基于边界扫描的电路板快速测试系统设计

1 引 言

随着电子技术的不断发展，电子设备中越来越多的使用大规模可编程数字逻辑器件，如 FPGA 等。这种器件的使用提高了电子设备的性能，增加了可靠性，但是与此同时复杂的逻 辑关系、细密的引脚也给设备的维修带来了巨大的压力。维修人员无法通过探针来测量芯片 引脚上的波形，而使用"针床"等专用测试平台又需要付出很高的成本。边界扫描技术的诞 生为这一问题提供了一个新的解决途径。边界扫描协议是联合测试工作组（JTAG：Joint test action group）提出了，并于1990 年形成了IEEE 1149.1 工业标准。该标准通过设置在器件 输入输出引脚与内核电路之间的边界扫描单元对器件及外围电路进行测试，从而提高了电路 板的可测性。边界扫描就像一根"虚拟探针"，能够在不影响电路板正常工作的同时，采集 芯片引脚的状态信息，通过分析这些信息达到故障诊断功能。本文针对当前复杂数字电路板 快速测试难的现状，设计了一套基于边界扫描的电路板测试系统，利用该系统可以对含有边 界扫描接口的复杂数字电路板进行快速诊断，帮助维修人员进行维修。

2 基于边界扫描的电路板测试系统设计

2.1 设计需求

（1）对于包含边界扫描接口的电路均可测试，用户需根据实际情况自定义被测电路板JTAG 扫描链结构。

（2）既能在线对电路板上边界扫描链路及接口信号进行采集，又能在离线状态实现对电路 板上模块的测试功能。

（3）能够实现数据的显示、录制、分析，预置系统触发、停止条件的功能。

（4）对采集到的信号进行快速分析，产生测试报告供维修人员使用。

2.2 基本结构及工作原理

该系统包括一台计算机和一个边界扫描适配器，两者使用计算机并口相连，其整体结构框图如图1 所示。

使用该边界扫描测试系统进行测试时应首先进行电路板上扫描链的测试，确保扫描链正 常。然后根据实际情况选择进行在线功能测试或者离线功能测试。在线功能测试即电路板不 脱离设备，通过采集电路板内边界扫描单元及电路板接口的数据判断电路板工作状态和故障 分布情况。此步骤适合于对电路板进行快速诊断、快速维修时使用。离线功能测试即电路板 脱离设备，在连接好电源后，由测试系统对电路板进行信号加载，分模块对整个电路进行测 试。此步骤适合于对故障电路板维修时使用。如果怀疑系统自身出现故障，可以通过自测试 进行诊断。

2.3 边界扫描适配器设计

边界扫描适配器采用Altera 公司的EPM7128SLC84-15 芯片作为控制器，负责与计算机 相连，上传、下载测试数据和控制字，按时钟产生边界扫描控制时序及测试向量。芯片内部 按功能分应包含通信接口、指令寄存器、数据寄存器、TAP 控制器、信号采集模块、信号发 生模块和分频模块。结构框图如图2 所示。

从计算机传来的指令信号和数据信号通过通信接口分别保存在边界扫描适配器内部的 寄存器中，然后适配器中的其它模块如TAP 控制器、信号采集模块和信号发生模块将依据 指令寄存器中的指令字进行相应的工作，包括发送JTAG 总线时序、移位、并行采集数据和 并行发送数据等。采集的数据通过通信接口上传给计算机以供分析时使用。分频器用来产生 各模块工作所需要的时钟信号。本文在MAX+Plus II 环境下，使用VHDL 语言对各模块进 行设计，顶层文件使用图形输入方式将各模块连接起来。

2.4 计算机软件设计

本系统的计算机软件采用Visual Basic 6.0 高级编程语言开发，其主要功能是通过计 算机并行端口实现计算机与边界扫描适配器之间的实时通信，将指令信号和测试数据发送给 边界扫描适配器，同时将测试响应数据上传至计算机，并完成对数据的处理、显示、存储等 操作。

（1）系统的软件组成

系统软件包含下列组件：系统主程序、物理接口程序、硬件设置程序、实时采集程序、 离线测试程序、自测试程序和数据库管理程序。软件组成框图如图3 所示。

系统主程序：显示系统主界面，并与系统中其它模块进行切换。

物理接口模块：控制计算机端口，负责从计算机端口读取数据和将数据发送到端口上。

系统硬件设置模块：设置系统的各种参数，包括扫描链路的结构、芯片型号，同时进 行总线故障测试和内部边界扫描链测试，以验证扫描链路是否畅通。

在线测试模块：使用外测试命令，对电路板上边界扫描器件引脚以及电路板接口信号 进行采集、显示与分析。

离线测试模块：依次向电路板接口或者板上边界扫描器件输入激励测试信号，观察其 响应信号是否与标准结果一致，判断板上连线、功能模块是否正常。

自测试模块：输出系统自测试向量，观察系统自响应是否与标准一致，检查