基于边界扫描技术的PCB测试平台设计

摘 要：在PCB测试领域，边界扫描测试技术由于设备量低、成本低、测试工程开发简单等优势，得到了广阔的发展。我们以边界扫描测试技术为基础设计了PCB（印刷电路板）测试平台，并对许多复杂的PCB进行了测试。同时我们根据在测试开发中遇到的问题，对可测性设计提出了一些建议。

关键词：边界扫描；PCB测试；测试平台；可测性设计

1 概述

为了充分发挥边界扫描测试技术的优势，我们设计了以边界扫描芯片（本设计采用了某型號FPGA作为边扫扫描芯片）为核心的PCB测试平台，并借助Scanworks软件，实现了对不同产品、不同类型的大规模集成PCB的自动测试，同时还给出了对PCB设计需要注意的可测试性设计进行了分析。

2 设计实现

2.1 边界扫描技术

边界扫描（Boundary Scan）技术主要是通过在设计FPGA时，在其输入输出管脚上增加一个移位寄存器，由于这些移位寄存器都分布在FPGA的边界上，所以它们被称为边界扫描寄存器。当正常工作时，这些寄存器处于导通模式，不影响正常信号的输入输出；当在测试模式时，这些寄存器可以将FPGA和输入输出隔离开来；当在观察模式时，这些寄存器可以对FPGA的输入输出信号进行观察和控制。

另外，这些移位寄存器可以相互串行连接起来，形成一个寄存器链，也称为扫描链（Boundary-Scan Chain）。边界扫描链采用串行输入和串行输出的方式，链上有4个重要的信号管脚，分别是TDI、TDO、TCK和TMS。它们的工作方式是：TCK信号作为移位时钟，给移位寄存器使用；TMS作为控制移位寄存器的“使能”信号，控制不同的工作模式；TDI为串行输入的向量信号，而TDO则为串行输出的向量信号。在观察FPGA的输入信号时，移位寄存器先将输入信号读取到寄存器中，然后通过串行方式移到TDO测试口。在对FPGA进行输出时，TDI产生串行输入向量，通过移位寄存器送到FPGA的相应信号管脚。 经过上述过程，就可以方便的观察和控制具有边界扫描链的FPGA。

2.2 PCB测试平台

根据上文所述边界扫描测试技术的原理，FPGA能够观察和驱动和其输入输出管脚相连的其它芯片或电路，从而实现对被测PCB的测试。因此我们设计了一个以支持边界扫描技术的FPGA为核心的硬件平台，用它来测试被测PCB的对外接口部分、未形成信号回路的一部分管脚的信号。

在一些双向的门电路作为缓冲的PCB中，如果这些门电路的输入方向“使能”可以控制，则可以让PCB测试平台产生输入信号并捕获响应，从而可以增加待测试IC的故障覆盖率。

在本文所述的测试平台上选用的型号为EP1S25F780C7的FPGA，该芯片能够提供500多个测试管脚，完全满足了一般PCB的测试需求。测试接口板则采用18层布线设计，信号线、电源线、地线均匀分布，信号稳定可靠。另外，接口可以灵活配置，同时根据不同的需要还可以单独设计适配器，进行电平或接口的转换。

2.3 Scanworks软件及开发流程

边界扫描测试的测试向量产生需要额外的开发软件，本文所述的PCB测试台软件选择了ASSET公司的Scanworks工具。ASSET公司专业从事边界扫描技术的开发与研究，它参与制定了IEEE1149.1、IEEE1149.4、1532、1149.6等有关JTAG标准。Scanworks与摩托罗拉、思科、诺基亚、Aglient等500强公司有着长期良好的合作，在销售市场的占有率长期保持第一。因此，使用Scanworks软件使得本文所述的PCB测试平台有着更好的推广和市场价值。

接下来我们针对一种用于数字信号处理的PCB，详细介绍边界扫描技术的应用。被开发的PCB为12层板，含有FPGA、配置芯片、FLASH、SDRAM和DSP等高端芯片，共计约80片。

第一步，在Scanworks软件中创建数字信号处理PCB的测试工程和模型库文件，依据原被测PCB的理图构造JTAG链，并在导入FPGA等边界扫描芯片所对应的BSDL文件。

第二步，配置被测PCB中不同电路和芯片的类型，并匹配合适的模型。对于模型库中没有的器件类型，还要重新设计合适的模型。

第三步，检查被保护的网络信号，并设计约束条件，同时分析测试覆盖率，对模型进行优化，争取获得更高的测试覆盖率。

第四步，对被测PCB进行测试，得到故障测试报告及相应的处理建议。

对于本文中所述的雷达数字信号处理PCB被测件，该测试工程共产生测试向量34个，信号节点的短路故障覆盖率高达95%，基本能够解决该品种PCB的故障测试问题。

3 结语

目前，一块数字PCB板的测试受制于一些设计上的缺陷，使得边界扫描技术没有发挥出最大的作用，例如，在某些设计中，FPGA通过配置芯片的DATA0端口来加载程序，而将TDI、TDO等边界扫描链路上最重要的JTAG端口闲置不用，从而导致了无法使用边界扫描技术进行测试。随着可测性设计的研究发展，这一问题越来越被重视，对于可测试性设计的研究也越来越广泛。因此，可以预见边界扫描测试技术在未来数字测试领域将有着更广阔的发展空间。

参考文献：

[1]于德伟.基于边界扫描的数字系统可测性设计研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

[2]史贤俊，周绍磊，张文广，周杰.边界扫描技术在板级可测性设计中的应用[J].海军航空工程学院学报，2006（02）.

[3]雷沃妮.板载FPGA芯片的边界扫描测试设计[J].现代雷达，2006（01）.

[4]杜俊，赵元富.VLSI可测性设计研究[J].微电子学与计算机，2004（10）.

作者简介：

王凤驰，男，1983年生，安徽合肥人，汉，2005年毕业于南京航空航天大学，工程师，主要从事雷达信号处理及集成电路测试研究工作。