趙 影,高 劍

(北京自動測試技術(shù)研究所,北京,100088)

I2C串行接口數(shù)字芯片SCG103測試方法

趙 影,高 劍

(北京自動測試技術(shù)研究所,北京,100088)

本文概述了I2C串行總線協(xié)議原理，研究了采用I2C串行接口的數(shù)字芯片的測試方法。在此基礎上，研究了I2C串行接口時鐘/日歷芯片SCG103的測試方案，并在BC3192測試系統(tǒng)中開發(fā)了測試程序，成功實現(xiàn)了測試。該測試方法同樣適用于類似的I2C串行接口數(shù)字芯片。

ATE；串行總線；串行接口；I2C；數(shù)字芯片；IC測試；BC3192

0 引言

串行總線是工業(yè)上大量應用的一種通信協(xié)議。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)和數(shù)字芯片的高速發(fā)展，串行總線協(xié)議也廣泛應用于各類數(shù)字芯片。常見的串行總線協(xié)議如I2C總線、Microwire總線、SPI總線。與并行接口相較，采用串行接口的數(shù)字芯片具有較少的I/ O管腳、信號線和布局通路，能夠明顯減小芯片體積和封裝體積，降低成本。串行總線一般采用打包數(shù)據(jù)的通信方式，使得數(shù)據(jù)的字符長度可隨系統(tǒng)要求呈動態(tài)變化，適應性更強。

串行輸入/輸出的特點，使得采用串行接口的數(shù)字芯片往往具有較復雜的指令集，由此增加了測試向量的編寫難度。同時，芯片本身的規(guī)模和邏輯復雜度，也決定了測試的復雜性。在測試中，既要考慮串行總線通信的時序特點，又要有效測試芯片的邏輯功能和電學性能。如何充分利用測試系統(tǒng)，以較低的成本、較大的故障覆蓋率實現(xiàn)高效測試，是串行接口數(shù)字芯片測試面臨的挑戰(zhàn)。

I2C總線協(xié)議是一種典型的串行總線協(xié)議，最早由Philips公司推出。它是用于集成電路芯片間通信的二線制總線協(xié)議，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫方便，易于實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標準化，且性能穩(wěn)定、價格較低，目前已得到廣泛應用。本文針對I2C總線的工作原理，提出了采用此種接口的數(shù)字芯片的測試方法，并在BC3192系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了I2C接口芯片SCG103的測試。

1 I2C串行接口數(shù)字芯片測試方法

1.1 I2C總線協(xié)議原理

I2C總線協(xié)議采用串行通信，主控器與各外圍器件之間通過時鐘線（SCL）與數(shù)據(jù)線（SDA）兩條信號線傳輸信息，并根據(jù)唯一的地址識別各個器件。每一個連接在I2C總線上的芯片都可以作為發(fā)送器或接收器，在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時，也可以被看做主機或從機，其含義如表1所示。

表1 I2C總線術(shù)語定義

另外，I2C總線協(xié)議具有一些時序特點，是在生成測試向量時需要特殊注意的：

1.1.1 位傳輸

圖1 I2C總線協(xié)議 位傳輸

每個時鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)。SDA數(shù)據(jù)線的電平在SCL時鐘高電平期間要保持穩(wěn)定，此期間的SDA信號變化會被理解為控制信號。見圖1。

1.1.2 開始/停止

SCL高電平，SDA由高到低跳變，表示數(shù)據(jù)傳輸開始。SCL高電平，SDA由低到高跳變，表示數(shù)據(jù)傳輸停止。見圖2。

圖2 I2C總線協(xié)議 起始/停止

1.1.3 字節(jié)格式與應答位

在開始、停止位之間發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目不限，每個字節(jié)后要跟隨一個應答位。在主機生成一個額外時鐘信號的同時，從機發(fā)出一個高電平信號，這就是應答位。從機在接收每個字節(jié)后，必須生成一個應答位。主機在接收每個字節(jié)后，也必須產(chǎn)生一個應答位。見圖3。

圖3 I2C總線協(xié)議 字節(jié)格式與應答位

1.2 I2C串行接口芯片測試模型

同大多數(shù)集成電路測試一樣，I2C串行接口芯片測試主要包括功能測試和直流參數(shù)測試兩項內(nèi)容。由于I2C串行接口的特點，這種芯片一般具有較復雜的指令集，不同芯片需要測試的參數(shù)、功能也不盡相同。為了簡明描述I2C串行接口芯片的測試方法，根據(jù)I2C串行總線的特點，我們建立如圖4所示的通用測試模型。

在I2C串行接口芯片測試中，測試系統(tǒng)作為主機，被測芯片作為從機。測試系統(tǒng)為被測芯片提供電源，通過SCL發(fā)送時鐘信號，通過SDA發(fā)送控制指令，接收數(shù)據(jù)信號。

圖4 I2C串行接口數(shù)字芯片測試模型

I2C數(shù)字芯片測試一般分為直流參數(shù)測試與功能測試。對于直流參數(shù)測試，一般需要在測試某參數(shù)前，對被測器件輸入一段控制指令，使其進入期望的狀態(tài)。因此測試系統(tǒng)須通過向量生成單元向被測器件輸入激勵向量，然后通過激勵/測試單元（PMU）測試相應管腳的直流參數(shù)。其測試模型如圖5。

圖5 I2C串行接口數(shù)字芯片 直流參數(shù)測試模型

對于功能測試，測試系統(tǒng)須根據(jù)要求生成測試向量。將時鐘和控制指令等激勵向量發(fā)送給被測芯片，接收被測芯片輸出的數(shù)據(jù)，并通過接收數(shù)據(jù)與期望向量的比較，進行失效判斷。其測試模型如圖6。

圖6 I2C串行接口數(shù)字芯片 功能測試模型

2 SCG103的測試

2.1 SCG103簡介

SCG103是一種采用I2C串行接口的實時時鐘/日歷芯片，提供以下功能：

圖7 SCG103內(nèi)部框圖

- 以32.768kHz石英晶振為基礎，實現(xiàn)年、月、周、日、時、分、秒計時。

- 提供時鐘、鬧鐘功能，通過SDA端口輸出實時時鐘/日歷。

- 通過CLKOUT端口向外圍設備提供可編程時鐘信號，支持頻率：32.768kHz，1024Hz，32Hz，1Hz。

SCG103的I2C接口讀寫頻率可達400kHz，讀寫指令：讀A3h，寫A2h。讀寫地址自動增益。圖7為SCG103的內(nèi)部框圖。

2.2 測試方案與實現(xiàn)

SCG103的測試分為直流參數(shù)測試和功能測試兩部分。直流參數(shù)主要是測試不同狀態(tài)下芯片電源端的靜態(tài)電流，其具體測試流程如圖8。

圖8 SCG103直流參數(shù)測試流程

需要注意的是，各測試步驟必須按照圖中順序進行，且中間不能斷電，以確保參數(shù)是在正確狀態(tài)下被測試的。

SCG103的功能測試主要包括：復位值驗證（RESET），頻率驗證（FREQ）和時鐘走時驗證（RUNTIME），其具體測試流程如表2。

如前所述，為滿足SCG103的測試需求，ATE系統(tǒng)需具備向量生成單元，能夠編寫、產(chǎn)生激勵向量、期望結(jié)果向量。須具備比較器，進行讀回數(shù)據(jù)的失效判斷。須具備激勵/測試單元（PMU），以測試直流參數(shù)。其模型如圖9所示。

BC3192系統(tǒng)滿足上訴要求。在該系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境下建立測試程序：設置時間參數(shù)、編寫測試向量、設置直流參數(shù)測試項，能夠完成SCG103要求的所有測試項目。該測試程序已經(jīng)成功用于產(chǎn)線批量測試。

在SCG103測試程序開發(fā)中，編寫測試向量是關(guān)鍵點。由于指令/數(shù)據(jù)向量的串行格式，字節(jié)不易分辨，手動編寫、修改比較困難。可對軟件工具做出改進，在向量編寫時仍用并行格式，如下面一段向量：

SCL SDA

01010101 11001100

01010101 00001100

再通過軟件工具轉(zhuǎn)化為如下的串行格式，可以使向量編寫更加便捷：

SCL SDA

表2 SCG103功能測試流程

圖9 I2C串行接口數(shù)字芯片 測試系統(tǒng)模型

3 結(jié)論

本文通過分析I2C串行總線協(xié)議原理，討論了I2C串行接口數(shù)字芯片的測試方法。在此基礎上以實時時鐘/日歷芯片SCG103為例，研究了I2C串行接口數(shù)字芯片的測試方案，并利用BC3192測試系統(tǒng)開發(fā)了測試程序，實現(xiàn)了參數(shù)、功能測試。該測試程序已成功用于產(chǎn)線批量測試。本文所述方法同樣適用于其他I2C串行接口數(shù)字芯片的測試。

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趙影：女，碩士，北京自動測試技術(shù)研究所助理工程師，主要從事集成電路測試方法研究及測試系統(tǒng)研發(fā)工作。

Test Method for I2C Serial Interface Digital IC SCG103

Zhao Ying,Gao Jian
(Beijing Institute of Auto-Testing Technology,Beijing,100088)

This article discusses the principle of I2C serial bus protocol,and researched the test method for digital IC with I2C serial interface. Based on that,researched the test solution for SCG103,a real time clock/calendar IC with I2C serial interface.Test procedures are developed and successfully performed in BC3192 system.This test method is also applicable to similar IC with I2C serial interface.

ATE;Serial Bus;Serial Interface;I2C;Digital IC;IC Test;BC3192

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