邊界掃描原理剖析

邊界掃描技術(shù)的核心思想是在器件內(nèi)部的核心邏輯與I/O引腳之間插入的邊界掃描單元，它在芯片正常工作時是“透明”的，不影響電路板的正常工作。各邊界掃描單元以串行方式連接成掃描鏈，通過掃描輸入端將測試矢量以串行掃描的方式輸入，對相應的引腳狀態(tài)進行設(shè)定，實現(xiàn)測試矢量的加載；通過掃描輸出端將系統(tǒng)的測試響應串行輸出，進行數(shù)據(jù)分析與處理，完成電路系統(tǒng)的故障診斷及定位，邊界掃描測試原理示意圖如圖1所示。

圖1 邊界掃描測試基本原理示意圖

邊界掃描測試的物理基礎(chǔ)是IEEE1149.1邊界掃描測試總線和設(shè)計在器件內(nèi)的邊界掃描結(jié)構(gòu)，標準的邊界掃描結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中邊界掃描測試總線由測試數(shù)據(jù)輸入（TDI）、測試數(shù)據(jù)輸出（TDO）、測試時鐘（TCK） 、測試模式選擇（TMS）和復位信號（TRST）五根信號線組成。而標準的邊界掃描結(jié)構(gòu)就是在器件內(nèi)部的核心邏輯I/O引腳增加了邊界掃描單元（BSC），同時還增加了和邊界掃描測試相關(guān)的指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、測試訪問端口TAP控制器等電路。在測試狀態(tài)時，邊界掃描結(jié)構(gòu)可以對數(shù)據(jù)寄存器或指令寄存器進行操作，即從TDI端口把測試矢量移入邊界掃描單元，從TDO端口把測試響應移出。

圖2 標準邊界掃描結(jié)構(gòu)

總體設(shè)計方案

便攜式邊界掃描故障診斷儀需要根據(jù)被測系統(tǒng)電路的描述文件生成邊界掃描測試矢量，然后轉(zhuǎn)換為IEEE1149.1邊界掃描測試總線信號自動加載到被測系統(tǒng)中，同時從TDI引腳自動讀取邊界掃描測試響應進行分析處理，根據(jù)邊界掃描相應算法作出故障診斷決策及定位隔離，最后通過LCD顯示診斷結(jié)果。本文采用片上可編程系統(tǒng)解決方案將便攜式故障診斷儀進行軟硬件協(xié)同設(shè)計在一片FPGA上，使所設(shè)計的電路系統(tǒng)在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護及硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化（整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示）。

圖3 便攜式邊界掃描故障診斷儀電路結(jié)構(gòu)示意圖

硬件設(shè)計

本文采用Altera公司嵌入軟核Nios處理器的FPGA作為載體來實現(xiàn)邊界掃描故障診斷儀的SOPC系統(tǒng)。邊界掃描故障診斷儀主要實現(xiàn)邊界掃描測試矢量的生成、JTAG總線信號發(fā)生器、邊界掃描故障診斷應用軟件、故障顯示等功能，是便攜式邊界掃描故障診斷系統(tǒng)的核心。利用SOPC Builder創(chuàng)建Nios軟核CPU并進行參數(shù)化配置，同時構(gòu)建儲存器、計時器、LCD接口組件、IEEE1149.1測試總線用戶邏輯為一體的SOPC系統(tǒng)，邊界掃描故障診斷片上可編程系統(tǒng)內(nèi)部模塊配置圖如圖4所示。

圖4 邊界掃描故障診斷SOPC系統(tǒng)內(nèi)部模塊配制圖

本文利用向?qū)浇缑骒`活定制邊界掃描故障診斷系統(tǒng)，采用標準型Nios II軟核處理器，并添加了4K字節(jié)的指令緩存Cache。同時為了方便調(diào)試邊界掃描故障診斷系統(tǒng)的軟硬件，在處理器模塊中添加JTAG調(diào)試單元，在SOPC系統(tǒng)軟硬件調(diào)試成功且能獨立運行后，也可以將JTAG調(diào)試單元去掉。

可復用IEEE1149.1測試總線控制器IP核是邊界掃描測試控制器的核心，也是整個邊界掃描測試平臺設(shè)計的關(guān)鍵所在。本文設(shè)計的IEEE1149.1測試總線控制器IP核主要功能包括：產(chǎn)生邊界掃描測試時鐘TCK、對被測系統(tǒng)電路輸出TMS控制序列、讀取被測系統(tǒng)的測試響應和加載測試矢量、與SOPC系統(tǒng)中的微處理器進行通訊及測試數(shù)據(jù)交換和在TCK和TMS配合下控制被測系統(tǒng)中TAP控制器完成邊界掃描測試的全部過程。

在IP核的開發(fā)過程中采用IC的設(shè)計思想，首先根據(jù)功能需求確定外部接口，然后劃分內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元，通過實現(xiàn)內(nèi)部每個小單元的功能，最后組合完成JTAG總線控制IP核的整個設(shè)計，JTAG總線控制邏輯內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其中TDO緩沖模塊主要由FIFO、計數(shù)器、并/串轉(zhuǎn)換及控制部分組成。

圖5 jTAG IP 核內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件開發(fā)

mc/os操作系統(tǒng)移植

將mC/OS-II移植到Nios軟核CPU平臺上，只需修改與處理器相關(guān)的代碼OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三個文件。同時根據(jù)本系統(tǒng)的功能需要，用OS_CFG.H配置內(nèi)核設(shè)置系統(tǒng)的基本情況以及整個實時系統(tǒng)所需要內(nèi)核和用戶的頭文件INCLUDES.H。根據(jù)各個任務的重要性和時間關(guān)鍵性，設(shè)定每個任務的優(yōu)先級，以便任務調(diào)度之用。

故障診斷軟件

故障診斷軟件首先根據(jù)預先固化在Flash存儲器中的被測系統(tǒng)的邊界掃描描述文件（BSDL）和網(wǎng)絡表等描述文件生成兩個測試數(shù)據(jù)文件：系統(tǒng)鏈路信息文件和器件間互連網(wǎng)絡節(jié)點文件。同時還需要獲得測試器件物理引腳號碼和器件邊界掃描單元的對應關(guān)系。然后根據(jù)相應的邊界掃描測試算法和不同的測試內(nèi)容生成測試數(shù)據(jù)：測試指令代碼、完整性測試數(shù)據(jù)、互連測試數(shù)據(jù)、芯片功能測試數(shù)據(jù)并且加載到被測系統(tǒng)掃描鏈路中及讀取邊界掃描測試響應。其次分析處理測試響應數(shù)據(jù)，剔除掃描鏈中垃圾數(shù)據(jù)，提取獲取故障診斷有用信息。最后根據(jù)測試內(nèi)容不同，進行掃描鏈路完備性測試故障診斷、互連測試故障診斷、器件功能測試故障診斷、簇測試故障診斷作出診斷結(jié)果。邊界掃描測試故障診斷數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流程圖

結(jié)語

本文設(shè)計的便攜式邊界掃描故障診斷儀不同于傳統(tǒng)的邊界掃描設(shè)備，不依靠PC就可實現(xiàn)邊界掃描測試與診斷，特別適合特殊領(lǐng)域的現(xiàn)場在線使用。尤其是在測試時間方面，克服了PC機上應用軟件與邊界掃描控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r的缺點，直接進行邊界掃描測試矢量的加載和讀取，大大提高了邊界掃描測試診斷的效率。

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