快速掃描的開關量信號邊界測試方案設計

【關鍵詞】開關量；邊界測試；邊界掃描技術；數據采集

引言

測試是所有電子設備和集成電路板的制造中不可或缺的一部分[1]。隨著大規模集成電路的發展和印刷電路工藝的進步，傳統的測試方式已經無法全面適應如今的發展[2]，市場急需一種可以快速測試的技術。本方案就是針對這一問題所提出的一種快速掃描開關量邊界的測試技術，它主要通過在電路邊界設置特殊的寄存器或者設備（信號發射器、數據采集器等），實現對電路內部信號的監控和采集[3]。

一、開關量信號邊界掃描原理

邊界掃描技術中的開關量邊界掃描是一種高級測試方式。它在核心邏輯電路的輸入端額外引入了信號發射器，同時在所有輸出端口增設了信號捕獲器，并將這些輸入/ 輸出接口上的設備串聯起來，構建一個閉環的數據串行傳輸通道。這一技術既能支持將測試數據的順序輸入至被測單元，又能從相應端口以串行方式便捷地提取測試結果。

本方案的測試流程始于數據處理算法系統，它包含激勵信號、預期輸出響應和任何必要輔助信號等測試矢量的數據，能夠將相應的輸出數據傳輸至信號發射器當中，并將該算法系統作為控制中心，驅動信號源逐步發出遞增或遞減的信號序列，模擬實際工作環境中的信號變化。在此過程中，每次信號輸出后，系統都能即時捕獲被測設備在輸出端口反饋的開關量信號，以反映設備對輸入信號的響應狀態。

二、系統總體設計方案

本方案的開關量信號邊界掃描技術主要由數據處理算法系統、測試控制器（采集器、信號發射器等）、被測對象（設備、電路板等）三部分組成[4]。其基本思想是在每一個被測對象的開關量輸入位置添加信號發射器（信號源），且該信號源是可以程控的，在開關量輸出位置添加信號采集器。當設備處于測試狀態時，用戶可以實時監測和采集發射和收集到的信號，并對其進行數據處理。在準備好測試設備、測試夾具、信號發射器、測試軟件工具、信號采集器件或邊界掃描寄存器等測試工具后，該技術將信號采集設備與被測設備的輸出相連接，并將被測設備的測試矢量加載到測試軟件工具中。算法系統可以利用測試矢量控制信號發射器，持續對被測設備輸入激勵信號，通過信號采集器實時監測板件的信號變化，并將每一次收集的信號反饋至算法系統當中進行處理。系統總體設計原理如圖1所示。

三、開關量信號邊界掃描算法設計

本方案的開關量邊界算法掃描設計核心在于數據處理算法系統可以通過精心設計的測試矢量序列，依據測試需求對數據進行系統化組織（涵蓋輸出數據的生成、信號的實時捕獲，以及輸出數據的動態調整等環節）。在這一過程中，預設的有序輸出矢量能夠被邏輯性地用于初始化和控制信號發射器，以發送精確的信號至被測對象。

與此同時，被測對象輸出端口緊密連接的高靈敏度信號采集器，能夠不間斷地監測每一次信號輸出的變化，并將這些變化實時反饋給算法系統。算法系統接收到信號反饋后，會依據反饋內容對當前的輸出矢量進行細致的二次優化與調整。

當輸出矢量序列尚未遍歷至最終項時，若某次信號輸出成功觸發了被測對象的信號狀態變化，系統則立即將該點標記為最小開關量邊界的候選點，并據此動態調整后續輸出矢量的范圍：具體而言，若檢測到信號變化，則縮小輸出矢量的范圍，將其上限調整至當前值以下；反之，若未檢測到任何信號變化，則擴大輸出矢量的范圍，將其下限提升至當前值之上。反復循環此過程，直至所有預定的輸出矢量均被發送并評估完畢。開關量邊界掃描算法設計原理如圖2所示。

（一）邊界掃描頻率公式

本方案根據測試矢量的具體參數來設定采集周期T，通過計算每次采集過程中所需的位移周期量N，即可直接推導出相應的采樣頻率f。因此，采樣頻率的確定方式為：基于每周期內的位移需求來確定采集操作的頻率[5]。其公式如下：

f = T / N

（二）邊界掃描數學模型

邊界掃描測試過程可以將其等效為，由N個測試向量組成的測試矩陣T輸入到一個網絡系統A中，通過特定的算法處理，得到響應矩陣R，并以此為依據進行故障診斷。其邊界掃描測試的模型如圖3所示。測試矩陣T的每一個并行測試向量PTV都是N維的，其與N個網絡的布爾輸入相對應。模型把被測對象視為一個N個輸入/N個輸出的系統，該系統的輸入和輸出均為N，并且都是布爾向量。

（三）測試時間數學模型

一個被測對象的測試單元通常需要有若干個測試點（設為q個），每個測試點有若干位測試矢量（設為p）。單個測試點的測試時間如式（3）所示：

Tw為測試程序對數據處理的時間，其數值主要取決于測試程序框架與設計細節，包括但不限于數據通訊的時間開銷、數據采集的延時和核心算法所執行的時間周期等。這些因素相互作用，共同決定了Tw的總體時長。因此，在優化程序性能時，需要綜合考量并精細調整各個環節的效率。

四、實驗驗證

（一）兼容性驗證

為了全面驗證本方案的可靠性和穩定性，研究將本方案接入到某裝備公司板件測試系統中進行驗證。本次實驗選取了具有DC24V、DC110V、DC220V、AC220V這四種不同開關量信號電壓的板件進行測試，每種電壓級別的電路板均挑選了3塊不一致的板件作為測試樣本，以確保測試結果的全面性和代表性。

雖然在各電壓等級下的電路板測試數量相同，但電壓等級板件之間可能存在細微的硬件差異，這些因素在測試中也應被納入考量范圍。為此，每塊電路板均以統一的流程進行測試，以確保測試數據的穩定性和可靠性。

鑒于開關信號與測試矢量的多樣性，各電路板在每次測試中的響應時間均有所差異。為了更精準地捕獲這些變化，本次測試利用系統自動計算的方式來確定每塊電路板的最佳采樣周期，以確保數據采集的完整性和穩定性。

本次實驗的詳細測試結果匯總如表1所示，該表清晰地展示了不同條件下電路板的具體表現，為后續的方案優化與性能分析提供了數據支持。

（二）效率驗證

為了全面且深入地驗證本方案的高效性與可靠性，本研究特意實施了效率方面的測試驗證，將其與現有方案進行了詳盡的對比測試；并統一測試時間，以確保實驗條件的一致性。

測試過程除了預設的測試點數和測試矢量外，其他相關數據均交由系統自動計算與處理。經過最終的測試與分析，本方案展現出了顯著的優越性：它不僅在測試速度上實現了飛躍，大幅度縮短了測試時間，有效降低了時間成本；還在測試效率上達到了新的高度，性能優化成果顯著。測試效率對比如圖4所示。

結語

本文設計的快速掃描開關量信號邊界測試方案具備可行性，能夠憑借其對開關量邊界的精準且快速的定位能力替換目前傳統的測試方法。實驗結果顯示，該方案可以減少人力的輸出，簡化測試的手段，在極大地縮短測試時間的同時有效提高測試效率，降低測試成本，從而使測試過程更加高效快捷，為企業節省了寶貴的時間和資源。