边界扫描技术在某雷达控制模块测试中的应用

姜定国 

江苏金陵机械制造总厂   江苏省南京市   210000

摘要：随着相控阵雷达技术的发展，雷达控制模块电路呈现出数字化、模块化、集成化和系统化的特点，其中雷达性能展示在雷达控制模块。雷达控制模块作为阵面模块的典型代表，其性能追求数据交换快速、准确、故障判故实时，故大多采用高速数字化器件模块，该类模块调试过程中面临着测试方法的变革。传统调试测试通过示波器、逻辑分析仪等常规仪器仪表实现数字电路的波形和数字逻辑的分析，但以雷达控制模块为代表的高速、高实时性的模块，无法继续使用常规仪器仪表进行有效的调试及故障诊断。

关键词：边界扫描技术；雷达控制

边界扫描技术是解决了链路高集成化、高性能化、小型化带来的传统调试设备无法有效测试的问题，实现了总线级的芯片及印制板的功能测试。本文研究边界扫描技术结合相关适配硬件，以提高雷达控制模块故障诊断效率。

1 边界扫描测试技术原理

1.1 基本结构

边界扫描控制测试基本结构适用于集成电路(IC)设计，其硬件结构组成主要有测试访问端口(TAP)、TAP控制器、指令寄存器(IR)和数据寄存器(DR)四部分组成。

TAP控制器为16状态的状态机，主要包括复位、运行/空闲、选择数据寄存器扫描、选择指令寄存器扫描、指令捕获和指令移位。每个端口配置相应的边界扫描单元配合完成相应动作。由TCK(测试时钟信号)、TMS(测试模式选择信号)两个控制信号(可能包含TRST，即复位信号)组成，控制着TDI(测试数据输入信号)移位进入芯片内部并通过TDO(测试数据输出信号)移位输出。

1.2 测试类型

边界扫描测试的对象主要为器件之间的互连及器件的系统功能，用于测试电路板的短路、开路、虚焊情况和器件逻辑功能是否正常。

根据其扫描对象可将边界扫描分为三种类型。

1)链完整性测试

链路完整是边界扫描基础，只有链路完整，才能依赖边界扫描的结果对被测件进行故障诊断。TAP管脚出现焊接问题可能导致链路扫描不正常，必须对其进行修复，链扫描测试才能通过。

2)网络互连测试

器件互连测试在TAP控制器的控制下，向互连的网络输入端的边界扫描单元(BSC单元)加载测试向量，同时向网络输出端的器件发送外测试指令，在另一端的BSC捕获相应向量，根据输入、输出对比判断器件是否存在开路、短路故障。网络互连测试能够将边界扫描测试覆盖到非边界扫描器件，大大提升覆盖率。

3)簇测试

簇测试是针对不具有边界扫描结构的器件进行的功能测试，包括内测试、自测试和其他方式，提供虚拟测试通道实现测试向量的加载与读取。

存储器一般不具有边界扫描单元，需采用功能测试。测试上位机一般通过器件的簇模型，产生读写测试逻辑，根据存储器读写测试实现故障检测。

1.3 边界扫描协议及相关标准

边界扫描测试技术标准起源于IEEE 1149.1，其中定义了基本寄存器、相关逻辑结构、边界扫描描述语言(BSDL)。虽然该标准是IC设计的参考标准，但对板级电路的测试仍有较大的意义。

为便于数模混合电路的测试，1999年发布了IEEE 1149.4混合信号测试标准。

IEEE 1149.5标准模块测试和维护总线标准，用于电子设备的系统测试、诊断及维护的工业标准底板总线，将IEEE1 149.1测试标准扩展至系统级。

IEEE 1149.6为高速通道的互连测试提供了解决方案。

2 故障检测及诊断理论

边界扫描测试中的故障是指预期响应向量与实际输出向量产生差异的现象。故障检测就是生成响应向量及接受输出向量的过程。使用多组不线性无关的测试向量(测试向量数据满足应等于这些向量组成矩阵的秩)，能够隔离出器件管脚的所有开路短路情况。

故障诊断的数学模型可表示为：

Y=HX (1)

式中：X为被测电路或芯片网络的输入信号矩阵；Y为被测网络的响应矩阵；H为系统的特征矩阵。

当被测网络无故障时，系统的特征矩阵退化为单位矩阵I，当其中任何一个网络或多个网络存在故障时，多故障向量将会耦合，故障位置点为1，其余全为0。

边界扫描上位机就是特定地通过输入矩阵判断预期的输出矩阵及实际输出矩阵差异，采用矩阵分析来完成被测网络故障诊断，上位机核心在于既要保证故障覆盖率，又要兼顾测试效率。上位机具有较多成熟方案，采用ScanWorks平台作为测试上位机。

3 基于ScanWorks平台的边界扫描测试实现

3.1 雷达控制模块边界扫描模型

雷达控制模块有FPGA(现场可编程门阵列)、DDR(内存)、FLASH、网络收发、串口收发等芯片组成，通过RJ45、VPX实现网络数据交换，通过串口实现状态控制，具体逻辑为FPGA通过接口转换/交换芯片控制网络收发、串口收发及对转接板数据的收发，其中DDR、FLASH为FPGA工作提供必要的文件系统及高速缓存。

3.2 雷达控制模块系统设计

边界扫描系统工程可基本根据扫描对象分步骤建立，分别实现基本链路验证、网络互连测试、存储器测试、FLASH测试、网络及光收发测试。

1)链路测试验证

链路测试验证针对扫描路径，实现数据的基本输入输出，此过程通过边界扫描器件的旁路BYPASS和ID识别指令IDCODE，实现器件的旁路和ID读取操作，从而实现基本链路的验证，为互连测试、后续簇测试、功能测试提供基本条件。

2)内部互连测试验证

内部互连测试是针对雷达控制模块印制板网络的测试，其依据为设计图Netlist网表文件和各器件的边界扫描描述BSDL文件，对各元器件的使能管脚和边界扫描管脚及阻容配置设定好之后，以ScanWorks平台实现其内部互连测试。内部互连测试为主要测试项，能够覆盖雷达控制模块除电源和接口等模拟电路以外的故障。经过反复迭代优化，雷达控制模块在内部互连测试板级短路覆盖率80.4%，开路覆盖率42.6%。

3)存储器、FLASH测试验证

存储器测试主要是根据器件的簇模型对相应元器件数据读写模拟测试，能够对存储器质量进行测试ScanWorks平台还能够实现器件信息擦除，读写文件等辅助测试功能，其原理就是像指定地址的存储器写入已知数据，读取相应地址的数据与写入数据对比，从而实现测试。实际应用过程中该测试项目不仅实现了存储测试，同时完成了部分固化程序及配置的烧写。

4)光收发测试验证

光口部分的测试主要借助FPGA工程实现数据收发自回环，收发对比判断相应接口的状态。

边界扫描测试技术在雷达控制模块批产测试使用后，故障定位准确率96.5%，平均故障诊断周期提升了37%，大大缩短了生产及售后保障过程中故障件的维修周期。

4 结束语

试验证明，本方案在边界扫描测试技术基础上，结合该雷达控制模块特点，采用定制化适配板方式，通过定制化接口适配板，增加被测网络拓扑结构，延伸边界扫描链路及接口功能模块，提高了雷达控制模块测试网络覆盖率，进一步缩短雷达控制模块的生产排故周期，节省了故障诊断的人力物力等资源成本。在雷达控制模块批产中发挥了重要作用。后续该测试方案将应用于其他数字及数模混合电路测试及故障诊断中。

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