基于IEEE 1149.6標(biāo)準(zhǔn)的高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測試方法

尤 路

(中國電子科技集團(tuán)公司第38 研究所 合肥 230088)

0 引言

在高速串行通信中，設(shè)計者更傾向采用差分信號傳輸，相比于單端信號傳輸，它的抗干擾能力和故障容錯能力強(qiáng)，而且失真度小。為了提高對差分互連與交流耦合信號的測試能力，2001年5月，Agilent公司和Cisco 公司成立了“特別工業(yè)工作組”開始起草用于高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)，2003年IEEE 計算機(jī)協(xié)會和測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會通過并公布了該標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 1149.6-2003。

該標(biāo)準(zhǔn)的主要任務(wù)是設(shè)計支持具有魯棒性的邊界掃描測試芯片，所測試的信號通道中允許使用差分信號交流耦合技術(shù)。它的目標(biāo)是提高IEEE 1149.1 的檢測能力，以保持快速準(zhǔn)確的檢測和診斷系統(tǒng)中和電路板上的互連缺陷。IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)定義的測試同時適用于IEEE 1149.1 傳統(tǒng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測試和IEEE 1149.4 傳統(tǒng)模擬網(wǎng)絡(luò)測試，該標(biāo)準(zhǔn)在原IEEE 1149.1 基礎(chǔ)上擴(kuò)充了邊界掃描的描述語言(BSDL)，以支持新的測試模式。該標(biāo)準(zhǔn)制定的目的是為IC 的可測試性電路提供設(shè)計指南，當(dāng)這些IC包含差分信號，具有交流耦合特性時，可以方便地以更高的故障覆蓋率對其進(jìn)行板級和系統(tǒng)級測試。

1 IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)

1.1 概述

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)是一種結(jié)構(gòu)化的可測性設(shè)計方案，兼容IEEE 1149.1 數(shù)字電路邊界掃描測試標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)充了測試資源，彌補(bǔ)了它對高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)交流耦合、差分互連等測試能力的不足。具體來說，對于數(shù)字電路中的直流耦合互連部分，仍然采用IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行測試;而其中的交流耦合、差分互連部分，新標(biāo)準(zhǔn)則制訂了專用的交流外測試指令與測試結(jié)構(gòu)以滿足測試的要求。

圖1 差分驅(qū)動雙單端接收

考慮到交流耦合差分互連與一般的直流耦合互連不同，在IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)中，推薦采用圖1所示的高速測試模型，這種方式克服了差分對中單管腳故障、共模噪聲等影響，最大限度地發(fā)揮了測試電路的效能，具有故障覆蓋能力強(qiáng)，對高速信號通道的性能影響小等特點。

圖2 高速數(shù)字邊界掃描器件基本結(jié)構(gòu)

1.2 高速數(shù)字邊界掃描器件的基本結(jié)構(gòu)

邊界掃描測試的實現(xiàn)需要帶有邊界掃描功能的器件支持，與IEEE 1149.1 一樣，IEEE 1149.6 也定義了器件外部配置的專用管腳，包括測試時鐘(Test Clock，TCK)、測試模式選擇(Test Mode Select，TMS)、測試數(shù)據(jù)輸入(Test Data In，TDI)、測試數(shù)據(jù)輸出(Test Data Out，TDO)與測試復(fù)位TRST*(Test Reset，TRST*，該管腳可選)。同時，器件內(nèi)核邏輯與外部I/O 管腳之間嵌入了邊界掃描單元，這些單元均具有移位寄存器的特征，在內(nèi)部依次串接后，首尾分別與測試管腳TDI和TDO 連接，形成一條芯片內(nèi)部的邊界掃描鏈，如圖2所示。高速數(shù)字邊界掃描器件的基本結(jié)構(gòu)通常包含:邊界掃描單元、TAP控制器、指令寄存器、指令譯碼器、旁路寄存器與其它用戶測試數(shù)據(jù)寄存器等。若電路板上有多個邊界掃描器件，它們各自的掃描鏈則以菊花鏈形式連接，構(gòu)成一條更長的邊界掃描鏈。當(dāng)測試進(jìn)行時，外部測試控制器將通過這條鏈向各器件串行移入測試指令與測試向量，并采集反饋的測試響應(yīng)，完成測試任務(wù)。

1.3 IEEE 1149.6 交流測試指令

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，兼容原來所有的測試指令，同時，為了滿足交流耦合、差分互連測試的需要，額外增加了兩條用于交流外測試的指令，即EXTEST_PULSE 和EXTEST_TRAIN。

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)提供的兩條新指令EXTEST_PULSE 和EXTEST_TRAIN 指令為交流測試模式指令，使用與IEEE 1149.1 相同的邊界掃描寄存器的數(shù)據(jù)和控制單元。這些指令用于生成和采集交流測試信號，主要用來調(diào)制測試數(shù)據(jù)，對包含交流管腳的器件，測試數(shù)據(jù)將通過交流耦合通道進(jìn)行傳播，一般情況下都使用EXTEST_PULSE 指令，除非有特別要求才使用EXTEST_TRAIN 指令。

EXTEST_PULSE 指令是為交流管腳定義的新的測試功能，無論EXTEST_PULSE 指令何時有效，所有直流管腳都按IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的EXTEST 指令執(zhí)行。EXTEST_PULSE 指令使能交流管腳的信號通路邊沿檢測功能，交流管腳上測試接收器甚至在信號因交流耦合衰減時，也能重建驅(qū)動器的原始波形。

圖3 EXTEST_PULSE 指令有效時的交流測試信號

2 基于IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的測試實例

目前一些大規(guī)模FPGA 均支持IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)，如Altera 公司的Cylone IV 系列和Stratix V 系列，Xilinx 公司的Virtex-6，Virtex-7 等，德州儀器(TI)公司的雙路1.5Gbps 緩沖器SCAN15MB200 和1.5Gbps LVDS 交叉點開關(guān)SCAN90CP02 也支持IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)，下面以SCAN90CP02 為例介紹IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的測試驗證過程。

2.1 測試驗證硬件的設(shè)計

DEMO 板主要由兩片SCAN90CP02 芯片構(gòu)成，如圖4所示。在差分、交流耦合互連網(wǎng)絡(luò)中插入了多個開關(guān)，可以設(shè)置互連中如驅(qū)動器正/負(fù)端開路，接收器正/負(fù)端開路，終端匹配電容短路等多個故障。另一方面，在兩片芯片的掃描鏈中設(shè)置了兩個開關(guān)，既可以選擇對單/雙芯片進(jìn)行操作，也可以設(shè)置掃描鏈路故障;此外，借助于芯片本身具有的故障插入能力，還可以設(shè)置驅(qū)動器正/負(fù)端呆滯1 或呆滯0 故障。

圖4 差分/交流耦合邊界掃描鏈路

2.2 差分/交流耦合高速數(shù)字電路的測試

IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的主要任務(wù)是解決差分/交流耦合高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的互連測試問題，圖4所示電路中，差分/交流耦合互連在U1 的OUT1+、OUT1-與U2 的IN1+、IN1-之間，通過故障模擬電路可以模擬各種故障現(xiàn)象。交流互連測試流程與數(shù)字電路的互連測試流程相同，僅采用交流測試指令EXTEST_PULSE 指令。

1.正常互連交流測試

當(dāng)不設(shè)置任何故障的情況時，互連情況如圖5所示:

圖5 正?；ミB示意圖

測試開始時，首先通過PRELOAD 指令在OUT1測試驅(qū)動單元內(nèi)預(yù)裝0 或1 值，然后送入EXTEST_PULSE 指令。當(dāng)它有效時，OUT1 內(nèi)預(yù)裝的值將與全局交流測試信號相異或，送到驅(qū)動器后TX+/-端將產(chǎn)生相應(yīng)的上升沿/下降沿，測試結(jié)果如表1所示。

表1 正?；ミB交流測試結(jié)果

2.TX+開路故障測試

TX+開路故障如圖6所示，測試結(jié)果如表2所示，RX+捕獲的值總與RX-的值一致，但是如果存在TX+與VDD 短路、TX+與GND 短路、RX+開路、TX-與RX+短路等故障，故障測試結(jié)果與該測試結(jié)果相同。

圖6 TX+開路故障示意圖

表2 TX+開路故障測試結(jié)果

3.TX-開路故障測試

TX-開路故障如圖7所示，測試結(jié)果如表3所示，RX+捕獲的值總與RX-的值一致，但是如果存在TX-與VDD 短路、TX-與GND 短路、RX-開路、TX+與RX-短路等故障，故障測試結(jié)果與該測試結(jié)果相同。

圖7 TX-開路故障示意圖

4.TX+與TX-短路故障測試

TX+與TX-短路故障如圖8所示，測試結(jié)果如表4所示，由于TX+與TX-短路，RX+與RX-接收到一個不穩(wěn)定的電平，經(jīng)測試接收器后，收到的數(shù)據(jù)也是不確定的，在此分別用V1、V2 和V3、V4 表示RX+和RX-內(nèi)捕獲的值，RX+與RX-短路故障測試結(jié)果與該測試結(jié)果相同。

圖8 TX+與TX-短路故障示意圖

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表4 TX+與TX-短路故障測試結(jié)果

5.RX+與GND 短路故障測試

RX+與GND 短路故障如圖9所示，測試結(jié)果如表5所示，當(dāng)RX+與VDD 短路時，RX+與RX-將總是捕獲邏輯“0”，RX-與GND 短路故障測試結(jié)果與該測試結(jié)果相同。

圖9 RX+與GND 短路故障示意圖

表5 RX+與GND 短路故障測試結(jié)果

6.RX+與VDD 短路故障測試

RX+與VDD 短路故障如圖10所示，測試結(jié)果如表6所示，當(dāng)RX+與VDD 短路時，RX+與RX-將總是捕獲邏輯“1”。RX-與VDD 短路故障測試結(jié)果與該測試結(jié)果相同。

圖10 RX+與VDD 短路故障示意圖

表6 RX+與VDD 短路故障測試結(jié)果

7.耦合電容短路故障測試

表7 TX+與RX+的耦合電容短路故障測試結(jié)果

TX+的耦合電容短路故障如圖11所示，測試結(jié)果如表7所示，由測量結(jié)果可知RX+捕獲的值與RX-相同。此時TX+與RX+直流耦合，TX+端的信號幾乎無延時的到達(dá)RX+端。如果用EXTEST_PULSE 指令，RX+腳測試接收單元不能正確采樣信號的上升沿，使得測試無法進(jìn)行;如果用EXTEST 指令，測試接收單元的遲滯比較器將與參考直流電平比較，捕獲的值將覆蓋遲滯存儲器內(nèi)的初始值。應(yīng)用這種方法，測試前需用PRELOAD 指令在測試接收單元的遲滯存儲器內(nèi)預(yù)置初始值，從而檢測出耦合電容短路。

3 總結(jié)

通過對IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)的研究，對高速差分耦合通道中的故障模式有了較為深刻的了解，隨著高速信號測試需求的逐漸增加，IEEE 1149.6 的應(yīng)用前景將會越來越廣，目前很多邊界掃描測試工具中已經(jīng)兼容了IEEE 1149.6 標(biāo)準(zhǔn)，在測試領(lǐng)域已實現(xiàn)與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的融合，為數(shù)字電路高速通道的測試提供了一種簡單有效的手段。

［1］譚劍波，尤路，黃新，張卿等，邊界掃描測試技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2013.

［2］“IEEE Standard for Boundary-Scan Testing of Advanced Digital Networks”，IEEE Standard 1149.6-2003，IEEE Standards Board，345 East 47th St.New York NY 10017，2003.

［3］尤路，譚劍波，夏勇.基于邊界掃描技術(shù)的通用測試系統(tǒng)設(shè)計.［J］合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，36(4):452-455.

［4］黃新，雷加，顏學(xué)龍.基于網(wǎng)絡(luò)的邊界掃描測試技術(shù)的研究與實現(xiàn).［J］計算機(jī)測量與控制，2010，18(7):1476-1478+1482.

［5］Kenneth P.Parker.The Boundary-Scan Handbook Second Edition.KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS，2003.