基于SOPC的便携式边界扫描故障诊断仪

　　边界扫描原理剖析 

　　边界扫描技术的思想是在器件内部的逻辑与I/O引 脚之间插入的边界扫描单元，它在芯片正常工作时是“透明”的，不影响电路板的正常工作。各边界扫描单元以串行方式连接成扫描链，通过扫描输入端将测试矢量 以串行扫描的方式输入，对相应的引脚状态进行设定，实现测试矢量的加载；通过扫描输出端将系统的测试响应串行输出，进行数据分析与处理，完成电路系统的故 障诊断及定位，边界扫描测试原理示意图如图1所示。

　　边界扫描测试的物理基础是IEEE1149.1边界扫描测试总线和设计在器件内的 边界扫描结构，标准的边界扫描结构如图2所示。其中边界扫描测试总线由测试数据输入(TDI)、测试数据输出(TDO)、测试时钟(TCK) 、测试模式选择(TMS)和复位信号(TRST)五根信号线组成。而标准的边界扫描结构就是在器件内部的逻辑I/O引脚增加了边界扫描单元 (BSC)，同时还增加了和边界扫描测试相关的指令寄存器、数据寄存器、测试访问端口TAP控制器等电路。在测试状态时，边界扫描结构可以对数据寄存器或 指令寄存器进行操作，即从TDI端口把测试矢量移入边界扫描单元，从TDO端口把测试响应移出。

　　总体设计方案

　　便携式边界扫描故障诊断仪需 要根据被测系统电路的描述文件生成边界扫描测试矢量，然后转换为IEEE1149.1边界扫描测试总线信号自动加载到被测系统中，同时从TDI引脚自动读 取边界扫描测试响应进行分析处理，根据边界扫描相应算法作出故障诊断决策及定位隔离，通过LCD显示诊断结果。本文采用片上可编程系统解决方案将便携 式故障诊断仪进行软硬件协同设计在一片FPGA上，使所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实 现化(整体结构示意图如图3所示)。

　　硬件设计

　　本文采用Altera公司嵌入软核Nios处理器的FPGA作为载体来实现边界扫描故障诊断仪的SOPC系 统。边界扫描故障诊断仪主要实现边界扫描测试矢量的生成、JTAG总线信号发生器、边界扫描故障诊断应用软件、故障显示等功能，是便携式边界扫描故障诊断 系统的。利用SOPC Builder创建Nios软核CPU并进行参数化配置，同时构建储存器、计时器、LCD接口组件、IEEE1149.1测试总线用户逻辑为一体的 SOPC系统，边界扫描故障诊断片上可编程系统内部模块配置图如图4所示。

　　本文利用向导式界面灵活定制边界扫描故障诊断系统，采用标准型Nios II软核处理器，并添加了4K字节的指令缓存 
Cache。同时为了方便调试边界扫描故障诊断系统的软硬件，在处理器模块中添加JTAG调试单元，在SOPC系统软硬件调试成功且能独立运行后，也可以将JTAG调试单元去掉。

　　可复用IEEE1149.1测试总线控制器IP核是边界扫描测试控制器的，也 是整个边界扫描测试平台设计的关键所在。本文设计的IEEE1149.1测试总线控制器IP核主要功能包括：产生边界扫描测试时钟TCK、对被测系统电路 输出TMS控制序列、读取被测系统的测试响应和加载测试矢量、与SOPC系统中的微处理器进行通讯及测试数据交换和在TCK和TMS配合下控制被测系统中 TAP控制器完成边界扫描测试的全部过程。　
　
　　在IP核的开发过程中采用IC的设计思想，首先根据功能需求确定外部接口，然后划 分内部结构单元，通过实现内部每个小单元的功能，组合完成JTAG总线控制IP核的整个设计，JTAG总线控制逻辑内部体系结构图如图5所示。其中 TDO缓冲模块主要由FIFO、计数器、并/串转换及控制部分组成。

　系统软件开发 

　　mc/os操作系统移植

　　将mC/OS-II移植到Nios软核CPU平台上，只需修改与处理器相关的代码 OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三个文件。同时根据本系统的功能需要，用OS_CFG.H配置内核设置系统的基本情况 以及整个实时系统所需要内核和用户的头文件INCLUDES.H。根据各个任务的重要性和时间关键性，设定每个任务的优先级，以便任务调度之用。

　　故障诊断软件

　　故障诊断软件首先根据预先固化在Flash存储器中的被测系统的边界扫描描 述文件(BSDL)和网络表等描述文件生成两个测试数据文件：系统链路信息文件和器件间互连网络节点文件。同时还需要获得测试器件物理引脚号码和器件边界 扫描单元的对应关系。然后根据相应的边界扫描测试算法和不同的测试内容生成测试数据：测试指令代码、完整性测试数据、互连测试数据、芯片功能测试数据并且 加载到被测系统扫描链路中及读取边界扫描测试响应。其次分析处理测试响应数据，剔除扫描链中垃圾数据，提取获取故障诊断有用信息。根据测试内容不同， 进行扫描链路完备性测试故障诊断、互连测试故障诊断、器件功能测试故障诊断、簇测试故障诊断作出诊断结果。边界扫描测试故障诊断数据流程图如图6所示。

　　结语

　　本文设计的便携式边界扫描故障诊断仪不 同于传统的边界扫描设备，不依靠PC就可实现边界扫描测试与诊断，特别适合特殊领域的现场在线使用。尤其是在测试时间方面，克服了PC机上应用软件与边界 扫描控制器之间数据传输的延时的缺点，直接进行边界扫描测试矢量的加载和读取，大大提高了边界扫描测试诊断的效率。