数字电路测试向量自动生成技术 摘要 数字电路测试向量自动生成一直是电子测试领域关注的焦点，是开发电路板／ 模块测试程序的难点，也是困扰我军如何高效合理利用现有自动测试设备和开发测 试程序组合软件构成具有实用性的故障诊断系统的关键点。 测试向量生成最关键的技术是测试向量实用化算法的实现，通过对G-F二值算 法的分析和研究，设计了一种新的方法和策略，采用正向敏化模式按有限回溯策略 推导，凡在回溯次数内未能判明目标故障不可测的测试生成过程所产生的测试码都 进行故障模拟。这种有限回溯策略加速测试生成，对提高系统效率起到了决定性的 作用。在G-F算法确立正反向驱动经过各类功能块和反馈线的时帧变化的基础上， 把推导组合电路目标故障测试码的方法按迭代组合模型推广到同步时序电路，且用 反向追踪中的时帧迭代实现迭代组合模型中的空间迭代。 通过对同步时序电路的分析和研究，结合数字电路的特点，建立其电路模型和 故障模型，生成了电路的器件库，并可对电路进行故障模拟，生成故障字典，生成 的故障字典供测试系统使用。数字电路测试向量自动生成的实现主要以提高数字电 路测试向量自动生成算法的通用性和效率为主，力争解决电路板的故障测试向量生 成问题。 关键词：测试向量集自动生成电路板，自动测试设备测试程序集 故障模型故障字典

1绪论 1．1研究目的 1绪论 本课题主要针对数字电路测试程序组合(XPS，Test Program Set)开发过程中，人工 分析电路结构，手工推导测试向量造成的开发难度大、周期长、质量无法评估的问 题，开发出一套测试向量自动生成软件．该软件能自动生成测试向量、故障字典等 数据，提供给测试设备使用。 1．2研究背景 在一些测试过程中，出现了数字电路测试程序开发难度大、周期长、质量无法 评估的问题，问题的根本在于需要人工进行分析电路，手工生成测试激励、响应数 据，诊断信息完全根据测试开发人员的经验编制。在此背景下迫切需要研制一套数 字电路自动测试向量生成软件来代替人工分析方法，自动生成测试所需的数据，降 低测试程序开发难度，提高开发速度与质量，最大限度发挥测试系统的效能，最终 提高军队的战斗保障力。 1．3国内外研究现状 现代战争发生突然，战场情况瞬息万变，战争环境条件更加复杂严酷，机动性 及快速反应能力要求高，这一切都更加迫切要求在装备发生故障时能迅速检测、隔 离故障，及时修复，使战斗力保持和再生。同时，现代战争投入大量复杂的电子装 备或含有电子系统的装备，而自动测试设备(ATE，Automatic Test Equipment)技术的 高度发展，为满足迅速检测、隔离、修复，使战斗力很快再生提供了技术保证，现 已成为世界各军事强国电子设备维修测试的主要方法和手段【¨。 美国陆、海、空三军为适应现代战争快速保障的需要，分别组织实旅了“通用 自动测试设备”计划，所有主要武器装备都装备了自动测试设备。我军也已开始研 制和装备自动测试设备ATE用于武器装备的测试。其“硬件”已达到和接近世界先 进水平，但测试软件的使用仍受到一定限制，首先是对操作人员要求高，其次要求 对装备设计的电路非常熟悉，同时，人工生成测试向量难度太大，造成开发一块电 路板的TPS相当复杂，部队进行二次开发难度相当大，形成了所需的测试“软件” 的“瓶颈”问题。如开发一块中等规模(几百个功能器件)电路板TPS为例，在技 术资料齐全的情况下，专业技术人员约需2--3个月，成本约为2—3万元人民币。 例如C一300地空导弹武器系统共有2700多种电路板，需投入的硬件费用约为1000 万元左右，而测试软件开发周期，在1人l台ATE设备上要工作200多年，开发费 用约为5400万元，开支费用惊人。无论是开发时间方面，还是经费方面都严重制约 了自动测试设备的广泛使用。但系统二次开发的能力不够，即TPS开发难。对使用 者要求较高，开发效率急需大大提高。 TPS开发难的问题，实质上是数字电路测试向量生成的问题．如果不采用任何 对输入激励的选择技术，则对有n个输入的数字系统，需加2n组不同的输入激励方 可实现对系统的完全测试，但当n较大时，这是不现实的。如一个32位加法器，有 65个输入，如果要加2舒组输入激励，即使是lns加一组，也要1000年，这是不可 能实现的．由此提出了一个如何加最少的输入激励也能达到同样的检测效果的问题， 这也正是多年来人们利用各种算法来生成所需输入激励的问题。也是现有ATE，开 发数字电路板TPS的难点12】。 自1966年罗思(Roth)发表的著名的D算法以来，数字电路测试理论得到了迅 速发展．研究者们提出了各种基于用门级描述数字电路ATPG的方法。特别是为了 较好地解决时序电路的测试问题，相继提出了逻辑函数的多值模拟法，其中比较成 功的有五值和九值布尔模拟。多值布尔模拟中所引入的新的布尔变量，主要是为了 时序电路中状态变量的初值设置，以及在测试过程中某些元件的未知状态或随意状 态的表达问题，目前常见的有基于九值逻辑运算的九值算法0-41。 D算法从理论上解决了组合逻辑电路的测试生成问题，即任何一非冗余的组合 逻辑电路中任何单故障都可用D算法来找到测试它的测试向量，但在实际应用中因 其计算量十分浩大，对大型电路很难实施。时序逻辑电路的测试主要有三个方面的 难题：一是时序逻辑电路中存在反馈，给故障检测和诊断带来困难；二是时序逻辑 电路中有存储元件，因此电路中存在着状态变量初态的随机性问题；三是时序逻辑 电路中有时序元件，尤其是异步时序元件，对竞争现象是异常敏感，因此产生的测 试序列，不仅在逻辑功能上要满足测试要求，而且要考虑到期竞争对测试电路的影 响。无论组合逻辑电路，还是时序逻辑电路，虽然至今已有部分解决方案来测试它 们，但工作量和测试费用都是很大的，尤其是现代装备的规模越来越大，测试的矛 盾也日益尖锐。据美国有关公司的统计，当今一些PCB板的测试费用已占整个生产 过程费用的500,6以上。 我国学者提出的G-F二值算法以简便的G-F值分开的二值运算实现了九值算法 功能，使进行相容性运算时需要执行的运算规则由九值算法的45条减少为12条， 大大提高了算法速度。G-F二值算法对于有n个输入的功能块，可以把功能块的pdc 表压缩为n行，而且它只需存储相当于初始立方(pc,primitive cube)表的功能块的c立 方表达式，即根据需要动态生成，因此，处理复杂功能块的大型电路比较方便。所 以与D算法、PODEM和FAN算法、九值算法相比，G-F二值算法便于处理较复杂 的功能块构成的电路，便于处理多故障和时序电路[5-71。 国际上如Teradyne、Synopsys等大公司研制出了一些用门级描述的数字电路测 试向量自动生成(ATPG，AutomaticTestPatternGeneration)商用软件，都是针对规模、 复杂度不十分大的数字电路，也主要用于集成电路的设计中。据调研，国内外都没 有成熟的ATPG商用软件。 80年代后，人们对测试研究的战略思想发生了重要变化，最有代表性的观点是 可测试性设计，认为边界扫描技术使门级的ATPG问题变得相对容易。但边界扫描 等技术针对时序电路的测试有效，还需要额外增加20％甚至300,6的硬件开销，增大 了芯片的面积和电路的复杂性，而且测试时间变长，在一定程度上限制了这些技术 的适用范围。但现有的装备中，由于种种原因，很多引进设备，没有提供维修的详 细维修资料，有的甚至连电原理图都没有，大部分的电路并不符合可测试性标准 (1149，1)，国产电子装备出于成本和性能(主要是速度)的考虑，在批量不大的情 况下，多数还是选择非扫描设计。所以，本项目不以可测试性设计为基础，而是从2 提高数字电路ATPG算法的通用性和效率为主，力争解决电路板的故障测试向量生 成闯题。 测试向量自动生成一直是电子测试领域关注的焦点，是开发电子电路板／模块 测试程序的难点，也是困扰我军如何高效合理利用现有自动测试设备ATE和开发测 试程序组合TPS软件构成具有实用性的故障诊断系统的关键点。测试诊断能否达到 所期望的故障覆盖率和故障分辨率，主要取决于测试向量生成系统所提供的测试向 量和故障字典的质量。人工开发澳I试向量的方法已无法满足需要，如果不及早研究 测试向量的自动生成，并在短时间内将其实用到已装备的ATE，势必会严重影响电 子装备的作战能力及装备的技术保障。 我军电子装备现有的大部份电路板由于没有有效的测试手段作保证，一方面大部分只能靠返回生产厂家(有的到国外生产厂)修理；另一方面是同一种电路板为 防止短缺，占用大量资金，加大器材备件储备量。这种保障方式，战时既满足不了 快速保障需要，技术保障工作还时时处于被动的局面，平时也容易使器材备件大量 积压，造成了经费的紧张和资源的浪费。 该课题从提高数字电路ATPG算法的通用性和效率为主，力争解决电路板的故 障测试向量生成问题。 1．4研究工作 本课题主要功能块数字电路测试生成算法，建立数字电路组合电路和同步时序 电路的电路模型和故障模型，并对电路进行故障模拟，生成故障字典．主要研究内 容如下： 1)完成数字电路测试向量生成软件的总体设计； 2)完成测试向量生成算法理论实用化研究； 3)开发出数字电路测试向量自动生成软件，具备自动生成测试码，故障模拟， 故障覆盖率统计以及故障字典建立等功能； 4)利用现有的ATE利用生成的数据文件对被测电路进行故障检测和诊断。

42数字电路自动测试生成系统模型 本测试生成系统的系统模型，是从被测对象的基本特征中抽象出来的，主要包 括数字电路模型和故障模型。 2．1数字电路模型 2．1．1组合电路模型和时序电路模型