基于邊界掃描的雷達(dá)嵌入式測試和診斷技術(shù)

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(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

基于邊界掃描的雷達(dá)嵌入式測試和診斷技術(shù)

畢偉鎮(zhèn)，杜舒明

(南京電子技術(shù)研究所，南京210039)

為解決因雷達(dá)數(shù)字化、高速化發(fā)展引起的測試和診斷技術(shù)難題，提出了基于邊界掃描的雷達(dá)嵌入式測試和診斷方案，介紹了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)；該方法可以在雷達(dá)系統(tǒng)正常執(zhí)行任務(wù)期間，實(shí)時檢測數(shù)字集成電路的故障，并將故障定位到芯片引腳；對低速數(shù)字信號，可以采集完整的信號波形；對較高速度的數(shù)字信號，可以通過多次采集和統(tǒng)計(jì)分析的方法提取故障特征；該方法已通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

雷達(dá)；機(jī)內(nèi)測試；邊界掃描；嵌入式測試

0 引言

隨著雷達(dá)數(shù)字化、高度集成化、高速化發(fā)展，使得測試點(diǎn)設(shè)置越來越難。目前，雷達(dá)中數(shù)字電路機(jī)內(nèi)測試(BIT)主要測試手段包括：在維護(hù)BIT下，利用測試碼元檢測電路故障；在周期BIT下，采集CPU狀態(tài)、內(nèi)存狀態(tài)、模塊溫度等信息，通過狀態(tài)分析檢測故障。這些檢測方法故障檢測率低，不能滿足雷達(dá)故障檢測和隔離的需求。

近年來，國內(nèi)外對邊界掃描測試技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路板的測試進(jìn)行了大量研究。應(yīng)用邊界掃描測試技術(shù)對數(shù)字電路板進(jìn)行板級測試，能夠解決短路、開路、固定電平等故障的診斷問題[1]。電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)了基于高速數(shù)字 I/O 的邊界掃描控制器，能夠有效的解決帶 FPGA、CPLD 等可編程邏輯器件的數(shù)字電路板故障診斷難題[2]。

國外的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)把邊界掃描測試技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)的在線測試。針對在軍事系統(tǒng)中開發(fā)測試和診斷所需信息不足的問題，提出了將邊界掃描作為系統(tǒng)級測試診斷工具，對簡單通用的系統(tǒng)進(jìn)行論證，證實(shí)了邊界掃描的存在能夠提高系統(tǒng)的故障隔離率[3]。利用一種基于邊界掃描測試的嵌入式新技術(shù)，可以提高飛機(jī)航電系統(tǒng)的故障檢測率，減少故障隔離模糊。在飛機(jī)正常飛行期間，也能檢測數(shù)字電路的信號狀態(tài)[4]。

本文針對數(shù)字陣列雷達(dá)測試和診斷需求，研究邊界掃描測試技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)上的應(yīng)用。介紹了基于邊界掃描的雷達(dá)嵌入測試和診斷方案的硬件架構(gòu)以及軟件設(shè)計(jì)，并結(jié)合低速以及高速數(shù)字信號對在線采集方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)由嵌入在雷達(dá)分系統(tǒng)(天線、數(shù)據(jù)處理、頻率源、數(shù)字信號處理等)的邊界掃測試單元(BSTU)、CAN-LAN轉(zhuǎn)換單元、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、中央BIT組成。對于天線分系統(tǒng)，每個T/R組件使用獨(dú)立的BSTU并提供CAN接口。對于數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理等分系統(tǒng)，BSTU工作于VPX總線的插箱中，并提供多路JTAG接口用于測試和診斷。測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖1。

圖1 測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.2 功能需求

將BSTU應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)測試中，能夠?qū)μ炀€、頻率源、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理等分系統(tǒng)進(jìn)行測試和診斷。能夠完成以下測試和診斷功能：

1)在被測電路模塊不脫離雷達(dá)系統(tǒng)的條件下，雷達(dá)維護(hù)人員通過監(jiān)控終端可以選擇雷達(dá)中任何數(shù)字電路模塊實(shí)施邊界掃描測試，可檢測模塊內(nèi)部的開路故障和短路故障以及模塊之間的互連故障等，測試結(jié)果可以上報(bào)。

2)對于低速數(shù)字信號，在雷達(dá)工作(執(zhí)行任務(wù))期間，利用邊界掃描測試實(shí)時在線采集數(shù)字信號，采集結(jié)果可上報(bào)至中央BIT。

3)對于高速數(shù)字信號，在雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)期間，利用邊界掃描測試實(shí)時在線采集，通過對多次采樣結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取故障特征，診斷結(jié)果可上報(bào)至中央BIT。

1.3 工作原理

將BSTU應(yīng)用于雷達(dá)測試系統(tǒng)中，能夠在雷達(dá)任務(wù)狀態(tài)下以及非任務(wù)狀態(tài)下進(jìn)行測試和診斷，因此BSTU工作于以下兩種測試模式：

1)非任務(wù)狀態(tài)下：雷達(dá)維護(hù)人員可以選擇對天線、頻率源、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字信號處理等分系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試內(nèi)容包括鏈路完整性、互連測試、器件功能測試等基本測試。通過鏈路完整性測試能夠確認(rèn)邊界掃描鏈的完整性，鏈路測試包括執(zhí)行BYPASS、IDCODE、USERCODE等操作。通過互連測試能夠診斷集成電路板間/板內(nèi)器件之間的連接情況，其基本測試方法是在BSTU的控制下，向互連網(wǎng)絡(luò)的輸入端的邊界掃描單元加載測試矢量并同時向輸出端執(zhí)行外測試(EXTEST)指令，然后在互連網(wǎng)絡(luò)的另一端的邊界掃描單元捕獲測試響應(yīng)值，根據(jù)分析輸入以及輸出結(jié)果能夠判斷器件是否存在開路、短路和呆滯(0/1)等故障。器件功能測試主要用于測試一些復(fù)雜功能的器件，如觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、FIFO等，根據(jù)測試對象不同可分為邊界掃描器件的功能測試和非邊界掃描器件的簇測試。

2)任務(wù)狀態(tài)下：在雷達(dá)系統(tǒng)正常執(zhí)行任務(wù)期間，BSTU能夠?qū)崟r在線獲取集成電路引腳狀態(tài)，將獲取的集成電路引腳狀態(tài)與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對，能夠判定雷達(dá)是否工作在正常狀態(tài)。雷達(dá)維護(hù)人員能夠選擇對天線、頻率源、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字信號處理等分系統(tǒng)某一模塊進(jìn)行在線采集數(shù)據(jù)或者周期對雷達(dá)系統(tǒng)所有模塊進(jìn)行在線采集數(shù)據(jù)，根據(jù)測試需求的不同選擇不同的在線采集方式。針對集成電路引腳高速以及低速信號分別采取不同的診斷方式，當(dāng)在線測試采樣率遠(yuǎn)大于信號變化速率(5倍)時，在線采集能夠完全捕獲集成電路引腳邏輯變化狀態(tài)，通過與預(yù)期期望邏輯狀態(tài)進(jìn)行比對能夠診斷其工作狀態(tài)，當(dāng)在線測試采樣率低于信號變化率時，在線采集無法對其完全采樣，此時通過多次采集結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析的方式，判斷集成電路引腳是否出現(xiàn)短路、開路等故障，最終將診斷結(jié)果通過LAN接口上傳至中央BIT。在線采集數(shù)據(jù)主要依據(jù)邊界掃描測試中的SAMPLE指令，其能夠在不影響器件正常工作的前提下，對器件輸入輸出管腳進(jìn)行“拍照”，同時在TCK下降沿將“拍照”信息通過移位指令從TDO移出。在線采樣率與測試時鐘速率以及鏈路上邊界單元數(shù)量有關(guān)。

2 BSTU硬件設(shè)計(jì)

2.1 組成

BSTU應(yīng)用于VPX插箱中，在雷達(dá)系統(tǒng)在線測試和診斷中，既能完成非任務(wù)狀態(tài)下的鏈路測試、互連測試、功能測試，用于測試模塊內(nèi)以及模塊間是否出現(xiàn)開路、短路等故障；又能夠完成在任務(wù)狀態(tài)下的雷達(dá)狀態(tài)診斷，通過獲取數(shù)字集成電路引腳狀態(tài)來實(shí)時監(jiān)視其工作狀態(tài)。

基于以上需求，BSTU主要由CPU處理器、FPGA、DDR動態(tài)存儲器、固態(tài)存儲器、電平轉(zhuǎn)換、2換1開關(guān)、LAN通信接口組成。BSTU硬件框圖見圖2所示，其中：

圖2 BSTU硬件框圖

1)CPU處理器用于控制BSTU測試邏輯，能夠針對雷達(dá)系統(tǒng)工作狀態(tài)選擇進(jìn)行相關(guān)的測試模式；

2)FPGA在CPU處理器的邏輯控制下生成測試需要的時序信號，包括TCK、TMS、TDI以及采集TDO測試響應(yīng)數(shù)據(jù)；

3)電平轉(zhuǎn)換用于匹配不同UUT需要的測試電平；

4)DDR動態(tài)隨機(jī)存儲器，具有實(shí)時讀寫數(shù)據(jù)的能力，能夠在一個TCK周期完成兩次讀寫工作，可以完成測試時序的寫以及響應(yīng)數(shù)據(jù)的讀取工作；

5)2選1開關(guān)用于選擇JTAG接口通過VPX總線還是前面板的連接方式，用于匹配目前UUT中不同的JTAG接口引出方式。

6)接口提供兩組各12路JTAG接口以及通信LAN接口。JTAG接口用于加載測試時序以及采集測試響應(yīng)數(shù)據(jù)。LAN接口用于和上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行基于邊界掃描的在線測試和診斷時，低采樣率對于相對高速變化信號難以將其狀態(tài)全部采集并再現(xiàn)，造成在線測試和診斷在應(yīng)用中的局限性。采樣率的提高主要受限于兩方面：一是邊界掃描鏈路過長，邊界掃描在將測試響應(yīng)數(shù)據(jù)移出時采用的是串行的方式，邊界掃描單元數(shù)決定著在線測試對被測信號的采樣率。目前大部分芯片本身具有數(shù)千個邊界掃描單元，如果邊界掃描控制器提供的JTAG接口少，使得鏈路需要使用“菊花鏈”的串聯(lián)方式，將大大增加鏈路上邊界掃描單元數(shù)；二是測試時鐘限制，目前在使用邊界掃描測試控制器進(jìn)行測試時，需要通過數(shù)米的電纜進(jìn)行連接，對測試時鐘TCK信號產(chǎn)生很大的干擾，使得很難提高測試時鐘。

為了最大限度的提高對被測信號的采樣率，每個BSTU提供多路JTAG接口，能夠?qū)Χ鄠€UUT同時測試，對鏈路不使用串聯(lián)的方式，減少鏈路上邊界掃描單元數(shù)。采用嵌入式BSTU進(jìn)行測試和診斷，能夠使BSTU盡量靠近UUT，減少因電纜長度造成的測試時鐘限制，進(jìn)而提高對被測信號的采樣率。

3 BSTU軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件組成

運(yùn)行于BSTU的軟件能夠完成兩部分主要功能：一是在雷達(dá)系統(tǒng)非任務(wù)狀態(tài)下對選擇的數(shù)字電路模塊進(jìn)行互連測試，可檢測模塊內(nèi)部的開路故障和短路故障以及模塊之間的互連故障等，測試結(jié)果可以上報(bào)至中央BIT。二是在雷達(dá)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)期間，能夠采集集成電路數(shù)字信號，對于低速數(shù)字信號，利用邊界掃描測試實(shí)時在線采集數(shù)字信號，采集結(jié)果可上報(bào)至中央BIT；對于高速數(shù)字信號，利用邊界掃描測試實(shí)時在線采集，通過對多次采樣結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取故障特征，診斷結(jié)果可上報(bào)至中央BIT。軟件組成框圖見圖3。

圖3 軟件組成框圖

1)測試模式設(shè)置：雷達(dá)維護(hù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要選擇需要進(jìn)行的測試模式，能夠完成包括任務(wù)狀態(tài)和非任務(wù)狀態(tài)下的測試；

2)測試參數(shù)設(shè)置：根據(jù)不同的測試模式，可以選擇不同的測試參數(shù)，主要用于滿足UUT測試需要進(jìn)行的測試時鐘、電平、測試矢量等參數(shù)；

3)測試信號生成：根據(jù)不同的測試模式以及測試參數(shù)信息，生成符合測試目標(biāo)要求以及IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG時序信號；

4)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集：結(jié)合測試時序以及邊界掃描描述文件提供的對應(yīng)關(guān)系，采集并提取TDO測試響應(yīng)有效數(shù)據(jù)；

5)數(shù)據(jù)管理：用于存儲本地化測試矢量、測試響應(yīng)有效數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果等信息；

6)故障診斷：對在線采集數(shù)據(jù)結(jié)合診斷算法進(jìn)行故障隔離，診斷UUT是否工作在正常狀態(tài)以及定位故障單元。根據(jù)不同的測試模塊選擇合適的診斷方式，對于低速數(shù)據(jù)信號，實(shí)時在線采集并與預(yù)期期望邏輯變化關(guān)系進(jìn)行比較分析；對于高速數(shù)據(jù)信號，重復(fù)多次采集數(shù)據(jù)結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析的方式進(jìn)行診斷。

3.2 軟件流程

軟件在上電后自啟動，首先加載測試矢量數(shù)據(jù)。測試矢量是根據(jù)網(wǎng)表文件、邊界掃描描述文件、測試算法等生成的測試數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行非任務(wù)狀態(tài)下的板間、板內(nèi)互連測試。將測試矢量數(shù)據(jù)本地化，上電自動加載能夠節(jié)約測試時數(shù)據(jù)讀取時間。根據(jù)雷達(dá)維護(hù)人員選擇雷達(dá)任務(wù)狀態(tài)下或者非任務(wù)狀態(tài)下的測試模塊，自動生成滿足測試需求以及IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG測試時序信號,包括TCK、TMS、TDI，測試參數(shù)還包括測試時鐘頻率、測試電平等。將測試信號加載至被測單元(UUT)，同時采集TDO測試響應(yīng)數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的測試模式以及集成電路引腳信號數(shù)據(jù)變化率，能夠采取不同的診斷測試方式，最終將測試診斷結(jié)果通過LAN上傳至中央BIT。軟件流程見圖4。

圖4 軟件流程圖

3.3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

BSTU提供多路JTAG接口，因此在進(jìn)行測試和診斷時需要軟件支撐，控制測試和診斷流程。在雷達(dá)非任務(wù)狀態(tài)下測試時軟件需要上電自動加載本地化測試矢量用于支持板內(nèi)、板間互連測試。在雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)的情況下進(jìn)行測試時，軟件能夠?qū)Σ杉Y(jié)果進(jìn)行診斷獲取故障信息。其難點(diǎn)包括：多路JTAG接口協(xié)同測試邏輯控制、測試矢量產(chǎn)生、故障診斷算法。

在進(jìn)行多路JTAG接口協(xié)同測試時，需要對每路測試狀態(tài)進(jìn)行控制，根據(jù)當(dāng)前所處狀態(tài)以及測試需求狀態(tài)確定進(jìn)行的操作，測試能夠維持的狀態(tài)有限，如測試矢量載入、測試指令加載、測試響應(yīng)采集等，因此引入狀態(tài)機(jī)來控制測試邏輯。測試矢量產(chǎn)生需要解析網(wǎng)表文件、BSDL文件以及選擇測試算法等。故障診斷算法是對采集結(jié)果進(jìn)行診斷采取的處理方式，對低速信號通過與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對診斷UUT工作狀態(tài)，對高速信號多次采集結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提取故障特征。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證方法

為了驗(yàn)證在線采集數(shù)據(jù)的有效性，在UUT正常工作期間，執(zhí)行SAMPLE指令，在線采集數(shù)字集成電路引腳狀態(tài)變化。對UUT進(jìn)行編程，使其引腳處于高速以及低速信號變化狀態(tài)，通過分析在線采集數(shù)據(jù)與預(yù)期期望數(shù)據(jù)的比對結(jié)果，驗(yàn)證高速以及低速信號變化狀態(tài)下在線采集數(shù)據(jù)的有效性。

4.2 驗(yàn)證系統(tǒng)組成

驗(yàn)證系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、BSTU、PXI插箱、數(shù)字I/O模塊、適配器、UUT。驗(yàn)證系統(tǒng)組成見圖5。

圖5 驗(yàn)證系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)主要完成測試時序的生成、加載以及采集分析，BSTU生成TCK、TMS、TDI測試時序以及采集TDO響應(yīng)數(shù)據(jù)。PXI中數(shù)字信號模塊用于生成UUT的輸入信號。UUT包含Xilinx公司的芯片XC2C256，分析其邊界掃描描述文件(BSDL)可獲得：芯片共有552個邊界掃描單元，SAMPLE指令碼為00000011。

4.3 驗(yàn)證步驟

1)通過計(jì)算機(jī)編輯測試時序，包括TCK、TMS、TDI，控制TAP狀態(tài)依次進(jìn)入：Test-Logic-Reset→Run-test/Idle→Select-DR-Scan→Select-IR-Scan→Capture-IR→Shift-IR1→...→Shift-IR8→Exit1-IR→Update-IR→Select-DR-Scan→Capture-DR→Shift-DR0→...→Shift-DR551→Exit1-DR→Update-DR→Select-DR-Scan→Capture-DR→Shift-DR0→...→Shift-DR551......。通過重復(fù)Capture-DR以及Shift-DR的方式，進(jìn)行多次在線捕獲采集，獲取集成電路引腳多個狀態(tài)值進(jìn)行分析。

2)編程UUT使其引腳處于低速信號變化狀態(tài)，將時序信號通過JTAG接口加載至UUT并采集TDO測試響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3)將采集的響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)合邊界掃描描述文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取測試有效數(shù)據(jù)并與預(yù)期期望結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證采集數(shù)據(jù)的有效性。

4)編程UUT使其引腳處于高速信號變化狀態(tài)，將時序信號通過JTAG接口加載至UUT并采集TDO測試響應(yīng)數(shù)據(jù)。

5)將采集的響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)合邊界掃描描述文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取測試有效數(shù)據(jù)并結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析的方式，驗(yàn)證采集數(shù)據(jù)的有效性。

4.4 結(jié)果分析

4.4.1 低速數(shù)字信號在線采集和診斷

設(shè)置JTAG接口TCK頻率為556 KHz，每采集一次，移位需要556(552個BC單元數(shù)+4個TAP中間狀態(tài)值)個TCK時鐘，因此其采樣率為：

556 KHz/556 = 1 KHz

對變化頻率為125Hz的輸入信號對應(yīng)的IO引腳進(jìn)行采集，分析采集結(jié)果，輸入波形及采集過程如圖6所示：

圖6 低速信號采樣示意圖

信號的頻率為125Hz，采樣頻率為1KHz，因此預(yù)期采集結(jié)果為：000011110…，信號實(shí)際采集結(jié)果為：000011110…，與預(yù)期結(jié)果吻合，被測試引腳無故障。

4.4.2 高速數(shù)字信號在線采集和診斷

當(dāng)數(shù)字信號處于高速變化時，在線采集無法完整采集信號狀態(tài)，此時通過對多次采集結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提取故障特征。對高速變化信號對應(yīng)的IO引腳進(jìn)行采集，輸入波形及采集過程如圖7所示：

圖7 高速信號采樣示意圖

對引腳預(yù)期采集結(jié)果應(yīng)有0、1的變化。實(shí)際采集結(jié)果為：10001…，采集數(shù)據(jù)有0、1的變化，被測試引腳未發(fā)生固定電平故障。

5 結(jié)束語

本文提出了基于邊界掃描的雷達(dá)嵌入式測試和診斷方案，能夠在雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)/非任務(wù)狀態(tài)下進(jìn)行測試和診斷，對方案從系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行了介紹。對在線測試進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：對低速數(shù)字信號，可以采集完整的信號波形，通過將采集結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對，診斷芯片引腳工作狀態(tài)；對較高速度的數(shù)字信號，可以通過多次采集和統(tǒng)計(jì)分析的方法提取故障特征。

[1] 曹子劍,佘美玲. 邊界掃描測試在數(shù)字電路自動測試系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制,2015(7):2311-2313.

[2] 楊俊泰. 基于邊界掃描技術(shù)的雷達(dá)電路板故障自動診斷的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2010.

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[4] Ungar L Y,Sudolsky M D. Tapping Into Boundary Scan Resources for Vehicle Health Management[Z]. Proc.of Autotestcon, 2016.

RadarEmbeddedTestandDiagnosisTechnologyBasedonBoundaryScan

Bi Weizhen, Du Shuming

(Nanjing Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

In order to solve the problems of test and diagnosis technology caused by the digitization and high-speed development of radar, radar embedded test and diagnosis scheme based on boundary scan is proposed, the hardware architecture and software design are introduced. The method can detect the faults of the digital integrated circuit in time during the normal operation of the radar system and locate the fault on the chip pins. For low speed signals, complete waveform can be acquired; for higher speed digital signals, fault signature can be extracted by means of multiple acquisition and statistical analysis. The method has been verified by experiments.

radar; built-in test; boundary scan; embedded test

2017-06-29；

2017-08-29。

畢偉鎮(zhèn)(1991-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事基于邊界掃描的雷達(dá)測試和診斷技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0043-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.011

TP273

A