邊界掃描技術在工程測試中的應用

徐 靜，劉 軍

(中電集團第三十八研究所，合肥 230088)

隨著微電子制造技術向深亞微米方向的發展，電路設計的高度復雜性及多層印制板、表面貼裝(SMT)、圓片規模集成(WSI)和多芯片模塊(MCM)技術在電路系統中的運用，FPGA的集成度也越來越高，管腳數目和管腳密度不斷提高，使得基于物理探針的傳統測試技術難以為繼，電路和系統的可測試性急劇下降，常規測試方法正面臨著日趨嚴峻的困難。基于這一難題，近幾年飛速發展的邊界掃描技術很好的解決了這個問題。本文主要介紹了邊界掃描的概念、原理、優勢及利用該技術設計的自動測試設備，通過實際測試結果闡述邊界掃描技術的先進性、高效性。

1 邊界掃描基本簡介

1987年，聯合測試行動小組(JTAG)提出了一種新的電路板測試方法——邊界掃描技術，并于1990年被IEEE接納，形成了IEEE1149.1標準［1］。該標準要求在集成電路中加入邊界掃描電路，在模式選擇的控制下，構成一條環繞集成電路邊界的移位寄存器鏈，由此對集成電路的所有引腳進行掃描。邊界掃描測試結構提供了一種方法，可以高效的測試PCB上面的器件。

2 邊界掃描結構和工作原理

2.1 結構

圖1給出了芯片內部邊界掃描邏輯結構，它包括測試存取端口(TAP)、TAP控制器 、指令寄存器及一系列數據寄存器、數據寄存器包括旁路寄存器、器件標示寄存器和邊界掃描寄存器等［2-3］，各信號定義如下

邊界掃描單元信號(boundary-scan cell signals)

在并行輸入端PI俘獲數據

在并行輸出端PO更新數據

串行掃描數據從SO到與它相鄰的SI

行為透明:PI到達PO

TAP控制器信號(TAP controller signals)

TDI測試信號輸入

TDO測試信號輸出

TMS測試模式選擇

TCK測試時鐘

TRST可選擇的測試復位信號

TAP(test access port)是一個通用的端口，通過它可以訪問芯片提供的所有數據寄存器和指令寄存器。而對整個TAP的控制是通過TAP Controller來完成的。邊界掃描寄存器是數據寄存器中很重要的一種，它用來實現對芯片的輸入輸出的觀察和控制。指令寄存器用來實現對數據寄存器的控制。

圖1 邊界掃描邏輯結構

2.2 原理

邊界掃描測試技術是通過在芯片的每個I/O腳附加一個邊界掃描(boundary scan cell，BSC)以及一些附加的測試控制邏輯來實現的。BSC主要是由寄存器組成，每個I/O管腳都有一個BSC，每個BSC有2個數據通道:① 測試數據通道，測試數據輸入TDI(test data input)和測試數據輸出TDO(test data output);②正常數據通道，正常數據輸入NDI(normal data input)和正常數據輸出NDO(normal data output)。

圖2展示了BSC的連接。

圖2 邊界掃描單元BSC的連接

BSC除了與封裝引腳和芯片的工作邏輯相連外，也串行互聯，形成一個移位寄存器鏈。在芯片的正常工作情況下，它是透明的和停止運行的，因此，輸入和輸出數據可以自由通過每個BSC，正常工作數據從NDI進，從NDO出;在測試模式下，元器件的邊界引腳以及內核邏輯可以通過邊界掃描單元進行控制和觀察，對于輸入的IC(集成電路，integrated circuit)管腳，可以選擇從NDI或從TDI輸入數據;對于輸出的IC管腳，可以選擇從BSC輸出數據至NDO，也可以選擇從BSC輸出數據至TDO。

圖3所示是邊界掃描測試應用的示意圖。測試2個JTAG設備的連接，首先將JTAG設備1某個輸出測試腳的BSC置為高或低電平，輸出至NDO，然后，讓JTAG設備2的輸入測試腳來捕獲從設備1管腳輸入的NDI值，再通過測試數據通道將捕獲到的數據輸出至TDO，對比測試結果，即可快速準確的判斷這兩腳是否連接可靠。

圖3 邊界掃描測試應用示意圖

通過邊界掃描鏈這種結構可以實現內部結構測試、互連測試、功能測試、存儲器測試等。

3 利用邊界掃描技術測試優勢

1)邊界掃描技術的使用，可以消除實際測試點。邊界掃描是利用“虛探頭”代替傳統使用的物理探頭，設計時無需考慮實際測試點問題，這樣不僅可以減少設計時間，而且當測試點的消除達到一定數量時，可以減少PCB板的層數，從而降低了制造價格。

2)方便芯片的故障定位，可以準確地判斷兩個芯片管腳的連接是否可靠，提高測試、檢驗的效率。

4 自動測試設備設計及測試結果分析

4.1 自動測試設備的組成

軟件部分采用法國TomentoSystems公司的DiaTem做為開發工具，自動測試軟件設計流程如圖4。

圖4 自動測試設計流程

硬件包括計算機、JTAG適配器、測試背板和電源，如圖5所示。

圖5 自動測試臺構造

4.2 測試結果分析

測試完成后，會生成一份測試報告，根據報告分析被測PCB的好壞。測試過程中經常出現的故障類型與解決方案舉例:

1)故障類型

a)測試鏈路不通;

b)測試鏈路通，但部分信號工作不正常。

2)解決方法

對于鏈路不通，排除硬件連接情況后。鏈不通有兩種可能，器件自身問題或者創建的測試工程有誤，這就要求在設計時，仔細分析相關的電路及工作原理，遵循設計原則，確保測試工程正常運行;對于部分信號工作不正常情況，一般表現為短路或開路情況，它們可能由于生產PCB所致，也可能由于電路板焊接所致，報告中會給出故障出錯支路或出錯類型，使問題查找范圍縮小，方便排查。測試報告列舉如下:

5 結束語

邊界掃描測試軟件可以自動分析產生測試激勵信號，自動分析測試結果，并且給出詳細的測試報告，有測試速度快，效率高且不需要測試者過多干預等優點。利用邊界掃描技術設計的自動測試設備可以應用在板極測試與系統級測試，包括開發調試、生產測試、維修測試等過程。

［1］IEEE1149.1，IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture［S］.

［2］宋克柱.邊界掃描測試的原理及應用設計［J］.電子技術，2001(10):31-35.

［3］邱峰，梁松海.IEEE1149.1可測試性設計技術的研究與發展［J］.測控技術，1999，18(1):28-30.