基于邊界掃描的雷達嵌入式測試和診斷技術

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(南京電子技術研究所，南京 210039)

基于邊界掃描的雷達嵌入式測試和診斷技術

畢偉鎮，杜舒明

(南京電子技術研究所，南京210039)

為解決因雷達數字化、高速化發展引起的測試和診斷技術難題，提出了基于邊界掃描的雷達嵌入式測試和診斷方案，介紹了系統的硬件架構和軟件設計；該方法可以在雷達系統正常執行任務期間，實時檢測數字集成電路的故障，并將故障定位到芯片引腳；對低速數字信號，可以采集完整的信號波形；對較高速度的數字信號，可以通過多次采集和統計分析的方法提取故障特征；該方法已通過試驗驗證。

雷達；機內測試；邊界掃描；嵌入式測試

0 引言

隨著雷達數字化、高度集成化、高速化發展，使得測試點設置越來越難。目前，雷達中數字電路機內測試(BIT)主要測試手段包括：在維護BIT下，利用測試碼元檢測電路故障；在周期BIT下，采集CPU狀態、內存狀態、模塊溫度等信息，通過狀態分析檢測故障。這些檢測方法故障檢測率低，不能滿足雷達故障檢測和隔離的需求。

近年來，國內外對邊界掃描測試技術應用于數字電路板的測試進行了大量研究。應用邊界掃描測試技術對數字電路板進行板級測試，能夠解決短路、開路、固定電平等故障的診斷問題[1]。電子科技大學設計了基于高速數字 I/O 的邊界掃描控制器，能夠有效的解決帶 FPGA、CPLD 等可編程邏輯器件的數字電路板故障診斷難題[2]。

國外的研究機構已經把邊界掃描測試技術應用于系統的在線測試。針對在軍事系統中開發測試和診斷所需信息不足的問題，提出了將邊界掃描作為系統級測試診斷工具，對簡單通用的系統進行論證，證實了邊界掃描的存在能夠提高系統的故障隔離率[3]。利用一種基于邊界掃描測試的嵌入式新技術，可以提高飛機航電系統的故障檢測率，減少故障隔離模糊。在飛機正常飛行期間，也能檢測數字電路的信號狀態[4]。

本文針對數字陣列雷達測試和診斷需求，研究邊界掃描測試技術在雷達系統上的應用。介紹了基于邊界掃描的雷達嵌入測試和診斷方案的硬件架構以及軟件設計，并結合低速以及高速數字信號對在線采集方法進行試驗驗證。

1 系統架構及工作原理

1.1 系統架構

測試系統硬件架構由嵌入在雷達分系統(天線、數據處理、頻率源、數字信號處理等)的邊界掃測試單元(BSTU)、CAN-LAN轉換單元、網絡交換機、中央BIT組成。對于天線分系統，每個T/R組件使用獨立的BSTU并提供CAN接口。對于數字信號處理、數據處理等分系統，BSTU工作于VPX總線的插箱中，并提供多路JTAG接口用于測試和診斷。測試系統硬件架構見圖1。

圖1 測試系統硬件架構

1.2 功能需求

將BSTU應用于雷達系統測試中，能夠對天線、頻率源、數字信號處理、數據處理等分系統進行測試和診斷。能夠完成以下測試和診斷功能：

1)在被測電路模塊不脫離雷達系統的條件下，雷達維護人員通過監控終端可以選擇雷達中任何數字電路模塊實施邊界掃描測試，可檢測模塊內部的開路故障和短路故障以及模塊之間的互連故障等，測試結果可以上報。

2)對于低速數字信號，在雷達工作(執行任務)期間，利用邊界掃描測試實時在線采集數字信號，采集結果可上報至中央BIT。

3)對于高速數字信號，在雷達執行任務期間，利用邊界掃描測試實時在線采集，通過對多次采樣結果進行統計分析，獲取故障特征，診斷結果可上報至中央BIT。

1.3 工作原理

將BSTU應用于雷達測試系統中，能夠在雷達任務狀態下以及非任務狀態下進行測試和診斷，因此BSTU工作于以下兩種測試模式：

1)非任務狀態下：雷達維護人員可以選擇對天線、頻率源、數據處理、數字信號處理等分系統進行測試，測試內容包括鏈路完整性、互連測試、器件功能測試等基本測試。通過鏈路完整性測試能夠確認邊界掃描鏈的完整性，鏈路測試包括執行BYPASS、IDCODE、USERCODE等操作。通過互連測試能夠診斷集成電路板間/板內器件之間的連接情況，其基本測試方法是在BSTU的控制下，向互連網絡的輸入端的邊界掃描單元加載測試矢量并同時向輸出端執行外測試(EXTEST)指令，然后在互連網絡的另一端的邊界掃描單元捕獲測試響應值，根據分析輸入以及輸出結果能夠判斷器件是否存在開路、短路和呆滯(0/1)等故障。器件功能測試主要用于測試一些復雜功能的器件，如觸發器、計數器、FIFO等，根據測試對象不同可分為邊界掃描器件的功能測試和非邊界掃描器件的簇測試。

2)任務狀態下：在雷達系統正常執行任務期間，BSTU能夠實時在線獲取集成電路引腳狀態，將獲取的集成電路引腳狀態與預期結果進行比對，能夠判定雷達是否工作在正常狀態。雷達維護人員能夠選擇對天線、頻率源、數據處理、數字信號處理等分系統某一模塊進行在線采集數據或者周期對雷達系統所有模塊進行在線采集數據，根據測試需求的不同選擇不同的在線采集方式。針對集成電路引腳高速以及低速信號分別采取不同的診斷方式，當在線測試采樣率遠大于信號變化速率(5倍)時，在線采集能夠完全捕獲集成電路引腳邏輯變化狀態，通過與預期期望邏輯狀態進行比對能夠診斷其工作狀態，當在線測試采樣率低于信號變化率時，在線采集無法對其完全采樣，此時通過多次采集結合統計分析的方式，判斷集成電路引腳是否出現短路、開路等故障，最終將診斷結果通過LAN接口上傳至中央BIT。在線采集數據主要依據邊界掃描測試中的SAMPLE指令，其能夠在不影響器件正常工作的前提下，對器件輸入輸出管腳進行“拍照”，同時在TCK下降沿將“拍照”信息通過移位指令從TDO移出。在線采樣率與測試時鐘速率以及鏈路上邊界單元數量有關。

2 BSTU硬件設計

2.1 組成

BSTU應用于VPX插箱中，在雷達系統在線測試和診斷中，既能完成非任務狀態下的鏈路測試、互連測試、功能測試，用于測試模塊內以及模塊間是否出現開路、短路等故障；又能夠完成在任務狀態下的雷達狀態診斷，通過獲取數字集成電路引腳狀態來實時監視其工作狀態。

基于以上需求，BSTU主要由CPU處理器、FPGA、DDR動態存儲器、固態存儲器、電平轉換、2換1開關、LAN通信接口組成。BSTU硬件框圖見圖2所示，其中：

圖2 BSTU硬件框圖

1)CPU處理器用于控制BSTU測試邏輯，能夠針對雷達系統工作狀態選擇進行相關的測試模式；

2)FPGA在CPU處理器的邏輯控制下生成測試需要的時序信號，包括TCK、TMS、TDI以及采集TDO測試響應數據；

3)電平轉換用于匹配不同UUT需要的測試電平；

4)DDR動態隨機存儲器，具有實時讀寫數據的能力，能夠在一個TCK周期完成兩次讀寫工作，可以完成測試時序的寫以及響應數據的讀取工作；

5)2選1開關用于選擇JTAG接口通過VPX總線還是前面板的連接方式，用于匹配目前UUT中不同的JTAG接口引出方式。

6)接口提供兩組各12路JTAG接口以及通信LAN接口。JTAG接口用于加載測試時序以及采集測試響應數據。LAN接口用于和上位機進行通信。

2.2 關鍵技術實現

在進行基于邊界掃描的在線測試和診斷時，低采樣率對于相對高速變化信號難以將其狀態全部采集并再現，造成在線測試和診斷在應用中的局限性。采樣率的提高主要受限于兩方面：一是邊界掃描鏈路過長，邊界掃描在將測試響應數據移出時采用的是串行的方式，邊界掃描單元數決定著在線測試對被測信號的采樣率。目前大部分芯片本身具有數千個邊界掃描單元，如果邊界掃描控制器提供的JTAG接口少，使得鏈路需要使用“菊花鏈”的串聯方式，將大大增加鏈路上邊界掃描單元數；二是測試時鐘限制，目前在使用邊界掃描測試控制器進行測試時，需要通過數米的電纜進行連接，對測試時鐘TCK信號產生很大的干擾，使得很難提高測試時鐘。

為了最大限度的提高對被測信號的采樣率，每個BSTU提供多路JTAG接口，能夠對多個UUT同時測試，對鏈路不使用串聯的方式，減少鏈路上邊界掃描單元數。采用嵌入式BSTU進行測試和診斷，能夠使BSTU盡量靠近UUT，減少因電纜長度造成的測試時鐘限制，進而提高對被測信號的采樣率。

3 BSTU軟件設計

3.1 軟件組成

運行于BSTU的軟件能夠完成兩部分主要功能：一是在雷達系統非任務狀態下對選擇的數字電路模塊進行互連測試，可檢測模塊內部的開路故障和短路故障以及模塊之間的互連故障等，測試結果可以上報至中央BIT。二是在雷達系統執行任務期間，能夠采集集成電路數字信號，對于低速數字信號，利用邊界掃描測試實時在線采集數字信號，采集結果可上報至中央BIT；對于高速數字信號，利用邊界掃描測試實時在線采集，通過對多次采樣結果進行統計分析，獲取故障特征，診斷結果可上報至中央BIT。軟件組成框圖見圖3。

圖3 軟件組成框圖

1)測試模式設置：雷達維護人員可以根據實際需要選擇需要進行的測試模式，能夠完成包括任務狀態和非任務狀態下的測試；

2)測試參數設置：根據不同的測試模式，可以選擇不同的測試參數，主要用于滿足UUT測試需要進行的測試時鐘、電平、測試矢量等參數；

3)測試信號生成：根據不同的測試模式以及測試參數信息，生成符合測試目標要求以及IEEE1149.1標準的JTAG時序信號；

4)響應數據采集：結合測試時序以及邊界掃描描述文件提供的對應關系，采集并提取TDO測試響應有效數據；

5)數據管理：用于存儲本地化測試矢量、測試響應有效數據、故障診斷結果等信息；

6)故障診斷：對在線采集數據結合診斷算法進行故障隔離，診斷UUT是否工作在正常狀態以及定位故障單元。根據不同的測試模塊選擇合適的診斷方式，對于低速數據信號，實時在線采集并與預期期望邏輯變化關系進行比較分析；對于高速數據信號，重復多次采集數據結合統計分析的方式進行診斷。

3.2 軟件流程

軟件在上電后自啟動，首先加載測試矢量數據。測試矢量是根據網表文件、邊界掃描描述文件、測試算法等生成的測試數據，用于進行非任務狀態下的板間、板內互連測試。將測試矢量數據本地化，上電自動加載能夠節約測試時數據讀取時間。根據雷達維護人員選擇雷達任務狀態下或者非任務狀態下的測試模塊，自動生成滿足測試需求以及IEEE1149.1標準的JTAG測試時序信號,包括TCK、TMS、TDI，測試參數還包括測試時鐘頻率、測試電平等。將測試信號加載至被測單元(UUT)，同時采集TDO測試響應數據。根據不同的測試模式以及集成電路引腳信號數據變化率，能夠采取不同的診斷測試方式，最終將測試診斷結果通過LAN上傳至中央BIT。軟件流程見圖4。

圖4 軟件流程圖

3.3 關鍵技術實現

BSTU提供多路JTAG接口，因此在進行測試和診斷時需要軟件支撐，控制測試和診斷流程。在雷達非任務狀態下測試時軟件需要上電自動加載本地化測試矢量用于支持板內、板間互連測試。在雷達執行任務的情況下進行測試時，軟件能夠對采集結果進行診斷獲取故障信息。其難點包括：多路JTAG接口協同測試邏輯控制、測試矢量產生、故障診斷算法。

在進行多路JTAG接口協同測試時，需要對每路測試狀態進行控制，根據當前所處狀態以及測試需求狀態確定進行的操作，測試能夠維持的狀態有限，如測試矢量載入、測試指令加載、測試響應采集等，因此引入狀態機來控制測試邏輯。測試矢量產生需要解析網表文件、BSDL文件以及選擇測試算法等。故障診斷算法是對采集結果進行診斷采取的處理方式，對低速信號通過與預期結果進行比對診斷UUT工作狀態，對高速信號多次采集結果進行統計分析，提取故障特征。

4 試驗驗證

4.1 驗證方法

為了驗證在線采集數據的有效性，在UUT正常工作期間，執行SAMPLE指令，在線采集數字集成電路引腳狀態變化。對UUT進行編程，使其引腳處于高速以及低速信號變化狀態，通過分析在線采集數據與預期期望數據的比對結果，驗證高速以及低速信號變化狀態下在線采集數據的有效性。

4.2 驗證系統組成

驗證系統包括計算機、BSTU、PXI插箱、數字I/O模塊、適配器、UUT。驗證系統組成見圖5。

圖5 驗證系統組成

計算機主要完成測試時序的生成、加載以及采集分析，BSTU生成TCK、TMS、TDI測試時序以及采集TDO響應數據。PXI中數字信號模塊用于生成UUT的輸入信號。UUT包含Xilinx公司的芯片XC2C256，分析其邊界掃描描述文件(BSDL)可獲得：芯片共有552個邊界掃描單元，SAMPLE指令碼為00000011。

4.3 驗證步驟

1)通過計算機編輯測試時序，包括TCK、TMS、TDI，控制TAP狀態依次進入：Test-Logic-Reset→Run-test/Idle→Select-DR-Scan→Select-IR-Scan→Capture-IR→Shift-IR1→...→Shift-IR8→Exit1-IR→Update-IR→Select-DR-Scan→Capture-DR→Shift-DR0→...→Shift-DR551→Exit1-DR→Update-DR→Select-DR-Scan→Capture-DR→Shift-DR0→...→Shift-DR551......。通過重復Capture-DR以及Shift-DR的方式，進行多次在線捕獲采集，獲取集成電路引腳多個狀態值進行分析。

2)編程UUT使其引腳處于低速信號變化狀態，將時序信號通過JTAG接口加載至UUT并采集TDO測試響應數據。

3)將采集的響應數據結合邊界掃描描述文件進行數據分析，提取測試有效數據并與預期期望結果進行比對，驗證采集數據的有效性。

4)編程UUT使其引腳處于高速信號變化狀態，將時序信號通過JTAG接口加載至UUT并采集TDO測試響應數據。

5)將采集的響應數據結合邊界掃描描述文件進行數據分析，提取測試有效數據并結合統計分析的方式，驗證采集數據的有效性。

4.4 結果分析

4.4.1 低速數字信號在線采集和診斷

設置JTAG接口TCK頻率為556 KHz，每采集一次，移位需要556(552個BC單元數+4個TAP中間狀態值)個TCK時鐘，因此其采樣率為：

556 KHz/556 = 1 KHz

對變化頻率為125Hz的輸入信號對應的IO引腳進行采集，分析采集結果，輸入波形及采集過程如圖6所示：

圖6 低速信號采樣示意圖

信號的頻率為125Hz，采樣頻率為1KHz，因此預期采集結果為：000011110…，信號實際采集結果為：000011110…，與預期結果吻合，被測試引腳無故障。

4.4.2 高速數字信號在線采集和診斷

當數字信號處于高速變化時，在線采集無法完整采集信號狀態，此時通過對多次采集結果進行統計分析，提取故障特征。對高速變化信號對應的IO引腳進行采集，輸入波形及采集過程如圖7所示：

圖7 高速信號采樣示意圖

對引腳預期采集結果應有0、1的變化。實際采集結果為：10001…，采集數據有0、1的變化，被測試引腳未發生固定電平故障。

5 結束語

本文提出了基于邊界掃描的雷達嵌入式測試和診斷方案，能夠在雷達執行任務/非任務狀態下進行測試和診斷，對方案從系統硬件架構和軟件設計兩方面進行了介紹。對在線測試進行試驗驗證，結果表明：對低速數字信號，可以采集完整的信號波形，通過將采集結果與預期結果進行比對，診斷芯片引腳工作狀態；對較高速度的數字信號，可以通過多次采集和統計分析的方法提取故障特征。

[1] 曹子劍,佘美玲. 邊界掃描測試在數字電路自動測試系統中的研究與應用[J]. 計算機測量與控制,2015(7):2311-2313.

[2] 楊俊泰. 基于邊界掃描技術的雷達電路板故障自動診斷的研究與實現[D].成都：電子科技大學,2010.

[3] Ungar L Y. Boundary scan as a system-level diagnostic tool[J]. in IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2013,16(4):8-15.

[4] Ungar L Y,Sudolsky M D. Tapping Into Boundary Scan Resources for Vehicle Health Management[Z]. Proc.of Autotestcon, 2016.

RadarEmbeddedTestandDiagnosisTechnologyBasedonBoundaryScan

Bi Weizhen, Du Shuming

(Nanjing Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

In order to solve the problems of test and diagnosis technology caused by the digitization and high-speed development of radar, radar embedded test and diagnosis scheme based on boundary scan is proposed, the hardware architecture and software design are introduced. The method can detect the faults of the digital integrated circuit in time during the normal operation of the radar system and locate the fault on the chip pins. For low speed signals, complete waveform can be acquired; for higher speed digital signals, fault signature can be extracted by means of multiple acquisition and statistical analysis. The method has been verified by experiments.

radar; built-in test; boundary scan; embedded test

2017-06-29；

2017-08-29。

畢偉鎮(1991-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事基于邊界掃描的雷達測試和診斷技術方向的研究。

1671-4598(2017)11-0043-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.011

TP273

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