林子明 崔同兵 谷熒柯 靳 旭 任 軍

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(Train Communication Network,TCN)在列車上的應用越來越廣泛。TCN按功能結(jié)構(gòu)分為絞線式列車總線(Wire Train Bus, WTB)和多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus,MVB)。其中WTB用于車輛間通信，MVB進行列車內(nèi)部各個設備之間的數(shù)據(jù)交換。MVB設備廣泛應用于高鐵，普速鐵路和地鐵中。由于我國鐵路發(fā)展起步較晚，全面采用西方標準，在核心部件上完全依賴進口。目前多功能車輛總線控制器由西門子和龐巴迪兩家壟斷，為提高產(chǎn)品自主化程度，降低對外依賴，北京全路通信信號研究設計院集團有限公司簡稱（通號院）依據(jù)IEC61375協(xié)議自主化開發(fā)一款多功能車輛總線控制器芯片。從芯片定義到最終成型的各個階段，為降低生產(chǎn)成本和產(chǎn)品風險，在芯片設計的各個階段需采用不同的測試驗證方法對芯片進行驗證，保證芯片的設計完全滿足設計需求。

本文基于芯片定義和IEC61375標準，設計并實現(xiàn)一系列的測試驗證方法，通過在不同階段的測試驗證，最終確認芯片符合設計需求和協(xié)議標準。

2 多功能車輛總線

MVB是一種主要用于（但也并非專用于）有互操作性和互換性要求的互連設備之間的串行數(shù)據(jù)通信總線。

在物理層，MVB總線采用3種介質(zhì)傳輸：無電隔離的短距離電器介質(zhì)ESD，有隔離的中距離電器介質(zhì)EMD和長距離光纖介質(zhì)OGF，數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，以1.5 Mbit/s的速率傳輸。

在鏈路層，MVB總線以主幀/從幀的結(jié)構(gòu)進行通信，總線上數(shù)據(jù)幀以廣播形式發(fā)送，總線上的所有設備都監(jiān)聽總線，接收數(shù)據(jù)并譯碼完后根據(jù)協(xié)議產(chǎn)生響應。MVB根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型的不同，分為過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)。具體如表1中的幾種數(shù)據(jù)類型。

MVB總線協(xié)議包含多種數(shù)據(jù)類型，最多支持達4096個設備節(jié)點。為保證在復雜的通信環(huán)境下芯片能夠正常工作，需要對芯片的功能、性能和協(xié)議一致性進行充分的驗證，以保證芯片滿足鐵路應用需求。

3 集成電路測試

集成電路測試是集成電路出廠前的重要環(huán)節(jié)，早期的測試只是作為IC生產(chǎn)中的一個工序存在，被合并在制造業(yè)或封裝業(yè)中。隨著設計規(guī)模的迅速擴張，芯片復雜度，性能要求越來越高，簡單的依靠之前的測試手段難以達到芯片測試要求。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 早期的測試人員通常為芯片開發(fā)人員，其思維方式上存在的失誤會傳導到測試過程中，導致一些固有缺陷難以被發(fā)覺。

2) 在大規(guī)模集成電路設計過程中，一般采用模塊化設計，邊界處存在的設計缺陷難以被簡單的功能測試覆蓋，大規(guī)模設計中的語句、功能測試難以達到很高的覆蓋率。

3) 集成電路進入深亞微米階段后，設計周期長，流片成本高，工藝水平達到90 nm以下后，單次流片周期3到6個月，單次流片成本在百萬以上級別，依靠流片后的測試檢查會導致項目時間成本和資金成本的增長，需要在整個芯片開發(fā)周期內(nèi)分階段對芯片進行測試，控制風險。

在現(xiàn)有的大型IC設計公司中，測試團隊的比重已經(jīng)超過設計團隊，有些公司中測試人員數(shù)量甚至達到70%，目的是保證芯片設計符合芯片的定義，排查可能存在的缺陷，縮短芯片開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。一般來講，芯片的驗證工作從芯片定義階段開始，到芯片定型出廠結(jié)束，在芯片設計階段，流片封裝階段和流片后階段采用不同的測試手段，盡可能排除潛在的隱患。

表1 MVB總線幀類型Tab.1 Frame types of MVB bus

本項目設計的芯片應用在鐵路通信信號設備中，因此芯片開發(fā)過程采用符合IEC61508標準的功能安全芯片開發(fā)流程；同時本芯片需兼容既有國外芯片產(chǎn)品并遵循IEC61375協(xié)議。因此本項目測試過程需覆蓋既有芯片全部功能要求和協(xié)議一致性要求。根據(jù)IEC61508標準的功能安全芯片開發(fā)流程制定對應的測試方案，在芯片定義階段、前端設計階段、后端設計階段，流片封裝階段和流片后階段進行5個階段的測試驗證，如圖1所示，提高芯片開發(fā)過程的可靠性。

圖1 MVB芯片開發(fā)測試流程Fig.1 Development and testing flow of MVB chip

芯片定義階段：采取設計/測試獨立的原則，建立測試團隊，依據(jù)設計需求制定測試計劃和測試方案。

前端設計階段：測試團隊需根據(jù)前端RTL設計編寫仿真模型，仿真腳本，構(gòu)建仿真環(huán)境，針對前端設計的模塊級和芯片級進行功能仿真。

后端設計階段：測試團隊采用綜合后的網(wǎng)表加入延時文件進行后仿真，確保芯片的功能與前仿真一致，在此基礎上，構(gòu)建FPGA驗證方案，替換ASIC資源進行硬件仿真和調(diào)試。

流片封裝階段：由廠家進行測試，主要分為WAT（wafer level的管芯或結(jié)構(gòu)測試），CP（wafer level的電路測試含功能）和FT（device level的電路測試含功能）測試。此部分測試正確性由流片廠和封裝廠保證。

流片后階段：需要對芯片進行功能測試和性能測試。功能測試包含前仿真階段全部測試向量的硬件測試，協(xié)議一致性測試和系統(tǒng)應用測試，對于復雜設計采用ATE測試機臺進行測試。性能測試包含電氣性能測試和環(huán)境測試以及可靠性測試。

經(jīng)過以上幾個階段的測試，保證芯片的功能正確性和性能的可靠性達到設計要求。

4 MVB控制器芯片測試系統(tǒng)實現(xiàn)

本項目針對MVB的開發(fā)，設計實現(xiàn)一整套全開發(fā)周期測試驗證方案。

4.1 測試計劃和測試規(guī)范

采取設計與測試相互獨立的原則，由測試團隊針對設計需求和協(xié)議規(guī)范制定各個階段的測試方案，并嚴格按照計劃執(zhí)行，保證各個階段輸出為測試通過文件。按照IEC61508的芯片開發(fā)V模型，制定各個階段測試方案，形成設計-驗證閉環(huán)。

4.2 前功能仿真

功能仿真的前仿是功能實現(xiàn)的最初驗證方案，通過對模塊級和芯片級的分別仿真，驗證設計的邏輯是否符合最初的定義。在本階段，測試人員可以詳細觀察到芯片內(nèi)部的全部邏輯信號，通過周期級精確仿真驗證邏輯設計的正確性。仿真系統(tǒng)如圖2所示。

在功能仿真階段，測試人員需編寫CPU行為模型，SRAM行為模型，Transiver，Buffer和MVB總線行為模型，在仿真系統(tǒng)中與設計模塊構(gòu)成一個通信單元，在testbench頂層形成一個master兩個slave的總線結(jié)構(gòu)。由master發(fā)起通信并觀察仿真時序。仿真時序如圖3所示。

圖2 MVB功能仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2MVB functional simulation Architecture

圖3 MVB功能仿真時序Fig.3Time sequence of MVB functional simulation

功能仿真僅從邏輯層面驗證時序正確性，對于實際芯片來講，內(nèi)部組合邏輯產(chǎn)生的延時，時鐘偏移，溫度變化都會對芯片的時序產(chǎn)生影響，嚴重時會造成數(shù)據(jù)setup/hold時間無法保證，導致整個芯片時序錯誤。因此需對網(wǎng)表文件進行綜合后仿真。

4.3 后功能仿真

功能仿真的后仿真是在前端RTL仿真通過的情況下，通過綜合產(chǎn)生邏輯網(wǎng)表，并提取延時參數(shù)加入仿真環(huán)境進行模擬實際延時情況的仿真。此階段仿真更接近實際情況，結(jié)果準確，但存在仿真時間長，邏輯層次不清晰，難以調(diào)試的問題。因此需盡量將邏輯錯誤在前仿階段解決。

4.4 功能測試

功能測試是流片封裝完成后以實際芯片為目標進行的功能測試。功能測試包含前仿階段覆蓋的邏輯功能測試，系統(tǒng)測試和協(xié)議一致性測試。

邏輯功能測試部分，采用PC機+測試板卡的模式，通過MVB總線進行組網(wǎng)，測試結(jié)構(gòu)如圖4所示。

編寫上位機軟件，測試內(nèi)容覆蓋芯片定義階段的邏輯功能，驗證芯片邏輯功能實現(xiàn)。為保證芯片與既有產(chǎn)品實現(xiàn)完全兼容，待測板卡中采用自主化MVB芯片與MVBC01芯片混合測試，驗證芯片兼容性。

圖4 芯片功能測試結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of chip function testing

系統(tǒng)測試部分，通過對既有平臺ATP，BTM，GSSAP中MVBC01芯片的替換，實現(xiàn)平臺的正常工作。

協(xié)議一致性驗證，為證明本芯片在實現(xiàn)上完全滿足IEC61375標準協(xié)議，根據(jù)IEC61375-3-2制定協(xié)議一致性測試方案，并通過TUV的協(xié)議一致性認證。通過示波器監(jiān)測，MVB總線數(shù)據(jù)收發(fā)符合標準協(xié)議，如圖5所示。

圖5 MVB總線差分信號Fig.5Differential signals of MNB bus

4.5 性能測試

性能測試主要考察芯片流片封裝階段的質(zhì)量是否滿足要求，分為電氣性能測試和環(huán)境測試。電氣性能測試包含ESD測試，latch-up電流測試，EMI和EMC測試。ESD考察芯片管腳耐靜電程度。latch-up考察流片工藝，隨著工藝水平的提高，CMOS管中兩個極之間變薄，導致電源和地之間容易產(chǎn)生漏電流。EMI和EMC考察芯片在使用過程中對外產(chǎn)生的電磁干擾和抗外界干擾度。環(huán)境測試主要考察芯片封裝情況，進行芯片高低溫測試，濕度測試，機械振動測試等。

5 MVB芯片測試結(jié)果

基于以上測試，整個MVB設計開發(fā)周期的各個階段實現(xiàn)了完全的測試覆蓋。在邏輯功能層面，滿足芯片需求定義情況。在兼容性方面，能夠在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)對現(xiàn)有產(chǎn)品的直接替換。在協(xié)議一致性方面，通過TUV南德的協(xié)議一致性認證。在性能方面，測試結(jié)果如表2所示。

表2 MVB芯片性能測試結(jié)果Tab.2 Performance test results of MVB chip

6 總結(jié)

本文介紹了集成電路測試的主要流程和基本內(nèi)容，并結(jié)合此流程對多功能車輛總線的開發(fā)進行全周期的測試和驗證。通過該測試流程，可以證明本芯片滿足芯片設計需求，具備對既有產(chǎn)品的直接替換能力，并且符合IEC61375協(xié)議對多功能車輛總線的規(guī)定。