快速掃描的開關(guān)量信號邊界測試方案設(shè)計

【關(guān)鍵詞】開關(guān)量；邊界測試；邊界掃描技術(shù)；數(shù)據(jù)采集

引言

測試是所有電子設(shè)備和集成電路板的制造中不可或缺的一部分[1]。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和印刷電路工藝的進步，傳統(tǒng)的測試方式已經(jīng)無法全面適應(yīng)如今的發(fā)展[2]，市場急需一種可以快速測試的技術(shù)。本方案就是針對這一問題所提出的一種快速掃描開關(guān)量邊界的測試技術(shù)，它主要通過在電路邊界設(shè)置特殊的寄存器或者設(shè)備（信號發(fā)射器、數(shù)據(jù)采集器等），實現(xiàn)對電路內(nèi)部信號的監(jiān)控和采集[3]。

一、開關(guān)量信號邊界掃描原理

邊界掃描技術(shù)中的開關(guān)量邊界掃描是一種高級測試方式。它在核心邏輯電路的輸入端額外引入了信號發(fā)射器，同時在所有輸出端口增設(shè)了信號捕獲器，并將這些輸入/ 輸出接口上的設(shè)備串聯(lián)起來，構(gòu)建一個閉環(huán)的數(shù)據(jù)串行傳輸通道。這一技術(shù)既能支持將測試數(shù)據(jù)的順序輸入至被測單元，又能從相應(yīng)端口以串行方式便捷地提取測試結(jié)果。

本方案的測試流程始于數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)，它包含激勵信號、預(yù)期輸出響應(yīng)和任何必要輔助信號等測試矢量的數(shù)據(jù)，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的輸出數(shù)據(jù)傳輸至信號發(fā)射器當(dāng)中，并將該算法系統(tǒng)作為控制中心，驅(qū)動信號源逐步發(fā)出遞增或遞減的信號序列，模擬實際工作環(huán)境中的信號變化。在此過程中，每次信號輸出后，系統(tǒng)都能即時捕獲被測設(shè)備在輸出端口反饋的開關(guān)量信號，以反映設(shè)備對輸入信號的響應(yīng)狀態(tài)。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本方案的開關(guān)量信號邊界掃描技術(shù)主要由數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)、測試控制器（采集器、信號發(fā)射器等）、被測對象（設(shè)備、電路板等）三部分組成[4]。其基本思想是在每一個被測對象的開關(guān)量輸入位置添加信號發(fā)射器（信號源），且該信號源是可以程控的，在開關(guān)量輸出位置添加信號采集器。當(dāng)設(shè)備處于測試狀態(tài)時，用戶可以實時監(jiān)測和采集發(fā)射和收集到的信號，并對其進行數(shù)據(jù)處理。在準(zhǔn)備好測試設(shè)備、測試夾具、信號發(fā)射器、測試軟件工具、信號采集器件或邊界掃描寄存器等測試工具后，該技術(shù)將信號采集設(shè)備與被測設(shè)備的輸出相連接，并將被測設(shè)備的測試矢量加載到測試軟件工具中。算法系統(tǒng)可以利用測試矢量控制信號發(fā)射器，持續(xù)對被測設(shè)備輸入激勵信號，通過信號采集器實時監(jiān)測板件的信號變化，并將每一次收集的信號反饋至算法系統(tǒng)當(dāng)中進行處理。系統(tǒng)總體設(shè)計原理如圖1所示。

三、開關(guān)量信號邊界掃描算法設(shè)計

本方案的開關(guān)量邊界算法掃描設(shè)計核心在于數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)可以通過精心設(shè)計的測試矢量序列，依據(jù)測試需求對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化組織（涵蓋輸出數(shù)據(jù)的生成、信號的實時捕獲，以及輸出數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)整等環(huán)節(jié)）。在這一過程中，預(yù)設(shè)的有序輸出矢量能夠被邏輯性地用于初始化和控制信號發(fā)射器，以發(fā)送精確的信號至被測對象。

與此同時，被測對象輸出端口緊密連接的高靈敏度信號采集器，能夠不間斷地監(jiān)測每一次信號輸出的變化，并將這些變化實時反饋給算法系統(tǒng)。算法系統(tǒng)接收到信號反饋后，會依據(jù)反饋內(nèi)容對當(dāng)前的輸出矢量進行細致的二次優(yōu)化與調(diào)整。

當(dāng)輸出矢量序列尚未遍歷至最終項時，若某次信號輸出成功觸發(fā)了被測對象的信號狀態(tài)變化，系統(tǒng)則立即將該點標(biāo)記為最小開關(guān)量邊界的候選點，并據(jù)此動態(tài)調(diào)整后續(xù)輸出矢量的范圍：具體而言，若檢測到信號變化，則縮小輸出矢量的范圍，將其上限調(diào)整至當(dāng)前值以下；反之，若未檢測到任何信號變化，則擴大輸出矢量的范圍，將其下限提升至當(dāng)前值之上。反復(fù)循環(huán)此過程，直至所有預(yù)定的輸出矢量均被發(fā)送并評估完畢。開關(guān)量邊界掃描算法設(shè)計原理如圖2所示。

（一）邊界掃描頻率公式

本方案根據(jù)測試矢量的具體參數(shù)來設(shè)定采集周期T，通過計算每次采集過程中所需的位移周期量N，即可直接推導(dǎo)出相應(yīng)的采樣頻率f。因此，采樣頻率的確定方式為：基于每周期內(nèi)的位移需求來確定采集操作的頻率[5]。其公式如下：

f = T / N

（二）邊界掃描數(shù)學(xué)模型

邊界掃描測試過程可以將其等效為，由N個測試向量組成的測試矩陣T輸入到一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)A中，通過特定的算法處理，得到響應(yīng)矩陣R，并以此為依據(jù)進行故障診斷。其邊界掃描測試的模型如圖3所示。測試矩陣T的每一個并行測試向量PTV都是N維的，其與N個網(wǎng)絡(luò)的布爾輸入相對應(yīng)。模型把被測對象視為一個N個輸入/N個輸出的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入和輸出均為N，并且都是布爾向量。

（三）測試時間數(shù)學(xué)模型

一個被測對象的測試單元通常需要有若干個測試點（設(shè)為q個），每個測試點有若干位測試矢量（設(shè)為p）。單個測試點的測試時間如式（3）所示：

Tw為測試程序?qū)?shù)據(jù)處理的時間，其數(shù)值主要取決于測試程序框架與設(shè)計細節(jié)，包括但不限于數(shù)據(jù)通訊的時間開銷、數(shù)據(jù)采集的延時和核心算法所執(zhí)行的時間周期等。這些因素相互作用，共同決定了Tw的總體時長。因此，在優(yōu)化程序性能時，需要綜合考量并精細調(diào)整各個環(huán)節(jié)的效率。

四、實驗驗證

（一）兼容性驗證

為了全面驗證本方案的可靠性和穩(wěn)定性，研究將本方案接入到某裝備公司板件測試系統(tǒng)中進行驗證。本次實驗選取了具有DC24V、DC110V、DC220V、AC220V這四種不同開關(guān)量信號電壓的板件進行測試，每種電壓級別的電路板均挑選了3塊不一致的板件作為測試樣本，以確保測試結(jié)果的全面性和代表性。

雖然在各電壓等級下的電路板測試數(shù)量相同，但電壓等級板件之間可能存在細微的硬件差異，這些因素在測試中也應(yīng)被納入考量范圍。為此，每塊電路板均以統(tǒng)一的流程進行測試，以確保測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

鑒于開關(guān)信號與測試矢量的多樣性，各電路板在每次測試中的響應(yīng)時間均有所差異。為了更精準(zhǔn)地捕獲這些變化，本次測試?yán)孟到y(tǒng)自動計算的方式來確定每塊電路板的最佳采樣周期，以確保數(shù)據(jù)采集的完整性和穩(wěn)定性。

本次實驗的詳細測試結(jié)果匯總?cè)绫?所示，該表清晰地展示了不同條件下電路板的具體表現(xiàn)，為后續(xù)的方案優(yōu)化與性能分析提供了數(shù)據(jù)支持。

（二）效率驗證

為了全面且深入地驗證本方案的高效性與可靠性，本研究特意實施了效率方面的測試驗證，將其與現(xiàn)有方案進行了詳盡的對比測試；并統(tǒng)一測試時間，以確保實驗條件的一致性。

測試過程除了預(yù)設(shè)的測試點數(shù)和測試矢量外，其他相關(guān)數(shù)據(jù)均交由系統(tǒng)自動計算與處理。經(jīng)過最終的測試與分析，本方案展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性：它不僅在測試速度上實現(xiàn)了飛躍，大幅度縮短了測試時間，有效降低了時間成本；還在測試效率上達到了新的高度，性能優(yōu)化成果顯著。測試效率對比如圖4所示。

結(jié)語

本文設(shè)計的快速掃描開關(guān)量信號邊界測試方案具備可行性，能夠憑借其對開關(guān)量邊界的精準(zhǔn)且快速的定位能力替換目前傳統(tǒng)的測試方法。實驗結(jié)果顯示，該方案可以減少人力的輸出，簡化測試的手段，在極大地縮短測試時間的同時有效提高測試效率，降低測試成本，從而使測試過程更加高效快捷，為企業(yè)節(jié)省了寶貴的時間和資源。