基于改进测试策略的数字电路板测试系统

陈 灿，王建业，王孔华，王 勇

（空军工程大学防空反导学院，陕西西安710051）

基于改进测试策略的数字电路板测试系统

陈 灿，王建业，王孔华，王 勇

（空军工程大学防空反导学院，陕西西安710051）

针对传统的数字电路板测试系统存在体积大、性价比不高和通用性不强等问题，提出了基于改进测试策略的数字电路板测试系统。该测试系统是在传统测试系统的基础上融合边界扫描技术改进了测试策略，既保证了功能测试又增强了系统的结构性测试。测试结果表明，改进的测试系统具有体积小、性价比高、通用性强和故障覆盖率高等优点，对测试系统的发展有着重要的理论意义和实用价值。

测试系统；测试策略；边界扫描；故障覆盖率

0 引言

随着微电子技术的快速发展，数字电路广泛应用于社会生产生活的诸多领域，针对数字电路的测试系统也在不断地发展完善。相关的研究状况表明当前数字电路测试系统在朝着小型化、通用性和高速自动化等方向发展：贺喆等提出了一种小型化数字电路故障诊断系统［1］；张建东等提出了一种针对机载座舱面板控制模块的通用测试系统［2］；黄现提出了一种FPGA高速自动化测试系统［3］，这些测试系统虽然在体积、通用性和测试速度等方面有着一定的改进，但是作为通用数字电路板测试系统来说是极不合适的。之所以不合适，是因为相对而言这些测试系统的体积依旧偏大，其测试对象也多是针对特定专业领域，因此通用性不强且价格昂贵。此外，当前数字电路的复杂性对测试系统的有着严格的要求，例如军用数字电路板一般复杂性较高（大于3 000网络节点），测试要求高（100%测试覆盖率），这不仅对测试仪器的精度有着很高的要求，还得要保证较高的故障覆盖率［4］。由于材料和工艺等方面的不断改进，数字电路板的布局更加紧凑，加之SMT（表面贴装技术）、MCM（多芯片组件）和BGA封装等技术在集成电路中的应用，使得ICT（在线测试）等传统测试方法不能有效地检测开路故障、粘1或者粘0故障等缺陷性故障，从而导致相关的测试系统的故障覆盖率降低。针对传统测试系统及现有已改进的测试系统尚存在的问题，本文提出了基于改进测试策略的通用数字电路板测试系统。

1 PXI总线与传统测试策略

数字电路测试技术不是单纯的利用测试仪器对被测电路进行测量，而是对设计制造的数字电路进行测试分析、测试开发及测试施加等过程。数字电路测试分析过程如图1所示。

图1 数字电路测试分析过程Fig.1 Process of digital circuit test and analysis

1.1 PXI总线

设计一个满足测试需求的自动测试系统时，选择一种合适的标准总线，对于系统的各项技术要求有着很重要的影响。在数字电路板测试系统中被广泛使用的标准总线主要有GPIB、VXI总线以及PXI总线，GPIB、VXI总线和PXI总线的一些基本性能指标如表1所示。

表1 GPIB、VXI总线和PXI总线性能比较Tab.1 Performance comparison between GPIB，VXI bus and PXI bus

由表1可知PXI总线和VXI总线在性能上明显优于GPIB总线，因此要从PXI总线和VXI总线中选择最合适的总线。性价比问题是测试系统开发的一项重要原则，与VXI相比PXI具有更好的价格优势［5-7］，而且PXI总线仪器模块尺寸更小，适用于体积小、易携带的测试系统。经综合考虑各总线的性能后决定采用PXI总线作为数字电路板测试系统的标准总线。

PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，PCI总线在仪器仪表领域的扩展）总线是将PCI（Peripheral Component Interconnect，周边元件扩展接口）总线扩展到仪器方面而推出的以个人计算机为基础的高性能低价位的模块仪器系统［2，3，8］。PXI继承了CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型PCI）的机械规范和PCI总线优异的电气规范，同时支持包括微软公司的Microsoft Windows软件在内的多种操作系统［3，5］。PXI总线的电气结构如图2所示。

图2 PXI总线的电气结构Fig.2 The electrical structure of PXI bus

1.2 传统测试策略

数字电路板测试的目的是要保证数字电路板的电路结构和功能正确以及电路能正常工作。功能测试是广泛运用于测试系统的测试方法，通过给数字电路板送入测试矢量并在响应点采集响应信号，并将所采集的测试响应信号与预期的理想响应作对比分析，以此判断数字电路板是否实现正常的电路功能。

早期的数字电路板的复杂程度不高且产量较低，采用人工视觉检视（Manual Visual Inspection，MVI）和功能测试就能满足一般的测试需求。早期的小批量低复杂度的数字电路板测试策略如图3所示。

图3 早期的数字电路板测试策略Fig.3 Digital circuit board testing strategy early

随着集成电路产业的快速发展，上述测试策略逐渐不适宜于结构和功能日益复杂的数字电路板的测试，传统自动测试方法的出现在一段时期内有效地改善了这种局面。在传统自动测试策略中采用最为广泛的测试方法是在线测试（In-Circuit Test，ICT），该方法测试速度较快，测试一块上千网络节点的数字电路板（由DIP封装的芯片和一般元器件构成的数字电路板）最多只需十几秒，而且故障定位准确（可以定位到管脚级）［4］。采用在线测试技术的数字电路板的传统自动测试策略如图4所示。

图4 数字电路板的传统自动测试策略Fig.4 Traditional automatic testing strategy of digital circuit board

2 测试策略的改进与测试系统的实现

2.1 测试策略的改进

当前，数字电路板中大量采用SMT、MCM和BGA封装等技术的集成电路（如当前数字电路板中大量使用的FPGA），而传统自动测试方法对这些集成电路不能进行有效地测试。边界扫描测试（BST，boundary scan test）技术的出现很好地解决了这一问题，边界扫描是由联合测试行动小组（JTAG）定义的，自上世纪八十年代开始，该测试方法日渐得到世界组织的广泛认可，1990年2月IEEE标准化委员会采纳了该方法，并在修改完善后颁布了“标准测试存取信道与边界扫描结构”的IEEE1149.1标准［9］。边界扫描测试（BST，boundary scan test）技术是扫描路径技术在板级和系统级的测试上的扩展，对解决IC之间的互连线测试问题以及当前数字电路板测试难度增大问题有着重要的作用。边界扫描的基本结构主要由测试访问端口、TAP控制器、指令寄存器和数据寄存器（包括旁路寄存器、边界扫描寄存器及器件标志寄存器）等部分组成。

根据对相关原理的深入研究，本文在功能测试的基础上结合边界扫描提出一种改进的测试策略用于测试系统设计，即利用边界扫描测试代替传统测试方法，其优点在于对目前大量使用SMT、MCM和BGA封装等技术芯片的数字电路板进行测试时可以保证较高的故障覆盖率，改进的数字电路板的测试策略如图5所示。

考虑到边界扫描测试技术中的簇测试对故障只能定位到逻辑簇相关整体，无法隔离到管脚甚至非边界扫描结构芯片，为了保证高覆盖率，可以采用少量的夹具、探笔等在内的测试设备进行测试。

图5 改进的数字电路板测试策略Fig.5 Improvement of testing strategy of digital circuit board

2.2 测试系统的硬、软件实现

数字电路板测试系统的硬件模块构成如图6所示。

图6 测试系统的硬件构成Fig.6 Hardware structure of test system

该测试系统采用了模块化设计思维，图7中的PXI机箱、机箱内的控制模块和功能模块（根据实际需要可以增加星形触发模块）以及边界扫描控制器模块等均是由北京航天测控技术有限公司提供的，边界扫描控制器模块对应的边界扫描测试开发系统也是采用的该公司提供的Scan Archon软件平台的Basic版本，PXI机箱内的控制和功能模块都符合PXI总线规范，具体型号如下：

1）PXI机箱：AMC57103，该型号机箱是并采用300W的ATX电源供电的8槽高性能机箱；

2）PXI嵌入式控制器：AMC4160，该控制器能够提供很高的计算处理能力，采用了可靠的电气设计，同时此类控制器结构坚固紧凑，有着良好的机械性；

3）数字示波器模块：AMC4335，该数字示波器模块的模拟带宽为20 MHz，它的采样最高速率可以达到200 MSa/s；

4）数字万用表模块：AMC4311A；

5）数字I/O模块：AMC4512，在测试系统设置了3块该类型的数字I/O模块，具有104个数字I/O通道；

6）开关模块：AMC4610；

7）电压/电流源模块：AMC4401A；

8）任意波形发生器模块：AMC4405；

9）定时/计数器模块：AMC4307A；

10）边界扫描控制器：AMC7103A。

测试系统的软件部分是在LabWindows/CVI环境下完成的，该软件是美国NI公司（美国国家仪器公司）在C语言的基础上开发出的文本式编程的软件开发环境，有着较高的灵活性且拥有着丰富的功能函数库。

北京航天测控技术有限公司提供的边界扫描测试软件ScanArchon的Basic版本所支持的基本功能包括完整性测试、簇测试、存储器测试和部分互连测试，支持Windows XP和Windows 7等操作系统。

3 测试结果与分析

数字电路板测试系统的软、硬件平台设计完成后，首先对整个测试系统进行自检测以确保测试系统的搭建是否正确。然后对待测电路板进行边界扫描测试，主要是通过构造扫描路径完成完整性测试、边界扫描结构芯片之间的互连测试和簇测试，进而检测是否存在桥接故障、开路故障等缺陷性故障以及芯片间电路连接故障；最后对待测板进行功能测试，重点是对边界扫描簇测试中逻辑簇部分的测试，准确定位故障点，从而完成整个测试过程。

现对一块包含有FPGA芯片的数字电路板进行测试，可以测得FPGA芯片与PCB板之间焊接球脱落前后的测试结果如图7和图8所示（图中A为测试系统采集到的待测数字电路板I/O端口的脉冲信号，B为测试系统施加的测试激励信号）。

图7 焊接球脱落前的测试波形Fig.7 Test waveform before welding ball off

功能测试定位该数字电路板中FPGA所占测试网络节点（316个）占数字电路板总的测试网络节点（973个）的32.48%。如果采用以ICT为代表的传统测试系统，那么FPGA所占网络节点的故障很难得到有效检测，这就意味着改进的基于PXI总线的测试系统相较于以往的测试系统有着更高的故障覆盖率。

图8 焊接球脱落后的测试波形Fig.8 Test waveform after welding ball off

4 结论

本文提出了基于改进测试策略的数字电路板通用测试系统。该测试系统是在深入研究传统测试策略的基础上融合边界扫描技术改进了数字电路板测试系统的测试策略，并采用模块化思维和性能更好的成熟功能模块来设计实现的。测试结果表明，改进的测试系统相较于传统的数字电路板测试系统具有体积小、性价比高和通用性强等优点，同时保证了较高的故障覆盖率，对于测试系统的发展有着重要的理论意义和实用价值。拟将LXI总线技术代替PXI总线技术运用于测试系统的改进中作为下一步研究方向，以便进一步提高测试系统的整体性能。

［1］贺喆，周剑奇，马好东.基于PXI总线的小型化数字电路故障诊断系统设计方法研究［J］.计算机测量与控制，2010，18（2）：323-325.

［2］张建东，雷勇，张耀中，等.机载座舱面板控制模块通用测试系统设计［J］.测控技术，2011，30（8）：94-97.

［3］黄现.基于PXI平台的FPGA高速自动化测试系统设计［D］.上海：复旦大学，2013.

［4］堵锋，曲伟.基于虚拟仪器与边界扫描技术的电路板通用测试系统［J］.指挥控制与仿真，2008，30（6）：114-117.

［5］叶剑锋.基于CycloneⅡ的PXI总线板卡设计与实现［D］.武汉：华中科学技术大学，2009.

［6］陈亮，曹兴冈.基于PXI总线的电子装备测试系统设计［J］.科学技术与工程，2011，33（11）：8243-8245.

［7］朱宏飞，杨光.基于PXI总线模块的智能测试系统的设计［J］.计算机测量与控制，2013，21（11）：2912-2914.

［8］刁春敏.基于PXI和虚拟仪器的汽车发动机电控单元测试系统［D］.上海：上海交通大学，2010.

［9］龚银水.基于FPGA边界扫描单元的多芯片数字测试［D］.广州：华南理工大学，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

陈灿（1990—），男，安徽毫州人，硕士研究生，研究方向：集成电路与武器系统运用。E-mail：584141261 @qq.com