IEEE 1149.6標準在裝備測試性設計中的應用研究

蘇　峰，曾照洋，劉萌萌（中國航空綜合技術研究所，北京　100028）

IEEE 1149.6標準在裝備測試性設計中的應用研究

蘇峰，曾照洋，劉萌萌
（中國航空綜合技術研究所，北京100028）

邊界掃描技術是一種應用于集成電路的測試性結構設計方法，主要用來解決復雜電路的測試問題，而裝備中交流耦合、差分信號普在高速數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)絡普遍應用，對傳統(tǒng)上基于直流的故障檢測邊界掃描技術提出了挑戰(zhàn)。本文研究了IEE1149.6的基本原理及其在裝備測試性設計中的應用，它完全兼容原有的IEEE1149.1標準，可以很好地對高速數(shù)字網(wǎng)絡進行測試。

邊界掃描；IEEE1149.6；測試性；機內測試

0　引言

測試性設計是為了提高產品自診斷和外部診斷能力，能方便有效地確定產品狀態(tài)和隔離故障［1］。隨著新一代武器裝備的日益復雜化，對裝備本身的故障診斷能力也提出更高的要求。IEEE 1149.1標準的提出為采用低速高復雜性數(shù)字集成電路和高密度表面封裝等工藝技術的印制電路板的故障診斷問題提供了良好的解決方案，但是隨著新裝備電子設備集成化程度的提高，千兆位串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議的使用高速增長，在該領域交流耦合差分信號的工程應用逐漸成為主流，特別是同步光纖網(wǎng)絡通信，以太網(wǎng)以及帶寬和同步光學技術等領域都廣泛使用交流耦合技術，IEEE 1149.1越來越難以滿足來自于測試、調試和功能等多方面的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)對上述網(wǎng)絡的自動化測試，2001年5月，IEEE成立了1149.6工作組，并于2003年3月推出了IEEE 1149.6標準。該標準兼容了IEEE 1149.1標準，沿用已存在的邊界掃描測試技術，具有高可靠性、高故障覆蓋率和噪聲抑制能力強等特點。我國裝備在交流耦合差分傳輸信號測試性設計方面仍然缺乏研究與技術的推廣，本文就分析了IEEE 1149.6在裝備測試性設計中的適用性并提出了IEEE 1149.6的實現(xiàn)途徑，可以對裝備中電子設備交流耦合差分信號的測試性設計提供指導。

1　IEEE1149.6簡介

1.1標準概述

IEEE 1149.6標準在IEEE 1149.1標準的基礎上拓展了測試交流耦合或差分耦合互連所需的硬件，它可以兼容IEEE 1149.1標準，仍然沿用IEEE 1149.1標準結構進行測試，它們的基本原理相同，不同的是IEEE 1149.6針對交流耦合、差分互連被測信號制訂了專門的測試結構及測試指令。

與IEEE 1149.1類似，IEEE 1149.6標準所需的基本結構包含以下幾個部分［2］：

（1）TAP（測試存取通道）：TAP是訪問元器件內嵌入式測試支持功能的通用端口，能夠提供PCB或IC測試所需要的數(shù)據(jù)。IEEE 1149.1標準定義的測試邏輯至少包括TCK（測試時鐘信號）、TMS（測試方式選擇信號）和TDI（串行測試數(shù)據(jù)輸入信號）3個輸入信號的連接和一個TDO（串行測試數(shù)據(jù)輸出信號）連接。若TAP控制器不能上電復位，就要加上輸入信號TRST（測試系統(tǒng)復位信號）的連接。TAP的所有的輸入和輸出必須是專用的。

（2）TAP控制器：TAP控制器實現(xiàn)JTAG規(guī)范的核心控制器，基本功能是產生時鐘信號和控制信號，這些信號是指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器正常工作所要求的。它可以實現(xiàn)指令寄存器指令信號的裝入功能、數(shù)據(jù)從TDI到移位寄存器及從TDO到移位寄存器的控制功能、數(shù)據(jù)的捕獲/更新/移位操作功能。

（3）指令寄存器：主要提供在掃描路徑訪問數(shù)據(jù)寄存器所需要的控制和地址信號。

（4）數(shù)據(jù)寄存器：包括器件標志寄存器、旁路寄存器和邊界掃描寄存器等，數(shù)據(jù)寄存器提供了邊界掃描測試路徑上的數(shù)據(jù)傳輸通道，整個工作過程中，及旁路寄存器BYPASS和掃描寄存器是必須參與的寄存器，其它的數(shù)據(jù)寄存器則可以根據(jù)需求選擇。器件標志寄存器IDCODE就是一個典型的數(shù)據(jù)寄存器，IDCODE數(shù)據(jù)只能讀出，它們是芯片生產廠商用來表示這種型號芯片的信息。

1.2交流耦合差分信號測試驅動器與測試接收器

在硬件上，IEEE 1149.6的驅動端在1149.1邊界掃描單元的基礎上添加了輸出測試驅動器（OTSG），根據(jù)不同的測試指令，OTSG能夠產生不同的測試信號。同時，IEEE 1149.6標準在相應的引腳上安置可觀測單元（即輸入測試接收器），進而允許測試系統(tǒng)從一對差分引腳中的負引腳上捕獲數(shù)據(jù)。其次，IEEE 1149.6還增加了直流/交流選擇單元，能夠快速切換直流和交流測試方式。給AC/DC選擇單元的相關寄存器寫入配置數(shù)據(jù)就可以控制選擇不同的測試方式。

1.3用于支持交流耦合差分信號測試的交流（AC）測試指令

IEEE 1149.6在IEEE 1149.1標準的基礎上增加了新增指令EXTEST_PULSE和EXTEST_TRAIN，該指令不僅可對直流管腳進行符合IEEE 1149.1標準的EXTEST測試，更重要的是它實現(xiàn)了一種新的交流管腳測試方式。

2　IEEE1149.6適用性分析

IEEE 1149.6標準適用于單端直流信號、單端交流信號、直流差分信號、交流差分信號，支持有源終端、負載終端、有參考終端、無參考終端的測試，能夠檢測多種短路及開路故障。IEEE 1149.6將測試的管腳分為直流和交流兩種類型：直流管腳指利用IEEE 1149.1就可以進行測試的類型；交流管腳則需要通過IEEE 1149.6才可進行測試。

2.1IEEE 1149.6適用的信號類型

該標準可用于檢測單端直流信號、單端交流信號、直流差分信號和交流差分信號故障，能夠支持有源終端、負載終端和有參考終端、無參考終端等的測試。1149.6將測試的管腳分為直流和交流兩種類型，其中直流管腳指利用1149.1就可以進行測試；而交流管腳則需要通過1149.6才可進行測試［3］。

（1）單端直流信號：通過一個通道進行傳輸，通常用作設定靜態(tài)參考電壓。

（2）單端交流信號：如圖1（b）為單端交流耦合連接示意圖（電壓源和終端電阻器也可以置于IC內部）。如圖6所示，TX端為驅動器，RX端為接收器，在TX與RX之間只有一個信號通道，該通路上串聯(lián)了一個電容，這種結構的通道即為單端交流耦合通道。

（3）直流差分信號：如圖1（c）所示為基本的直流耦合差分通道結構，在TX和RX間的兩個通路即為差分通路：在工作時，驅動信號在兩個通道上表現(xiàn)為兩個相位相反的獨立信號，這種信號傳輸方式可有效降低信號傳輸通道中的共模噪聲，RX將兩個通道上的信號相減形成單信號流。

（4）交流差分信號：圖1（d）為交流耦合差分通道結構示意圖，圖中的偏壓網(wǎng)絡與耦合電容可以在接收器電平與直流耦合不兼容時形成電平偏移器，保證系統(tǒng)的正常工作。

2.2IEEE 1149.6可檢測的故障范圍

1149.6與1149.1的目的相似，它們都是為檢測電路板中所存在的缺陷或故障而制定。這些缺陷包括器件性能失效和器件的開路、短路等。1149.6主要針對差分和AC耦合通道的上述缺陷，包括TX、RX正負端的短路、斷路，搭接，耦合電容的短路等。

如圖2所示的交直流耦合電路，IEEE 1149.6主要檢測的故障包括接收器引腳短路、驅動器引腳開路、耦合電容與接收器端開路以及驅動器引腳短路、接收器引腳短路、驅動器/接收器A與B引腳短路、驅動器A正或負與接收器B負或正引腳短路、驅動器正或負引腳與接收器負或正引腳短路、耦合電容兩端短路等故障。

2.3IEEE 1149.6在裝備測試性設計中的適用性分析

（1）裝備中總線類信號常用的檢測手段及其不足。目前裝備中針對高速差分耦合信號（如PCI-E、SGMII、SATA總線）的檢測方式仍然與普通的單端信號（如PCI、GMII、ATA信號）的檢測方式?jīng)]有大的區(qū)別，一般均采用了數(shù)據(jù)校驗或握手機制檢測的BIT設計方式。一般總線類信號的故障會發(fā)生在三個層次上，即物理層、電氣層、數(shù)據(jù)層。物理層的故障一般包括信號通路上的器件的開路、短路故障等；電氣層上的故障一般包括信號電壓錯誤、阻抗匹配電阻參數(shù)漂移等；數(shù)據(jù)層的故障一般包括數(shù)據(jù)信號時序錯誤、輸出電平錯誤等。這些器件層的故障傳遞至功能電路級的故障表征一般為總線信號無輸出、總線信號輸出錯誤、總線信號傳輸不穩(wěn)定。在功能電路級上，單端直流信號大部分故障發(fā)生后均能直接導致傳輸數(shù)據(jù)的錯誤，通過數(shù)據(jù)校驗方式或握手機制可以檢測到故障是否發(fā)生，但是交流耦合差分信號的故障具有一定的隱蔽性，如差分信號一端開路或短路、耦合電容的短路等，這些器件級故障并不能夠直接導致數(shù)據(jù)的錯誤，而是會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，這種不穩(wěn)定的故障類型在復雜環(huán)境下（如高低溫、高強度電磁干擾等）有可能會變的非常致命。

（2）支持IEEE 1149.6的芯片及工具。IEEE 1149.6標準的提出，交流耦合差分信號提供了成熟的BIT設計思路。在2003年該標準提出之后，很多公司都推出了支持IEEE 1149.6標準的芯片和相關技術工具，IEEE 1149.6逐步得到了廣泛的應用推廣。

目前市面上已存在較多支持IEEE1149.6標準的芯片，如TI公司開發(fā)了一系列的芯片SCAN15MB200、SCAN15MB200EVK、SCAN90004EVK、SCAN90CP02等。Altera公司在自己的芯片上也集成了支持IEEE 1149.6邊界掃描的功能單元，如Arria ⅡGX芯片上的高速串行接口（HSS）收發(fā)器單元就完全支持1149.6的交流測試模式。另如NSC公司推出1.5Gbps的2x2低電壓差分信號傳輸（LVDS）模擬交點開關SCAN90CP02，具備符合IEEE 1149.6標準的測試能力，可以配合TAP控制器完成符合IEEE 1149.6的測試。

Goepel的最新版（Ver.4.3）CASCON軟件工具能支持IEEE 1149.6標準，它的目標是測試帶有高速交流耦合和差分連接的數(shù)字電路，該軟件工具可以支持測試很多電路元器件，如高速串行/解串IC和差分發(fā)射器與接收器。同時該公司為擴展超越傳統(tǒng)IEEE 1149.1標準規(guī)定的邊界掃描測試能力而開發(fā)的ScanFlex平臺，不僅可用于AC邊界掃描的IEEE 1149.6，還可支持用于片上編程的IEEE1532、用于模擬邊界掃描的IEEE 1149.4，模塊化的ScanFlex可在多達8個獨立測試存取端口（TAP）中支持80MHz頻率的串行掃描模式。ScanFlex系統(tǒng)包括一個邊界掃描控制器、多個TAP收發(fā)模塊和支持附加測試設備的可選I/O模塊，其配置是兩個獨立可編程TAP，可支持32個動態(tài)數(shù)字I/O信號、2個模擬I/O信號、3個靜態(tài)數(shù)字I/O信號和3條觸發(fā)線［4］。另如Altera該公司發(fā)布的Medalist i3070系列5在線測試平臺能夠滿足極小面積印制電路板的IEEE 1149.6邊界掃描標準測試和有限測試應用。

（3）采用IEEE 1149.6標準技術的條件。IEEE 1149.6邊界掃描測試系統(tǒng)與IEEE 1149.1結構基本一樣，同樣需要在被測電路板上設計能夠支持IEEE 1149.6的電路，同時很多支持IEEE 1149.1標準的芯片也可以用于構建IEEE 1149.6標準邊界掃描系統(tǒng)。為支持IEEE 1149.6邊界掃描測試，設計的電路應盡量選取具有邊界掃描單元的器件來構成掃描鏈路，以降低測試的成本及難度。若邊界掃描器件不存在，則可以采用二次集成設計的方式自建符合IEEE 1149.6標準的邊界掃描鏈路，這種方式實現(xiàn)難度較高，但設計出的測試系統(tǒng)可以覆蓋更多不具備邊界掃描單元器件，同樣具有一定的實用價值。

目前裝備中采用的新型芯片很多可以支持IEEE 1149.6標準，但是這些新片并沒有建成邊界掃描鏈路，不能夠實現(xiàn)大規(guī)模的自動化測試，同時在裝備中還存在大量年代較早的芯片，這新芯片出現(xiàn)之前IEEE 1149.6標準還未推出，這就使得在已研制的裝備難以采用符合IEEE 1149.6標準的BIT測試電路。在新研的電子裝備上，采用符合1149標準的芯片并構建起邊界掃描鏈路的硬件成本并不高，具有較高的實用價值。

3　IEEE1149.6的實現(xiàn)途徑

應用IEEE 1149.6標準的邊界掃描測試系統(tǒng)的整體架構與IEEE1149.1基本一樣。其測試系統(tǒng)的架構如IEEE1149.1研究報告的附錄B所述。最主要的區(qū)別在于邊界掃描控制器實現(xiàn)邊界掃描測試邏輯時，能夠實現(xiàn)交流測試指令EXTEST_TRAIN和EXTEST_PULSE的功能，使TAP進入RUN-TEST/IDLE狀態(tài)，并控制在該狀態(tài)的時間，以滿足交流測試信號的脈寬TTest的要求。另外邊界掃描測試軟件需能夠分析電路中差分、交流耦合網(wǎng)絡的連接情況，并據(jù)此生成交流測試和直流測試的激勵向量，分析故障情況。

3.1具有IEEE 1149.6邊界掃描單元的電路測試性設計方法

根據(jù)邊界掃描測試系統(tǒng)功能和性能需求，邊界掃描測試系統(tǒng)由主控計算機、邊界掃描測試控制器和被測電路板組成。系統(tǒng)總體結構如圖3邊界掃描測試系統(tǒng)總體結構所示。

圖3　邊界掃描測試系統(tǒng)總體結構

PC機運行邊界掃描測試軟件，主要完成三個方面的工作：測試任務、人機交互和數(shù)據(jù)管理。

邊界掃描測試控制器的任務是與計算機通訊，獲取測試向量，從而選擇相應的掃描鏈路，并驅動邊界掃描測試總線，將測試向量加載到被測鏈路上進行測試；測試結束后，通知主控計算機讀取測試響應數(shù)據(jù)。

被測電路板是完成可測試性設計的電路板。設計電路板時考慮可測性要求，使開發(fā)的電路板既能實現(xiàn)自身的功能，也可以使用邊界掃描測試系統(tǒng)進行測試。

首先對電路板進行可測性設計，并獲得相應的網(wǎng)絡表文件和BSDL文件。然后建立一個測試電路板的工程，并添加對應的BSDL文件和網(wǎng)絡表文件，對BSDL文件和網(wǎng)絡表文件進行分析和信息提取，并將有用的信息放入數(shù)據(jù)庫中。接著生成完備性測試向量并進行掃描鏈完備性測試，完備性測試無故障后再選擇其他測試類型并進行測試。測試類型包括互連測試、簇測試和其他功能測試等。

3.2不含IEEE 1149.6邊界掃描單元的電路測試性設計方法

若當前設計電路芯片不含具有邊界掃描單元的芯片（簡稱BS器件），可以用同功能的BS器件置換原非BS器件，但如果同功能的BS器件不存在或設計代價較大，導致邊界掃描器件置換難以進行時，則可以采用以下方法：

3.2.1二次集成設計

（1）將非BS器件按照功能聚類合并，構成相應的邏輯功能簇；

（2）按其確定的功能內核形成VHDL語言設計文本，在一定的設計工具平臺（如MENTOR公司的BSDA系統(tǒng)）上對原內核進行邊界掃描結構插入；

（3）經(jīng)仿真形成新的VHDL描述的邏輯塊設計文本；（4）在底層進行物理實現(xiàn)。

3.2.2自建掃描結構置入法

通過在非BS邏輯中插入邊界掃描結構的BIST（built in self test）內核，附加額外邊界掃描結構。

（1）利用VHDL語言對邊界掃描結構的BIST內核進行描述；（2）應用可編程邏輯器件設計具有邊界掃描能力的模塊。

該模塊應能完成IEEE1149.6標準所定義的所有功能，主要包括TAP控制器、指令寄存器、指令譯碼器、旁路寄存器、多路開關及大量邊界掃描單元。

設計成功后，不僅能夠實現(xiàn)非BS邏輯與外部電路的互連測試，而且其BIST能更好地支持非BS邏輯的功能測試。但這種方法設計較復雜，要求對IEEE1149.1標準的完全掌握，同時還要求所設計的結構能夠支持通用指令，實際實現(xiàn)起來有一定難度。

3.2.3掃描器件置入法

是指將支持BS測試的BS芯片直接置入功能電路中，利用掃描器件本身自帶的邊界掃描單元實現(xiàn)對非邊界掃描電路的可控又可測。

掃描器件置入法不需要自行設計符合IEEE1149.1的掃描結構，只需依靠掃描器件本身的邊界掃描結構實現(xiàn)電路內部點的可測試性。實現(xiàn)較為容易，但可能會給電路帶來部分冗余功能。應用時需權衡考慮功能設計與測試性設計，盡量實現(xiàn)硬件的復用。

根據(jù)掃描器件的置入方式的不同可分為兩種類型：

（1）將所需觀測點直接與掃描器件的管腳相連，利用其緩沖/驅動的基本功能和BS鏈，實現(xiàn)內部點的可控與可測；

若非邊界掃描器件已連接到BS器件的IO上，其被BS單元包圍，則可以將非邊界掃描器件分組，通過電路板上存在的邊界掃描器件來實現(xiàn)對非邊界掃描器件的測試；

若非邊界掃描器件功能上沒有和任何BS器件相連，需要在設計中附加一些邊界掃描器件，通過BS器件IO上的BS單元，才能進行測試。附加BS器件后，其僅在原電路的外圍增加可控和可測點，設計較為簡單。

（2）將掃描器件作為功能電路的一部分，嵌入到功能電路中，完成功能電路的部分功能，同時也達到了可控與可測的目的。當電路處于工作狀態(tài)時，邊界掃描器件正常工作。當電路處于測試狀態(tài)時，置入的BS器件與其它BS器件一起組成串行掃描鏈路。

4　總結

IEEE 1149.1標準可以很好地解決器件直流引腳的測試問題，但是對于電路中普遍應用的交流引腳卻是無能為力，而IEEE 1149.6標準的提出很好地彌補了IEEE1149.1這一短板，并能夠做到與IEEE 1149.1很好地兼容，可以檢測到交流耦合、差分信號傳輸路徑上的器件開路、短路等多種類型故障。

目前國外對于IEEE 1149.6標準研究較多，技術相對成熟，在該標準提出之后，很多器件廠商都設計了符合該標準的芯片，同時也涌現(xiàn)出較多測試工具，而國內對于該標準的研究與應用步伐相對落后。由于IEEE 1149.6所能覆蓋的故障類型（如差分管腳中正極管腳的開路、交流耦合結構中耦合電容的短路等）很多具有一定的隱蔽性，如不能及時做出診斷，勢必會引起一系列安全隱患，所以有必要進一步研究IEEE 1149.6標準在裝備測試中的應用。

在裝備電子設備中用到的很多芯片本身就具有IEEE 1149.6邊界掃描單元，在實際應用時只需將這些芯片互聯(lián)起來構成邊界掃描鏈路，通過芯片本身的JTAG口即可控制與讀取被測芯片的引腳狀態(tài)，以此來判斷連接是否正常。對于不具備邊界掃描單元的芯片，也可以自建邊界掃描結構形成邊界掃描鏈路，來完成相應的測試。

總之，應用IEEE 1149.6標準可以對裝備中符合該標準的電路板和系統(tǒng)中的差分電路及AC耦合電路進行快速、準確的故障診斷，對于裝備故障檢測率及故障覆蓋率的提升具有很大意義。

［1］田仲，石君友，系統(tǒng)測試性設計與分析與驗證［M］.第一版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［2］呂彩霞.JTAG的設計與研究［D］.北京：北京交通大學，2006.

［3］趙志宏，陳冬，李小珉.IEEE 1149.6可檢測端口與故障判定［J］.計算機測量與控制，2006，14（03）：301-304.

［4］趙志宏，陳冬，李小珉.IEEE1149.6可檢測端口與故障判定［J］.計算機測量與控制，2006，14（03）：301-304.

［5］雷加，劉華林.高級數(shù)字網(wǎng)絡的邊界掃描測試［J］.電子測量與儀器學報，2004，18（z1）：21-25.

［6］王石記，徐鵬程，杜影.適用于高級數(shù)字網(wǎng)絡測試的邊界掃描芯片特性研究［J］.計算機測量與控制，2010，18（10）：2234-2235，2284.

項目：總裝備部技術基礎合同項目：軍用電子設備邊界掃描測試系列標準研究，項目編號：HK30120132BZ77。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.254