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摘要：DSP和FPGA等大规模数字集成电路因管脚多、 间距密， 在电装过程中易出现焊接故障。 为减少排故时间， 采用了边界扫描测试方法。 本文介绍了边界扫描测试技术的基本原理， 以及故障诊断的方法， 并通过实例仿真验证该方法的有效性。 为今后提高可测试性设计水平打下良好基础。
关键词： 边界扫描； 可测性设计； 故障诊断
中图分类号： TN407文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2015）04-0047-045
Optimal Testability Design of Circuit Board Based on Boundary Scan
Liu Xuejie， Li Lin， Han Junjie， Wang Wei
（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）
Abstract： The largescale digital integrated circuit such as DSP and FPGA， easy to appear welding failure in process of electric fitting because of the large quantity of circuit pin and the close spacing. Boundaryscan test technology is being used widely to reduce times on fault diagnosis. The basic principle of performance test based on Boundaryscan（BS） technology is briefly discussed， develops a new method of fault diagnosis. The application shows the efficiency of the method. Boundaryscan test technology will meet the need of further development on test plan.
Key words： boundaryscan； design for testability ； fault diagnosis
0引言
为实现空空导弹先进的战术指标， 空空导弹信号处理电路板通常采用DSP，FPGA等大规模数字集成电路， 极大地提高了产品性能。 但在科研试制过程中， 发现DSP和FPGA因管脚多、间距密， 一旦出现焊接故障， 就有可能造成排故进度缓慢、排故成本高昂的后果， 耽误生产任务。 通过边界扫描技术， 可以解决焊接故障难以找到的问题。
1当前的电装测试技术
目前在电装测试领域中常用的技术种类有功
收稿日期： 2015-03-26
基金项目： 中航导弹院科技创新基金项目（2014DZC01）
作者简介： 刘学杰（1980-）， 男， 山东烟台人， 工程师， 主要从事EDA设计工作。
能测试、在线测试、人工目视检查、自动光学测试、自动X射线测试等。
上述各测试技术优缺点如下：功能测试一般通过连接器连线进行测试， 优点是可以完整的测出系统各部分的性能， 缺点是耗费时间过长。 在线测试的优点是电气缺陷测试， 能够有效地查找器件的功能不正常或错值等， 缺点是不能完整检测电气性能， 且测试要求的节点数越多， 所需要的夹具也越多， 产品所需的费用也会快速增长， 而且在线测试无法测试埋、盲孔和测试点太密集的情况。 人工目视检查一般只起辅助作用， 而自动光学测试和自动X射线测试受图像识别算法所限， 还不能完全满足测试需求。
为保证测试效果， 使得电路的测试覆盖率达到80%以上。 经过反复分析， 采用以边界扫描技术为测试平台的方案。
2边界扫描技术的原理
边界扫描技术是一种可测试结构技术， 它模拟物理引脚对器件内部进行的扫描测试。 原理是通过在器件的管脚上增加移位寄存器， 然后把这些移位寄存器连接起来， 加上时钟信号、扫描输入和输出端口以及测试方式选择构建成为边界扫描通道。
航空兵器2015年第4期刘学杰等： 基于边界扫描的印制板可测试性分析研究边界扫描结构由四个基本单元组成：测试存取口、 控制器、指令寄存器以及测试数据寄存器。 其中测试存取口包括4条测试总线：测试数据输入（TDI）、测试数据输出（TDO）、测试模式选择（TMS）和测试时钟输入（TCK）。 控制器是边界扫描的核心部分， 由TMS调用测试逻辑， 从TDI 加入的数据在时钟的工作下可以在移位寄存器链中移动进行边界扫描， 通过检测TDO输出的测试数据， 以达到测试的目的。 边界扫描技术原理如图1所示。
图1边界扫描技术原理
3搭建测试平台
3.1硬件平台搭建
所用的测试设备有：边界扫描软件Victory和动态功能测试系统SPECTRUM 9100， 其中9100系统机柜内含AI710，AI760，BI410，DI025，DI050等板卡及矩阵开关、交流电源、电子负载等。 印制板连接如下：
（1） FPGA的工作模式是由M0，M1，M2管脚来决定的， M0，M1，M2为“101”时，工作模式为边界扫描模式； “000”为正常工作模式。 由于电路在正常工作状态和边扫测试状态下， FPGA管脚M0，M2的置位不同， 为避免使用机械开关， 且为避免电烙铁反复加热致使电阻焊盘脱落， 故电路图决定采用“表贴电阻+跳帽”的方式进行置位选择， 即M0，M1，M2正常工作状态 “000”通过100 Ω表贴电阻置位； 边扫测试状态“101”通过跳帽短路置位。 M0，M1，M2配置电路图如图2所示。 图2工作模式配置电路图
（2） DSP的EMU管脚通过飞线接0；
（3） JTAG口的TMS，TCK，TDI，TDO，TRST，GND管脚通过飞线接测试矩阵开关；
（4） 板上数字电源VCC和GND通过飞线接外部电源。
3.2软件平台搭建
使用的软件为Victory软件， 测试需要的文件和功能如下：
（1） DCD（.dcd）文件：用于边扫测试链路描述；
（2） Access （.axp）文件：用于外部接口描述；
（3） Netlist （.cds）文件：用于电路网表建立；
（4） BSDL（.bsm）文件：用于有BSDL模型的器件模型进行转换；
（5） Char （.chr）文件：用于无BSDL模型的器件建模。
4通过边界扫描发现的问题
DSP和FPGA组成的信息处理系统如图3所示， DSP和FPGA均为BGA封装， 焊接难度较大， 焊接后调试时发现系统工作不正常。 测试中发现问题如下：
图3印制板图
4.1器件管脚短路
DSP工作不正常， 对DSP进行边界扫描测试发现两器件管脚短路，见图4。
图4器件管脚短路
RN8的2管脚和D4器件的M25管脚焊接时造成短路， 将连接的锡膏去掉， DSP信号工作正常。
4.2管脚接到地上
FPGA配置芯片工作不正常， 经检测发现ADR3的脚接到地上，如图5所示。
图5管脚接到地上
U1的6管脚不应接地， 但焊接时接到地， 将管脚与地断开， 此位置信号工作正常。
4.3管脚被接到电源上
配置芯片工作不正常， 经边界扫描后发现， U2的43脚被接到电源上，如图6所示。
图6管脚被接到电源上
U2的43管脚不应接电源， 但焊接时接到电源上， 将管脚与电源断开， 此信号工作正常。
5增加测试覆盖率
通过边界扫描测试发现了一些焊接问题， 但测试覆盖率只有60%。 为了提高测试覆盖率， 可以采用下面的三种方法：
（1） 器件的选择
尽量选择支持边界扫描标准的器件， 并从设备制造商得到准确的模型。
（2） 边界扫描链的搭建
将集成电路组成一个完整的扫描链路， 将前一个边界扫描器件的TDO连接到后一个边界扫描器件的TDI上， 组成一个扫描链路。
（3） 簇测试
簇测试就是要将边界扫描器件的输出管脚和不支持边界扫描器件的输入管脚相连， 再将不支持边界扫描器件的输出管脚和边界扫描器件的输入管脚相连， 形成一个边界扫描链。 再通过扫描链上后面的边界扫描器件将测试响应串行输出， 并编程来控制边界扫描器件的控制端。 这样可以达到提高测试覆盖率的目的。 簇测试的示意图如图7所示。
图7簇测试
簇测试中FPGA以及配置芯片等边界扫描模型可以从网上查到， 电阻、电容、二三极管的模型在库中调用， 但其他器件如双向驱动器、光耦、电源模块等没有模型， 因此为提高测试覆盖率， 还需对不支持边界扫描的器件建模。 建模如下：
%CHAR
CHAR SNJ54F193J
Type=DIGITAL
leads =16；
EHABLE 4， 5 ， 11， 12 ， 13 ，14；
output 3；
input 15 ；
output 2；
input 1；
output 7；
input 9；
output 6；
input 10；
通过这种方法实质上就是在不具有边界扫描结构的元器件和具有边界扫描结构的元器件之间建立了边界扫描链， 在扫描链上的不具有边界扫描结构的元器件两端加上了虚拟的I/O端口， 提高了测试覆盖率。
通过采用上述方法， 增加了边界扫描的测试覆盖率， 边界扫描覆盖率示意图见图8。
图8边界扫描覆盖率示意图
通过图8可见整板线覆盖率为84.7%， 覆盖率已经大大提高。
6结论
边界扫描技术能快速有效地检测到焊接时造成的故障， 例如两相邻的管脚互连， 管脚接地和管脚接电源等问题。 应用边界扫描技术可以迅速给出故障位置信息， 大大提高生产效率， 缩短产品的研发周期。
参考文献：
[1] 王海波， 侯同刚， 王旭. 基于BST的空空导弹测试性设计[J]. 航空兵器， 2006（6）： 53-56.
[2] 韩洁， 王向东. 用Pinpoint系统进行元件级设备维修[J]. 设备管理与维修， 2006（2）： 19-21.
[3] 何俊山， 黄汉松， 程方. 印制电路板在线故障诊断系统[J]. 国外电子测量技术， 2001（5）： 21-24.
[4] 王艳红， 张明珠. 边界扫描技术在PCB结构测试中的应用[J].北京工业职业技术学院学报， 2010， 9（4）： 8-12.
[5] 陆鹏， 谢永乐.基于边界扫描技术的集成电路测试系统设计与实现[J].电子质量， 2009（10）： 13-15.
[6] 王建业， 阐保强， 吴法文. 边界扫描技术在PCB可测性设板的测试性设计[J].空军工程大学学报：自然科学版，2003（5）： 60-63. [7] 耿爽. 边界扫描电路故障类型分析[J]. 微处理机， 2014（3）： 5-7.
[8] 常青. 基于边界扫描的存储器BIST技术[J]. 计算机测量与控制，2014（1）： 5-7.
（上接第23页）4结论
本文对振动与静态基座下激光陀螺捷联惯导系统的误差参数辨识进行了仿真对比， 结果表明：振动基座下， 水平陀螺漂移收敛速度快于静态基座对准， 最终估计精度相当。 z向陀螺漂移收敛速度稍优于静态基座； 水平加速度计偏置误差的收敛速度在振动基座下是静态基座下的2倍， 收敛速度得到大幅提高， 最终收敛精度也明显优于静态基座。 因此， 线振动环境下， 导航系统的误差辨识度更高并且更符合捷联惯导系统的应用环境， 具有较高的应用价值。
参考文献：
[1] 管叙军， 王新龙. 捷联惯导系统动基座传递对准匹配方法[J]. 航空兵器， 2014（2）： 3-8.
[2] 邱宏波， 周章华. 光纤捷联惯导系统高阶误差模型的建立与分析[J]. 中国惯性技术学报， 2008， 16（1）： 1-7.
[3] 邓正隆， 徐松艳， 付振宪. 线振动条件下平台漂移误差模型参数辨识仿真研究[J].中国惯性技术学报， 2002， 10（6）： 45-49.
[4] 于海龙. 提高振动环境下激光陀螺捷联惯导系统精度的方法研究[D]. 长沙： 国防科技大学， 2012.
[5] 张红良. 陆用高精度激光陀螺捷联惯导系统误差参数估计方法研究[D]. 长沙： 国防科技大学， 2010.
[6] 秦永元. 卡尔曼滤波与组合导航原理[M]. 西安： 西北工业大学出版社， 1998.
[7] Lee J G， Park G G， Park H W. Multiposition Alignment of Strapdown Inertialnavigation System[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1999， 29（4）： 1323-1328.
[8] GoshenMeskin D，BarItzhack I Y. Observability Analysis of PieceWise Constant Systems Part I： Theory[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1992， 28（4）： 1056-1067.
[9] 万德钧， 房建成. 惯性导航初始对准[M]. 南京： 东南大学出版社， 1998.
[10] 吴赛成. 船用高精度激光陀螺姿态测量系统关键技术研究[D]. 长沙： 国防科技大学， 2011.0引言
表1
关键词： 边界扫描； 可测性设计； 故障诊断
中图分类号： TN407文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2015）04-0047-045
Optimal Testability Design of Circuit Board Based on Boundary Scan
Liu Xuejie， Li Lin， Han Junjie， Wang Wei
（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）
Abstract： The largescale digital integrated circuit such as DSP and FPGA， easy to appear welding failure in process of electric fitting because of the large quantity of circuit pin and the close spacing. Boundaryscan test technology is being used widely to reduce times on fault diagnosis. The basic principle of performance test based on Boundaryscan（BS） technology is briefly discussed， develops a new method of fault diagnosis. The application shows the efficiency of the method. Boundaryscan test technology will meet the need of further development on test plan.
Key words： boundaryscan； design for testability ； fault diagnosis
0引言
为实现空空导弹先进的战术指标， 空空导弹信号处理电路板通常采用DSP，FPGA等大规模数字集成电路， 极大地提高了产品性能。 但在科研试制过程中， 发现DSP和FPGA因管脚多、间距密， 一旦出现焊接故障， 就有可能造成排故进度缓慢、排故成本高昂的后果， 耽误生产任务。 通过边界扫描技术， 可以解决焊接故障难以找到的问题。
1当前的电装测试技术
目前在电装测试领域中常用的技术种类有功
收稿日期： 2015-03-26
基金项目： 中航导弹院科技创新基金项目（2014DZC01）
作者简介： 刘学杰（1980-）， 男， 山东烟台人， 工程师， 主要从事EDA设计工作。
能测试、在线测试、人工目视检查、自动光学测试、自动X射线测试等。
上述各测试技术优缺点如下：功能测试一般通过连接器连线进行测试， 优点是可以完整的测出系统各部分的性能， 缺点是耗费时间过长。 在线测试的优点是电气缺陷测试， 能够有效地查找器件的功能不正常或错值等， 缺点是不能完整检测电气性能， 且测试要求的节点数越多， 所需要的夹具也越多， 产品所需的费用也会快速增长， 而且在线测试无法测试埋、盲孔和测试点太密集的情况。 人工目视检查一般只起辅助作用， 而自动光学测试和自动X射线测试受图像识别算法所限， 还不能完全满足测试需求。
为保证测试效果， 使得电路的测试覆盖率达到80%以上。 经过反复分析， 采用以边界扫描技术为测试平台的方案。
2边界扫描技术的原理
边界扫描技术是一种可测试结构技术， 它模拟物理引脚对器件内部进行的扫描测试。 原理是通过在器件的管脚上增加移位寄存器， 然后把这些移位寄存器连接起来， 加上时钟信号、扫描输入和输出端口以及测试方式选择构建成为边界扫描通道。
航空兵器2015年第4期刘学杰等： 基于边界扫描的印制板可测试性分析研究边界扫描结构由四个基本单元组成：测试存取口、 控制器、指令寄存器以及测试数据寄存器。 其中测试存取口包括4条测试总线：测试数据输入（TDI）、测试数据输出（TDO）、测试模式选择（TMS）和测试时钟输入（TCK）。 控制器是边界扫描的核心部分， 由TMS调用测试逻辑， 从TDI 加入的数据在时钟的工作下可以在移位寄存器链中移动进行边界扫描， 通过检测TDO输出的测试数据， 以达到测试的目的。 边界扫描技术原理如图1所示。
图1边界扫描技术原理
3搭建测试平台
3.1硬件平台搭建
所用的测试设备有：边界扫描软件Victory和动态功能测试系统SPECTRUM 9100， 其中9100系统机柜内含AI710，AI760，BI410，DI025，DI050等板卡及矩阵开关、交流电源、电子负载等。 印制板连接如下：
（1） FPGA的工作模式是由M0，M1，M2管脚来决定的， M0，M1，M2为“101”时，工作模式为边界扫描模式； “000”为正常工作模式。 由于电路在正常工作状态和边扫测试状态下， FPGA管脚M0，M2的置位不同， 为避免使用机械开关， 且为避免电烙铁反复加热致使电阻焊盘脱落， 故电路图决定采用“表贴电阻+跳帽”的方式进行置位选择， 即M0，M1，M2正常工作状态 “000”通过100 Ω表贴电阻置位； 边扫测试状态“101”通过跳帽短路置位。 M0，M1，M2配置电路图如图2所示。 图2工作模式配置电路图
（2） DSP的EMU管脚通过飞线接0；
（3） JTAG口的TMS，TCK，TDI，TDO，TRST，GND管脚通过飞线接测试矩阵开关；
（4） 板上数字电源VCC和GND通过飞线接外部电源。
3.2软件平台搭建
使用的软件为Victory软件， 测试需要的文件和功能如下：
（1） DCD（.dcd）文件：用于边扫测试链路描述；
（2） Access （.axp）文件：用于外部接口描述；
（3） Netlist （.cds）文件：用于电路网表建立；
（4） BSDL（.bsm）文件：用于有BSDL模型的器件模型进行转换；
（5） Char （.chr）文件：用于无BSDL模型的器件建模。
4通过边界扫描发现的问题
DSP和FPGA组成的信息处理系统如图3所示， DSP和FPGA均为BGA封装， 焊接难度较大， 焊接后调试时发现系统工作不正常。 测试中发现问题如下：
图3印制板图
4.1器件管脚短路
DSP工作不正常， 对DSP进行边界扫描测试发现两器件管脚短路，见图4。
图4器件管脚短路
RN8的2管脚和D4器件的M25管脚焊接时造成短路， 将连接的锡膏去掉， DSP信号工作正常。
4.2管脚接到地上
FPGA配置芯片工作不正常， 经检测发现ADR3的脚接到地上，如图5所示。
图5管脚接到地上
U1的6管脚不应接地， 但焊接时接到地， 将管脚与地断开， 此位置信号工作正常。
4.3管脚被接到电源上
配置芯片工作不正常， 经边界扫描后发现， U2的43脚被接到电源上，如图6所示。
图6管脚被接到电源上
U2的43管脚不应接电源， 但焊接时接到电源上， 将管脚与电源断开， 此信号工作正常。
5增加测试覆盖率
通过边界扫描测试发现了一些焊接问题， 但测试覆盖率只有60%。 为了提高测试覆盖率， 可以采用下面的三种方法：
（1） 器件的选择
尽量选择支持边界扫描标准的器件， 并从设备制造商得到准确的模型。
（2） 边界扫描链的搭建
将集成电路组成一个完整的扫描链路， 将前一个边界扫描器件的TDO连接到后一个边界扫描器件的TDI上， 组成一个扫描链路。
（3） 簇测试
簇测试就是要将边界扫描器件的输出管脚和不支持边界扫描器件的输入管脚相连， 再将不支持边界扫描器件的输出管脚和边界扫描器件的输入管脚相连， 形成一个边界扫描链。 再通过扫描链上后面的边界扫描器件将测试响应串行输出， 并编程来控制边界扫描器件的控制端。 这样可以达到提高测试覆盖率的目的。 簇测试的示意图如图7所示。
图7簇测试
簇测试中FPGA以及配置芯片等边界扫描模型可以从网上查到， 电阻、电容、二三极管的模型在库中调用， 但其他器件如双向驱动器、光耦、电源模块等没有模型， 因此为提高测试覆盖率， 还需对不支持边界扫描的器件建模。 建模如下：
%CHAR
CHAR SNJ54F193J
Type=DIGITAL
leads =16；
EHABLE 4， 5 ， 11， 12 ， 13 ，14；
output 3；
input 15 ；
output 2；
input 1；
output 7；
input 9；
output 6；
input 10；
通过这种方法实质上就是在不具有边界扫描结构的元器件和具有边界扫描结构的元器件之间建立了边界扫描链， 在扫描链上的不具有边界扫描结构的元器件两端加上了虚拟的I/O端口， 提高了测试覆盖率。
通过采用上述方法， 增加了边界扫描的测试覆盖率， 边界扫描覆盖率示意图见图8。
图8边界扫描覆盖率示意图
通过图8可见整板线覆盖率为84.7%， 覆盖率已经大大提高。
6结论
边界扫描技术能快速有效地检测到焊接时造成的故障， 例如两相邻的管脚互连， 管脚接地和管脚接电源等问题。 应用边界扫描技术可以迅速给出故障位置信息， 大大提高生产效率， 缩短产品的研发周期。
参考文献：
[1] 王海波， 侯同刚， 王旭. 基于BST的空空导弹测试性设计[J]. 航空兵器， 2006（6）： 53-56.
[2] 韩洁， 王向东. 用Pinpoint系统进行元件级设备维修[J]. 设备管理与维修， 2006（2）： 19-21.
[3] 何俊山， 黄汉松， 程方. 印制电路板在线故障诊断系统[J]. 国外电子测量技术， 2001（5）： 21-24.
[4] 王艳红， 张明珠. 边界扫描技术在PCB结构测试中的应用[J].北京工业职业技术学院学报， 2010， 9（4）： 8-12.
[5] 陆鹏， 谢永乐.基于边界扫描技术的集成电路测试系统设计与实现[J].电子质量， 2009（10）： 13-15.
[6] 王建业， 阐保强， 吴法文. 边界扫描技术在PCB可测性设板的测试性设计[J].空军工程大学学报：自然科学版，2003（5）： 60-63. [7] 耿爽. 边界扫描电路故障类型分析[J]. 微处理机， 2014（3）： 5-7.
[8] 常青. 基于边界扫描的存储器BIST技术[J]. 计算机测量与控制，2014（1）： 5-7.
（上接第23页）4结论
本文对振动与静态基座下激光陀螺捷联惯导系统的误差参数辨识进行了仿真对比， 结果表明：振动基座下， 水平陀螺漂移收敛速度快于静态基座对准， 最终估计精度相当。 z向陀螺漂移收敛速度稍优于静态基座； 水平加速度计偏置误差的收敛速度在振动基座下是静态基座下的2倍， 收敛速度得到大幅提高， 最终收敛精度也明显优于静态基座。 因此， 线振动环境下， 导航系统的误差辨识度更高并且更符合捷联惯导系统的应用环境， 具有较高的应用价值。
参考文献：
[1] 管叙军， 王新龙. 捷联惯导系统动基座传递对准匹配方法[J]. 航空兵器， 2014（2）： 3-8.
[2] 邱宏波， 周章华. 光纤捷联惯导系统高阶误差模型的建立与分析[J]. 中国惯性技术学报， 2008， 16（1）： 1-7.
[3] 邓正隆， 徐松艳， 付振宪. 线振动条件下平台漂移误差模型参数辨识仿真研究[J].中国惯性技术学报， 2002， 10（6）： 45-49.
[4] 于海龙. 提高振动环境下激光陀螺捷联惯导系统精度的方法研究[D]. 长沙： 国防科技大学， 2012.
[5] 张红良. 陆用高精度激光陀螺捷联惯导系统误差参数估计方法研究[D]. 长沙： 国防科技大学， 2010.
[6] 秦永元. 卡尔曼滤波与组合导航原理[M]. 西安： 西北工业大学出版社， 1998.
[7] Lee J G， Park G G， Park H W. Multiposition Alignment of Strapdown Inertialnavigation System[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1999， 29（4）： 1323-1328.
[8] GoshenMeskin D，BarItzhack I Y. Observability Analysis of PieceWise Constant Systems Part I： Theory[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1992， 28（4）： 1056-1067.
[9] 万德钧， 房建成. 惯性导航初始对准[M]. 南京： 东南大学出版社， 1998.
[10] 吴赛成. 船用高精度激光陀螺姿态测量系统关键技术研究[D]. 长沙： 国防科技大学， 2011.0引言
表1