,集中將一個完整的數(shù)字電路BUT分為如下幾個部分:非邊界掃描芯片簇(U1),邊界掃描芯片簇(U2),混合芯片簇(U3)。在這里“簇”的概念即將多個器件統(tǒng)稱為一個“簇”,簇的范圍可以根據(jù)具體電路規(guī)模來進行劃分,可以小到單獨的一個IC或UUT(UnitUnderTest),也可大到一個完整的BUT。
  
  (1)MERGE非邊界掃描芯片簇(U1):非邊界掃描芯片是整個BUT網(wǎng)絡中一個有序的子集,是具有特定功能的電路。在MERGE理念中,通過對非邊界掃描芯片簇建立單獨的功能模型,將其作為邊界掃描芯片間的一個中間級信號傳輸模型,MERGE到邊界掃描鏈路,結合EXTEST邊界掃描指令,通過CaptureIR→ShiftIR→UpdateIR→CaptureDR→shiftDR→UpdateDR等相應操作,達到通過邊界掃描鏈路實現(xiàn)對非邊界掃描簇測試的目的。(2)MERGE混合芯片簇(U3):混合芯片簇指既含有非邊界掃描芯片,又含有邊界掃描芯片的混合電路(還可以含有一些中間級的模擬電路)。MERGE的思路與(1)類似,模型的驗證可通過將一組確定的測試矢量集APPLY至MI(ModelInput),經(jīng)過確定的時間延遲,通過在MO(ModelOutput)將采集到的響應信號與寄存器中存貯的期望值相比較的方法實現(xiàn)測試。
  
  (3)MERGEBSEC(邊界掃描擴展卡),通過BSEC實現(xiàn)對BUT邊緣電路中非邊界掃描芯片簇或不含邊界掃描芯片的BUT進行邊界掃描測試。測試時,將待測BUT作為非邊界掃描簇或混合邊界掃描簇,而將BSEC當作邊界掃描芯片簇,通過MERGE方法,將BUT、接口電路、邊界掃描擴展卡電路虛擬成為一個含邊界掃描芯片的BUT,具體實現(xiàn)與(1)、(2)類似。
  
  測試系統(tǒng)硬件設計
  
  為了減輕系統(tǒng)整機的重量,便于運輸及攜帶,本測試系統(tǒng)前端設備采用筆記本計算機作為主體來完成系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和人機界面的交互[3],同時內配GPIB-USB模塊、JTAG-Control-PCI-USB控制器,分別控制可編程電源(Agilent6600)及BSInterfacePod模塊。整個硬件設計的核心為BSEC、JTAG-Control-PCI-USB控制器及BSInterfacePod模塊。其系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。
  
  邊界掃描擴展卡
  
  MERGE邊界掃描擴展卡采用符合IEEE1149.1邊界掃描標準的可測試性設計方案,應用5片XILINX公司的XC95144芯片構建完整的從TDI至TDO的邊界掃描鏈路,其中掃描鏈路的上游電路及下游電路采用74ACQ244對信號進行緩沖及整形,以增強上游電路的扇出能力,同時整板的邊緣連接器采用了牢固可靠、抗腐蝕的歐式Eurocard結構形式的連接器,保證測試信號穩(wěn)定、可靠。原理圖如圖3所示。
  
  JTAG-Control-PCI-USB控制器
  
  JTAG-Control-PCI-USB控制器是測試系統(tǒng)筆記本記算機與被測試單元(BUT)進行信號控制的主要部件,實現(xiàn)工控機并行控制指令和數(shù)據(jù)向符合邊界掃描測試協(xié)議的串行指令和數(shù)據(jù)的轉換。電路采用DSP+CPLD的電路設計模式,DSP芯片采用TI公司的TMS320LF2407A,運行速度可高達40MIPS、具有至少544字的在片雙訪問存儲器DARAM、2K大小的在片單訪問存儲器SARAM,32K的片內程序存儲器FLASH;CPLD選用ALTERA公司的MAX7000S系列的EPM71285,其集成度為600~5000可用門、有32~256個宏單元和36~155個用戶自定義I/O引腳、其3.3V的I/O電平與DSP芯片端口電平兼容、并可通過符合工業(yè)標準的I/O引腳JTAG接口實現(xiàn)在線編程及調試。JTAG-Control-PCI-USB控制器是PCI/IEEE1149.1標準的主控單元,當與BSInterfacePod結合使用時,控制IEEE1149.1標準自適應測試總線及與之相適應的離散信號。同時,該控制器還可控制施加到測試總線上負責JTAG-Control-PCI-USB控制器與BSInterfacePod進行通訊的低電壓差分信號(基于TIA/EIA-644及IEEE1596.3標準)。BSInterfacePod模塊
  
  BSInterfacePod模塊,作為測試輸入/輸出信號傳輸?shù)闹虚g級模塊,主要實現(xiàn)JTAG-Control-PCI-USB控制器與BUT之間測試通道的擴展和信號的同步與緩存。FPGA(Altera公司,EP20K160EBC365-1)是本電路設計的核心,其功能是將前級JTAG-Control-PCI-USB控制器發(fā)出的不同的控制信號轉換成UUT測試終端能夠識別的TAP控制信號,保證TDI、TCK、TMS、TRST準確施加到UUT的測試端,同時將采集到的TDO信號返回給測試前端控制模塊。74LVC125(Buffer)則用來完成信號暫存,輸出級的74LVC125還可增強信號的扇出能力。整個BSInterfacePod模塊采用抗EMI(電磁干擾)屏蔽封裝,前面板預留4個20Pin的JTAG控制端口,另外設計了一個電源指示燈,用于上電確認。
  
  測試系統(tǒng)軟件設計
  
  系統(tǒng)軟件在WindowsXP環(huán)境下采用VisualC++6.0及NationalInstruments公司的LabWindows6.0集成開發(fā)環(huán)境完成。VisualC++6.0能夠提供豐富的Windows程序開發(fā)功能,靈活性強、編程效率高;LabWindows6.0提供了多種接口協(xié)議、豐富的控件及儀器驅動程序,其支持虛擬儀器技術的特性是其它開發(fā)環(huán)境*的,同時它提供了豐富的軟件包接口,為軟件開發(fā)提供了極大的方便。
  
  軟件設計采取了軟件模塊化及自頂向下的設計原則,首先根據(jù)MERGE原則劃分電路模塊,將測試程序分割成不同的測試模塊,其次采用宏的方式構建標準的測試模塊并優(yōu)化模塊接口,然后將其它待測模塊與該模塊接口進行有效鏈接,再分別進行編譯及調試,zui后一起進行合并構建完整的測試體。在開發(fā)過程中,將該軟件分為若干模塊不但減少了軟件的工作量,而且對于函數(shù)的公共部分進行了類的封裝,提高了模塊的復用性,同時提高了軟件本身的可測試性。
  
  測試優(yōu)化
  
  為減少ATE在故障診斷中誤判的概率,系統(tǒng)采用加權偽隨機向量關系生成、插入間隔刷新測試矢量優(yōu)化測試矢量和測試過程。
  
  (1)加權偽隨機測試矢量生成:加權偽隨機測試矢量生成能夠利用較短的測試碼長度(即較短的測試時間)達到較高的測試故障覆蓋率。為了縮短測試碼并改進故障覆蓋率,這種測試矢量生成方式可以調節(jié)在輸入端產(chǎn)生0或1的概率,有效檢測到難檢測的故障。在偽隨機測試碼中,每個輸入端產(chǎn)生0或1的概率為50%。
  
  (2)插入式間隔刷新:由于數(shù)據(jù)線具有一定的電平保持特性,因此對于一組數(shù)據(jù)總線I/O而言,在BS-Cell處于讀狀態(tài)時(如處于Update狀態(tài)),Cell單元的OutputEnableControlCell處于有效狀態(tài),測試矢量通過BS-Cell施加至I/O數(shù)據(jù)總線,如果下一個時鐘節(jié)拍,BS-Cell處于寫狀態(tài)(如處于Capture狀態(tài)),由于數(shù)據(jù)線的電平保持特性,則有可能在此時間,BS-Cell所Capture回讀的數(shù)據(jù)為上一個時鐘節(jié)拍的Update數(shù)據(jù),造成測試不穩(wěn)定。解決的辦法是在每一次讀狀態(tài)結束后,系統(tǒng)根據(jù)讀狀態(tài)的間隔時間,隨機產(chǎn)生一組與上一組測試矢量不同的數(shù)據(jù),命名為*data,對I/O總線進行間隔刷新。
  
  實驗結果及分析
  
  現(xiàn)以某新型雷達點跡處理數(shù)字電路為例進行系統(tǒng)功能驗證。整個電路采用DSP+FPGA的設計架構,其主要芯片包括:5片DSP(ADSP21060)、2片F(xiàn)PGA(AtleraFlexEPF10K系列)、8片雙口RAM(QFP封裝),其他E2PROM、HC244(SOP封裝)、HC245(SOP封裝)等。電路設計復雜,芯片多,PCB布局布線密度大,采用ICT、功能測試TPS開發(fā)難度大。
  
  利用本邊界掃描自動測試系統(tǒng),結合MERGE方法,對上述電路板進行TPS開發(fā)實驗及故障診斷,測試結果如圖4所示。
  
  插入模擬故障(U8-6stuckto0),重新仿真:掃描鏈測試→PASS→B-Scan器件簇測試→PASS→NB-Scan器件簇測試→Failed(Report:Pin(s):U3-25,R26-2,U8-6,R26-1possiblestuckatlow,theBSnodesisU31-21(R/W))。
  
  上述仿真結果表明,融合MERGE方法所構建的基于邊界掃描的板級自動測試系統(tǒng),自動化程度高,故障隔離準確有效。

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