基于SOPC的便攜式邊界掃描故障診斷儀

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(shí)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(guò)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(jìn)行設定，實(shí)現測試矢量的加載；通過(guò)掃描輸出端將系統的測試響應串行輸出，進(jìn)行數據分析與處理，完成電路系統的故障診斷及定位，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是IEEE1149.1邊界掃描測試總線(xiàn)和設計在器件內的邊界掃描結構，標準的邊界掃描結構如圖2所示。其中邊界掃描測試總線(xiàn)由測試數據輸入(TDI)、測試數據輸出(TDO)、測試時(shí)鐘(TCK) 、測試模式選擇(TMS)和復位信號(TRST)五根信號線(xiàn)組成。而標準的邊界掃描結構就是在器件內部的核心邏輯I/O引腳增加了邊界掃描單元(BSC)，同時(shí)還增加了和邊界掃描測試相關(guān)的指令寄存器、數據寄存器、測試訪(fǎng)問(wèn)端口TAP控制器等電路。在測試狀態(tài)時(shí)，邊界掃描結構可以對數據寄存器或指令寄存器進(jìn)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 標準邊界掃描結構

總體設計方案

便攜式邊界掃描故障診斷儀需要根據被測系統電路的描述文件生成邊界掃描測試矢量，然后轉換為IEEE1149.1邊界掃描測試總線(xiàn)信號自動(dòng)加載到被測系統中，同時(shí)從TDI引腳自動(dòng)讀取邊界掃描測試響應進(jìn)行分析處理，根據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(guò)LCD顯示診斷結果。本文采用片上可編程系統解決方案將便攜式故障診斷儀進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計在一片FPGA上，使所設計的電路系統在其規模、可靠性、體積、功耗、上市周期、開(kāi)發(fā)成本、產(chǎn)品維護及硬件升級等多方面實(shí)現最優(yōu)化(整體結構示意圖如圖3所示)。

圖3 便攜式邊界掃描故障診斷儀電路結構示意圖

硬件設計

本文采用Altera公司嵌入軟核Nios處理器的FPGA作為載體來(lái)實(shí)現邊界掃描故障診斷儀的SOPC系統。邊界掃描故障診斷儀主要實(shí)現邊界掃描測試矢量的生成、JTAG總線(xiàn)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的核心。利用SOPC Builder創(chuàng )建Nios軟核CPU并進(jìn)行參數化配置，同時(shí)構建儲存器、計時(shí)器、LCD接口組件、IEEE1149.1測試總線(xiàn)用戶(hù)邏輯為一體的SOPC系統，邊界掃描故障診斷片上可編程系統內部模塊配置圖如圖4所示。

圖4 邊界掃描故障診斷SOPC系統內部模塊配制圖

本文利用向導式界面靈活定制邊界掃描故障診斷系統，采用標準型Nios II軟核處理器，并添加了4K字節的指令緩存Cache。同時(shí)為了方便調試邊界掃描故障診斷系統的軟硬件，在處理器模塊中添加JTAG調試單元，在SOPC系統軟硬件調試成功且能獨立運行后，也可以將JTAG調試單元去掉。

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

在IP核的開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用IC的設計思想，首先根據功能需求確定外部接口，然后劃分內部結構單元，通過(guò)實(shí)現內部每個(gè)小單元的功能，最后組合完成JTAG總線(xiàn)控制IP核的整個(gè)設計，JTAG總線(xiàn)控制邏輯內部體系結構圖如圖5所示。其中TDO緩沖模塊主要由FIFO、計數器、并/串轉換及控制部分組成。

圖5 jTAG IP 核內部體系結構圖

系統軟件開(kāi)發(fā)

mc/os操作系統移植

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(gè)文件。同時(shí)根據本系統的功能需要，用OS_CFG.H配置內核設置系統的基本情況以及整個(gè)實(shí)時(shí)系統所需要內核和用戶(hù)的頭文件INCLUDES.H。根據各個(gè)任務(wù)的重要性和時(shí)間關(guān)鍵性，設定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，以便任務(wù)調度之用。

故障診斷軟件

故障診斷軟件首先根據預先固化在Flash存儲器中的被測系統的邊界掃描描述文件(BSDL)和網(wǎng)絡(luò )表等描述文件生成兩個(gè)測試數據文件：系統鏈路信息文件和器件間互連網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)文件。同時(shí)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。然后根據相應的邊界掃描測試算法和不同的測試內容生成測試數據：測試指令代碼、完整性測試數據、互連測試數據、芯片功能測試數據并且加載到被測系統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據，剔除掃描鏈中垃圾數據，提取獲取故障診斷有用信息。最后根據測試內容不同，進(jìn)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果。邊界掃描測試故障診斷數據流程圖如圖6所示。

圖6 數據流程圖

結語(yǔ)

本文設計的便攜式邊界掃描故障診斷儀不同于傳統的邊界掃描設備，不依靠PC就可實(shí)現邊界掃描測試與診斷，特別適合特殊領(lǐng)域的現場(chǎng)在線(xiàn)使用。尤其是在測試時(shí)間方面，克服了PC機上應用軟件與邊界掃描控制器之間數據傳輸的延時(shí)的缺點(diǎn)，直接進(jìn)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。(因版面有限，本文已作部分刪節，完整版請登陸www.eepw. com.cn查詢(xún))