Neue Wege beschreiten und Ressourcen optimieren

Transkript

1 Neue Wege beschreiten und Ressourcen optimieren Boundary Scan auf PXI Basis von Mario Berger, GÖPEL electronic GmbH In den letzten Jahren hat sich die PXI-Technologie immer mehr zu einem festen Standard entwickelt, vor allem weil schnelle Datenraten und platzsparendes Handling geboten werden. Und noch immer gibt es Anwendungsgebiete, die bisher nur zum Teil mit PXI arbeiten. In der allgemeinen Mess- und Prüftechnik steigen Akzeptanz und Anzahl der Applikationen auf PXI-Basis kontinuierlich an. Der folgende Artikel soll die Anwendung und vor allem die teilweise noch unbekannten Möglichkeiten von PXI beim elektronischen Prüfverfahren Boundary Scan/ JTAG verdeutlichen. Was ist PXI? PXI (PCI extensions for Instrumentation) ist ein offener Industriestandard für modulare Mess- und Automatisierungssysteme. Diese innovative Technologie adaptiert den CompactPCI-Formfaktor der PCI-Spezifikationen und kombiniert Eurocard-Packaging mit Hochleistungskonnektoren (IEC). Somit nutzt PXI die hohe Performance neuester PC- Systeme und deren geringe Kosten. Basierend auf dem Highspeed-PCI-Bus sind Datenraten bis zu 132MB/s möglich. Im Gegensatz zu PCI-Systemen bietet PXI, neben dem System Controller, Platz für bis zu einundzwanzig weitere PXI-Module im PXI-Racksystem. Darüber hinaus definiert PXI Anforderungen an EMV und die Kühlung der Module, zusätzliche Features auf Systemebene für Hochleistungsanforderungen sowie für die einfache Integration von Modulen diverser Hersteller: Trigger Bus zur Synchronisation von Abläufen auf einzelnen Modulen Local Bus zwischen benachbarten Slots, die einen daisy-chained Bus bilden und somit den Datenaustausch zwischen zwei Modulen ermöglichen 10 MHz Systemclock, der allen Modulen zur Verfügung steht Star Trigger mit sternförmigen Triggerleitungen von Slot 2 zu den anderen Slots Als Systemsoftware erfordert die PXI-Spezifikation Windows 9x/ 2000/ NT oder XP, sodass eine breite Palette an Anwendersoftware einsetzbar ist. Mit der Implementierung von VISA (Virtual Instrument Software Architecture) wird darüber hinaus Softwarekompatibilität für die Kommunikation und Kontrolle anderer PXI-Systeme sowie CompactPCI-, PCI-, VXI- und GPIB-Anwendungen erreicht. Der PXI Bus als eine industrielle Erweiterung des rechnerinternen PCI Busses hat sich in der Mess- und Automatisierungstechnik seit seiner Einführung, an der die Firma National Instruments maßgeblich beteiligt war, rasant verbreitet.

2 Eine Vielzahl von Herstellern hat wegen der vielen Vorteile, die dieses Bus-System gegenüber anderen bietet, auf diesen Markt gesetzt und offeriert für jede Anwendung eine passende PXI Lösung. Die Modularität des PXI Systems und die ausgereiften Softwarelösungen machen es dem Anwender leicht, schnell zu einer offenen Lösung für den speziellen Einsatzfall zu gelangen. Dabei braucht man in keiner Weise auf die gewohnte hohe Performance des PCI Busses zu verzichten, sondern profitiert vielmehr von den im PXI Bus zusätzlich untergebrachten Signalen zur Kommunikation zwischen den einzelnen Baugruppen sowie den bereits erwähnten Trigger- bzw. Synchronisationsmöglichkeiten. So wundert es nicht, dass alle modernen Funktionstester auf PXI Basis aufgebaut sind. Die kompakten Abmessungen, sowie der im Vergleich mit anderen Industriebussystemen geringe Preis seien hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Gerade in der Mess- und Prüftechnik findet PXI heute weitverbreitete Anwendung. Und auch für Testverfahren für Flachbaugruppen wie Boundary Scan bietet es sich an. Was ist JTAG/ Boundary Scan? JTAG/ Boundary Scan ist ein elektrisches Testverfahren zum Prüfen von Flachbaugruppen über in den ICs integrierte Schieberegister. Das Testverfahren wurde in den späten 90er Jahren von der Joint Test Action Group (JTAG) entworfen und 1990 als IEEE zum Standard erhoben. IEEE beschreibt dabei den rein digitalen Verbindungstest und ist der derzeit am weitesten verbreitete BScan- Standard. Weitere Standards folgten mit IEEE für den analogen Verbindungstest sowie IEEE für dynamische Signale. Doch wie funktioniert Boundary Scan laut IEEE ? Abbildung 1 gibt einen Eindruck vom im Chip integrierten Schieberegister. Dieses nennt man Boundary Scan Register. Es besteht aus einer Vielzahl sogenannter Boundary Scan Zellen. Jedem Anschlusspin des ICs sind bis zu drei dieser BScan Zellen zugeordnet. Eine Zelle misst, eine Zelle treibt und eine Zelle kann den Treiber deaktivieren. Das geschieht allerdings nur im Testmodus des BScan ICs - im Normalbetrieb haben die BScan-Zellen keinen Einfluss auf den Signalpegel an den Anschlusspins. Im Testmodus entfalten die BScan Zellen dann ihre Qualitäten, denn dann sind einzig und allein sie für die Signale an den Anschlusspins verantwortlich. Die innere Logik (Kernlogik) wird im gleichen Moment von dem Pin getrennt sie spielt also Bild 1: Typischer BScan IC im Testmodus keine Rolle mehr. Mit dem logischen Inhalt der BScan Zellen kann man also die Anschlusspins gezielt stimulieren und auch messen; ergo über den Inhalt des Boundary Scan Registers (die serielle Verschaltung aller BScan Zellen) kann man Testmuster an den Pins des ICs ausgeben und wieder zurück messen - mehr braucht man nicht zum Testen.

3 So einfach wie dieses Testverfahren scheint, so viele Vorteile bringt es mit sich. In erster Linie ist dies der unbegrenzte Zugriff auf die Leiterzüge der Flachbaugruppe. Denn im Gegensatz zur mechanischen Kontaktierung, wie dies beim In-Circuit Testverfahren oder auch beim Flying Probe Test über die Testpunkte auf der Leiterplatte und entsprechende Testnadeln geschieht, erfolgt der Zugriff bei Boundary Scan über den IC selbst, rein elektrisch (siehe Bild 2). Bild 2: Prinzip der Testverfahren IC-Test und Boundary Scan/ JTAG Die Probleme der mechanischen Kontaktierung bei den ständig steigenden Packungsdichten gibt es mit JTAG/ Boundary Scan nicht. Man muss demnach keine Testpunkte mehr setzen bzw. in die Schaltung integrieren. Dies bringt einen weiteren Vorteil mit sich Flexibilität. Bei der Anwendung von Boundary Scan ist es uninteressant, wo die Leiterbahnen physikalisch liegen. Entscheidend ist einzig und allein die Kenntnis, welcher Pin des einen Bausteins mit welchem Pin des anderen Bausteins verbunden ist. Diese Informationen liefert bereits der Schaltplan in einem sehr frühen Stadium eines Projektes. Die Testprogrammerstellung kann somit relativ zeitig erfolgen, wodurch logische Konflikte behoben wie auch Maßnahmen zur Erhöhung der Testtiefe unkompliziert umgesetzt werden können. Die Testprogramme stehen somit bereits für den ersten Prototyp zur Verfügung und können genauso in der Produktion wie auch beim Service vor Ort verwendet werden. Letzteres setzt natürlich ein kompaktes Testequipment voraus. Wie umfangreich muss dieses in Bezug auf Boundary Scan sein? Man benötigt in erster Linie Zugriff auf das Boundary Scan Register sowie auf den Modus des BScan ICs (Normal- oder Testbetrieb). Dies alles geschieht über den in IEEE beschriebenen Testbus, welcher sich aus vier Signalen (TDI - Test Daten In, TDO - Test Daten Out, TMS - Test Mode Select und TCK - Test Clock) zusammensetzt. Es genügen also vier Signale, um Boundary Scan einsetzen zu können. Das erforderliche Testequipment beschränkt sich somit auf einen Controller mit der entsprechenden Software zum Steuern des vieradrigen Testbusses.

4 Im Verbund: JTAG/ Boundary Scan auf PXI Basis Wie kann man nun Boundary Scan mit Hilfe des PXI-Busses noch besser machen, oder worin besteht der besondere Nutzen von Boundary Scan auf PXI-Basis? Letzteres lässt sich in vier Worten beantworten - mehr Flexibilität, mehr Möglichkeiten. So kann man sein bisheriges, auf PXI basierendes Testsystem ganz einfach durch die Nutzung eines Boundary Scan Controllers (Bild 3) um dieses effektive Testverfahren erweitern und profitiert sofort von seinem enormen Potenzial. Bild 3: Boundary Scan Controller PXI Dies ist durch den modularen Aufbau des PXI-Systems problemlos möglich und ist heute gang und gäbe - doch das ist nicht neu. Das Revolutionäre liegt im Überwinden der bisherigen Grenzen des Testverfahrens Boundary Scan und einer enormen Performancesteigerung. Die Triggermöglichkeiten, die der PXI-Bus bietet, sind hierfür einer der entscheidenden Faktoren. So konnte man bisher die Spannungsversorgung der mit Boundary Scan zu prüfenden Flachbaugruppe nicht testen. Dies ist jedoch für das Arbeiten mit dem Testverfahren von essentieller Bedeutung. Lag hier ein Fehler vor, so war dessen Suche oft ein schwieriges Unterfangen. Mit BScan PXI-Karten wird hier eine einmalige Möglichkeit geschaffen, diese Lücke zu schließen. Programmierbare Stromquellen können während der gesamten Boundary Scan Tests die Strom- und Spannungswerte aufzeichnen, was Rückschlüsse auf die korrekte Funktion des Prüflings zulässt. Diese Werte sind zudem mit dem IEEE Bus des Prüflings getriggert und können somit einzelnen Ereignissen zugeordnet werden. Weitere BScan PXI-Module bieten die Möglichkeit zum Messen bzw. Stimulieren analoger Werte, und dies sogar synchron zum Testbus des Prüflings. Es handelt sich hierbei um absolutes Neuland und bietet demnach eine zuvor nie da gewesene Qualität beim Testen mit Boundary Scan. Digitale I/O Module zum Testen der Schnittstellen eines Prüflings werden nicht länger über den seriellen IEEE Testbus betrieben, sondern parallel über den wesentlich schnelleren PXI-Bus.

5 Damit schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe: Zum Einen werden die I/O Testkanäle vollständig vom Testbus des Prüflings entkoppelt, und zum Anderen erlaubt ein paralleler Zugriff auf die einzelnen Testkanäle mit Datenraten bis zu 132MB/s wesentlich kürzere Schaltzeiten als der serielle Zugriff über den Testbus mit einer Taktfrequenz von MHz bei typischen Längen einer Scankette >1000 Zellen. Bislang sehr zeitintensive Aufgaben, etwa das Beschreiben von Flash-Bausteinen, können nun durch den parallelen Zugriff auf die Leiterbahnen in einem Bruchteil der ursprünglichen Zeit erledigt werden. Das ist ein nie zuvor da gewesener Qualitätssprung. Bild 4: PXI-Modulfamilie für Boundary Scan Applikationen Resümee An diesen wenigen Beispielen kann man bereits das enorme Potenzial erahnen, das in Boundary Scan Lösungen auf PXI Basis steckt. Durch seine offene, modulare Struktur, vereint mit einer hohen Performance sowie den verschiedenen Triggermöglichkeiten und lokalen Busstrukturen, stellt der PXI Bus die ideale Plattform für zukünftige Technologien und Trends auch beim Testen mit Boundary Scan dar. Die jetzt am Markt verfügbaren BScan PXI- Module eröffnen völlig neue Welten für den Einsatz von Boundary Scan als Testmethode. Zuvor nicht lösbare Herausforderungen werden nun zum Kinderspiel. So werden die neuen Lösungsansätze, die sich durch die Boundary Scan PXI Welt ergeben, dazu beitragen, dass sich Boundary Scan als das effektivste elektrische Testverfahren weiter durchsetzen wird und sein Siegeszug unaufhaltsam weiterrollt. Schlusswort Die Firma GÖPEL electronic hat sich weltweit als erster Anbieter von Boundary Scan Testsystemen bereits im Jahr 1999 entschieden, einen Boundary Scan Controller für den Standard IEEE auf Basis des PXI Busses zu entwickeln. Seither wurde diese Idee konsequent weiterentwickelt und äußert sich heute in einem umfassenden Spektrum an PXI Lösungen für Boundary Scan Testequipment. So können Sie als Kunde neben den bereits erwähnten Boundary Scan Controllern auch auf programmierbare Spannungsquellen (Power Supplies), verschiedenste Digital I/O Module wie auch ein Modul für analoges Testen zurückgreifen.