便攜式邊界掃描故障診斷儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(nèi)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，通過掃描輸入端將測試矢量以串行掃描的方式輸入，對相應(yīng)的引腳狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)測試矢量的加載；通過掃描輸出端將系統(tǒng)的測試響應(yīng)串行輸出，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，完成電路系統(tǒng)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(chǔ)是IEEE1149.1邊界掃描測試總線和設(shè)計(jì)在器件內(nèi)的邊界掃描結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中邊界掃描測試總線由測試數(shù)據(jù)輸入（TDI）、測試數(shù)據(jù)輸出（TDO）、測試時(shí)鐘（TCK） 、測試模式選擇（TMS）和復(fù)位信號（TRST）五根信號線組成。而標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描結(jié)構(gòu)就是在器件內(nèi)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(shù)據(jù)寄存器、測試訪問端口TAP控制器等電路。在測試狀態(tài)時(shí)，邊界掃描結(jié)構(gòu)可以對數(shù)據(jù)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(yīng)移出。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)邊界掃描結(jié)構(gòu)

總體設(shè)計(jì)方案

便攜式邊界掃描故障診斷儀需要根據(jù)被測系統(tǒng)電路的描述文件生成邊界掃描測試矢量，然后轉(zhuǎn)換為IEEE1149.1邊界掃描測試總線信號自動(dòng)加載到被測系統(tǒng)中，同時(shí)從TDI引腳自動(dòng)讀取邊界掃描測試響應(yīng)進(jìn)行分析處理，根據(jù)邊界掃描相應(yīng)算法作出故障診斷決策及定位隔離，最后通過LCD顯示診斷結(jié)果。本文采用片上可編程系統(tǒng)解決方案將便攜式故障診斷儀進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)在一片FPGA上，使所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及硬件升級等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化（整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

硬件設(shè)計(jì)

本文采用Altera公司嵌入軟核Nios處理器的FPGA作為載體來實(shí)現(xiàn)邊界掃描故障診斷儀的SOPC系統(tǒng)。邊界掃描故障診斷儀主要實(shí)現(xiàn)邊界掃描測試矢量的生成、JTAG總線信號發(fā)生器、邊界掃描故障診斷應(yīng)用軟件、故障顯示等功能，是便攜式邊界掃描故障診斷系統(tǒng)的核心。利用SOPC Builder創(chuàng)建Nios軟核CPU并進(jìn)行參數(shù)化配置，同時(shí)構(gòu)建儲(chǔ)存器、計(jì)時(shí)器、LCD接口組件、IEEE1149.1測試總線用戶邏輯為一體的SOPC系統(tǒng)，邊界掃描故障診斷片上可編程系統(tǒng)內(nèi)部模塊配置圖如圖4所示。

圖4 邊界掃描故障診斷SOPC系統(tǒng)內(nèi)部模塊配制圖

本文利用向?qū)浇缑骒`活定制邊界掃描故障診斷系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)型Nios II軟核處理器，并添加了4K字節(jié)的指令緩存Cache。同時(shí)為了方便調(diào)試邊界掃描故障診斷系統(tǒng)的軟硬件，在處理器模塊中添加JTAG調(diào)試單元，在SOPC系統(tǒng)軟硬件調(diào)試成功且能獨(dú)立運(yùn)行后，也可以將JTAG調(diào)試單元去掉。

可復(fù)用IEEE1149.1測試總線控制器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(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。本文設(shè)計(jì)的IEEE1149.1測試總線控制器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(tǒng)電路輸出TMS控制序列、讀取被測系統(tǒng)的測試響應(yīng)和加載測試矢量、與SOPC系統(tǒng)中的微處理器進(jìn)行通訊及測試數(shù)據(jù)交換和在TCK和TMS配合下控制被測系統(tǒng)中TAP控制器完成邊界掃描測試的全部過程。

在IP核的開發(fā)過程中采用IC的設(shè)計(jì)思想，首先根據(jù)功能需求確定外部接口，然后劃分內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元，通過實(shí)現(xiàn)內(nèi)部每個(gè)小單元的功能，最后組合完成JTAG總線控制IP核的整個(gè)設(shè)計(jì)，JTAG總線控制邏輯內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其中TDO緩沖模塊主要由FIFO、計(jì)數(shù)器、并/串轉(zhuǎn)換及控制部分組成。

圖5 jTAG IP 核內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件開發(fā)

mc/os操作系統(tǒng)移植

將mC/OS-II移植到Nios軟核CPU平臺(tái)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(jù)本系統(tǒng)的功能需要，用OS_CFG.H配置內(nèi)核設(shè)置系統(tǒng)的基本情況以及整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需要內(nèi)核和用戶的頭文件INCLUDES.H。根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和時(shí)間關(guān)鍵性，設(shè)定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，以便任務(wù)調(diào)度之用。

故障診斷軟件

故障診斷軟件首先根據(jù)預(yù)先固化在Flash存儲(chǔ)器中的被測系統(tǒng)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(shù)據(jù)文件：系統(tǒng)鏈路信息文件和器件間互連網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(yīng)關(guān)系。然后根據(jù)相應(yīng)的邊界掃描測試算法和不同的測試內(nèi)容生成測試數(shù)據(jù)：測試指令代碼、完整性測試數(shù)據(jù)、互連測試數(shù)據(jù)、芯片功能測試數(shù)據(jù)并且加載到被測系統(tǒng)掃描鏈路中及讀取邊界掃描測試響應(yīng)。其次分析處理測試響應(yīng)數(shù)據(jù)，剔除掃描鏈中垃圾數(shù)據(jù)，提取獲取故障診斷有用信息。最后根據(jù)測試內(nèi)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(jié)果。邊界掃描測試故障診斷數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流程圖

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的便攜式邊界掃描故障診斷儀不同于傳統(tǒng)的邊界掃描設(shè)備，不依靠PC就可實(shí)現(xiàn)邊界掃描測試與診斷，特別適合特殊領(lǐng)域的現(xiàn)場在線使用。尤其是在測試時(shí)間方面，克服了PC機(jī)上應(yīng)用軟件與邊界掃描控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(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。

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