金晶晶

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）是將微處理器、模擬IP 核、數(shù)字IO 和存儲(chǔ)器集成在同一塊芯片上形成的一種面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。Silicon Laboratories 公司出品的C8051F500-IQ 即是一款集成數(shù)?；旌闲盘?hào)的SoC 電路，具有與MCS-51 完全兼容的高速流水線結(jié)構(gòu)的內(nèi)核（可達(dá)50MIPS），提供在系統(tǒng)全速調(diào)試接口，內(nèi)嵌穩(wěn)壓器、片上復(fù)位、電源監(jiān)控、時(shí)鐘振蕩器、數(shù)字外設(shè)（Timer，UART，CAN 等）和模擬外設(shè)（基準(zhǔn)源，比較器，ADC）。作為一款典型的SoC 電路，C8051F500-IQ 可以滿足系統(tǒng)控制、邏輯運(yùn)算、信號(hào)處理的單片集成處理的需求，在工業(yè)控制、便攜式儀器、汽車電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與通用集成電路相比，C8051F500-IQ 所包含的外設(shè)和電參數(shù)在種類和數(shù)量上都很多，為保證其工作的可靠性，必須進(jìn)行可靠的測(cè)試。在測(cè)試程序開發(fā)過程中，如何設(shè)置測(cè)試狀態(tài)、施加激勵(lì)，是提高測(cè)試速度、保證測(cè)試效果必須要解決的問題[1-2]。

故此，提出一種基于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的SoC 電路測(cè)試方法。基于對(duì)自動(dòng)測(cè)試程序開發(fā)流程的介紹，設(shè)計(jì)其啟動(dòng)程序和自動(dòng)測(cè)試程序，給出基于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功能和性能的全面評(píng)價(jià)。

2 測(cè)試程序開發(fā)流程

2.1 MTP與ATP開發(fā)流程

集成電路自動(dòng)測(cè)試程序的開發(fā)通?？蓺w納為主動(dòng)測(cè)試流程（Master Test Plan, MTP）和應(yīng)用測(cè)試流程（Applicatinon Test Plan, ATP）兩類[3－4]。使用MTP方法時(shí)，被測(cè)器件工作在測(cè)試模式，通過執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的測(cè)試向量，評(píng)估被測(cè)器件的功能和性能。使用MTP 方法，可以對(duì)某個(gè)外設(shè)單元的功能和某類性能獨(dú)立測(cè)試，所測(cè)試的功能和性能與應(yīng)用指標(biāo)可能不一致，但是存在一定聯(lián)系。MTP 測(cè)試方法主要針對(duì)自主研發(fā)的電路，測(cè)試向量相對(duì)簡(jiǎn)化，具有較高的測(cè)試效率。但是這種測(cè)試方法需要設(shè)計(jì)模型的支撐，對(duì)于已產(chǎn)品化的電路，缺乏這種支撐，因此，一般不應(yīng)用MTP 方法進(jìn)行已成型產(chǎn)品的測(cè)試程序開發(fā)。

使用ATP 方法進(jìn)行測(cè)試程序開發(fā)時(shí)，需要根據(jù)被測(cè)器件的功能和性能編寫測(cè)試向量。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行該測(cè)試向量，使被測(cè)器件工作在待測(cè)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)施加要求的激勵(lì)，并監(jiān)測(cè)被測(cè)電路的工作狀態(tài)。應(yīng)用ATP 方法開發(fā)測(cè)試程序時(shí)，需要單獨(dú)對(duì)每個(gè)參數(shù)和每個(gè)模塊的工作狀態(tài)編寫測(cè)試向量并設(shè)置獨(dú)立的測(cè)試項(xiàng)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基于這些測(cè)試向量完成功能和性能測(cè)試。測(cè)試向量及測(cè)試項(xiàng)的數(shù)量很多，測(cè)試效率較低。但對(duì)于已產(chǎn)品化的電路，必須基于ATP 的方法進(jìn)行測(cè)試程序開發(fā)。對(duì)于成品電路通常使用該方法。

2.2 SoC測(cè)試程序開發(fā)流程

作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心和運(yùn)算中心，SoC 通過運(yùn)行用戶設(shè)計(jì)的代碼實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以編寫指令代碼，使SoC 工作在特定模式，用于功能和性能的測(cè)試。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)SoC 的這種工作狀態(tài)，施加激勵(lì)信號(hào)，采樣輸出結(jié)果，如果輸出結(jié)果符合設(shè)定要求，則器件工作正常，否則判定器件出現(xiàn)故障，需要分析原因進(jìn)行剔除?；赟oC 電路可以運(yùn)行程序工作在指定狀態(tài)的特點(diǎn)，可以采用ATP 方法進(jìn)行SoC 電路的自動(dòng)測(cè)試程序的開發(fā)。

執(zhí)行相應(yīng)代碼，使SoC 電路工作在指定狀態(tài)，是進(jìn)行SoC 電路測(cè)試時(shí)最先進(jìn)行的一步，這些代碼的總和可以稱為啟動(dòng)程序。SoC 執(zhí)行啟動(dòng)程序后，需要告知自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)器件已經(jīng)準(zhǔn)備好，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)即可施加激勵(lì)檢測(cè)被測(cè)器件的輸出結(jié)果，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所執(zhí)行的測(cè)試流程稱為自動(dòng)測(cè)試程序。

啟動(dòng)程序和自動(dòng)測(cè)試程序之間需要握手信號(hào)保證同步性。在完成一項(xiàng)功能或參數(shù)的測(cè)試后，啟動(dòng)程序需要一個(gè)復(fù)位和選擇的過程，用于保證被測(cè)電路可以可靠地進(jìn)行下一個(gè)功能和參數(shù)的測(cè)試。綜上所述，SoC 的自動(dòng)測(cè)試流程如圖1 所示。

圖1 SoC 電路測(cè)試流程圖

3 自動(dòng)測(cè)試程序設(shè)計(jì)

3.1 啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

為保證對(duì)C8051F500-IQ 進(jìn)行可靠的全面測(cè)試，在設(shè)計(jì)啟動(dòng)程序時(shí)，要對(duì)所有片上資源進(jìn)行配置并進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)一種資源的測(cè)試完成后加入一個(gè)復(fù)位操作，保證下一個(gè)資源的測(cè)試能夠正常進(jìn)行。C8051F500-IQ 內(nèi)部集成內(nèi)核（存儲(chǔ)器、指令集、中斷、電源監(jiān)控電路等）、內(nèi)部振蕩器、時(shí)鐘乘法器、模擬外設(shè)（多路選擇器、ADC、溫度傳感器、電壓比較器、電壓調(diào)整器、電壓基準(zhǔn)等）和數(shù)字外設(shè)（數(shù)字端口、外部存儲(chǔ)器接口、定時(shí)器、UART、IIC、SPI、PCA等），其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 C8051F500-IQ 結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)C8051F500-IQ 的結(jié)構(gòu)框圖，啟動(dòng)程序的設(shè)計(jì)需要考慮所列模塊的功能模式及對(duì)應(yīng)電參數(shù)的需要，盡量在進(jìn)入某種功能的測(cè)試模式后便能完成電參數(shù)的測(cè)試，提高測(cè)試效率[5]。

在進(jìn)行啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同步問題，包括時(shí)序同步和測(cè)試功能同步兩部分。時(shí)序同步的作用是通知自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)器件已經(jīng)進(jìn)入到可測(cè)試的模式，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)即可施加激勵(lì)進(jìn)行測(cè)試；功能同步的作用是將當(dāng)前被測(cè)器件的狀態(tài)告知自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以按照自動(dòng)測(cè)試程序的測(cè)試項(xiàng)，對(duì)被測(cè)電路施加激勵(lì)檢測(cè)電路輸出狀態(tài)。啟動(dòng)程序基于Silliconlab IDE 軟件開發(fā)，其流程如圖3 所示。

圖3 啟動(dòng)程序流程

3.2 測(cè)試程序設(shè)計(jì)

集成電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是集成了電源、測(cè)量單元、信號(hào)發(fā)生器、采樣等測(cè)試測(cè)量單元的大型自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，通過程序化控制，能夠在一次測(cè)試過程中完成被測(cè)電路的全部功能和參數(shù)測(cè)試并形成測(cè)試記錄，適用于半導(dǎo)體電路的量產(chǎn)測(cè)試。

C8051F500-IQ 電路執(zhí)行啟動(dòng)程序后，已經(jīng)進(jìn)入了一種可測(cè)試的模式，如果告知自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)電路現(xiàn)在正處于何種測(cè)試模式，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)就可以施加相應(yīng)激勵(lì)，測(cè)量執(zhí)行結(jié)果[6]。因此，在自動(dòng)測(cè)試程序設(shè)計(jì)過程中，被測(cè)電路與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如何進(jìn)行握手，怎樣判斷被測(cè)電路工作在何種方式，施加何種激勵(lì)進(jìn)行測(cè)試是需要解決的主要問題。

根據(jù)C8051F500-IQ 能夠自主運(yùn)行的特點(diǎn)，通過向自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)輸出命令字，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)收到命令字后即可判斷被測(cè)電路當(dāng)前工作在何種模式，隨后執(zhí)行自動(dòng)測(cè)試程序中相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)，即可完成施加激勵(lì)和測(cè)試工作。自動(dòng)測(cè)試程序的設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 測(cè)試程序流程

4 自動(dòng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

4.1 測(cè)試配置

C8051F500-IQ 包含模擬和數(shù)字模塊，其中12位ADC 的1LSB 為0.36mV（基準(zhǔn)源電壓為1.5V），振蕩器的精度要求在100MHz，所以需要選擇一臺(tái)具備模擬和數(shù)字測(cè)量單元且具有高速度和高精度特點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[7－8]。UltraFLEX 是一款面向高速高精度混合信號(hào)測(cè)試領(lǐng)域的大規(guī)模集成電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，1MHz 的總諧波失真為-78dB，對(duì)頻率的測(cè)量范圍可達(dá)800MHz，滿足C8051F500-IQ 的測(cè)試需求，因此在該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試程序開發(fā)，自動(dòng)測(cè)試程序分為功能測(cè)試和參數(shù)測(cè)試兩部分。

被測(cè)電路上電復(fù)位后順序執(zhí)行啟動(dòng)程序和自動(dòng)測(cè)試程序，完成一項(xiàng)功能或電參數(shù)的測(cè)試，并輸出測(cè)試結(jié)果，軟件復(fù)位后再進(jìn)行下一個(gè)功能和電參數(shù)的測(cè)試，直至所有功能和電參數(shù)的測(cè)試完成。在編寫自動(dòng)測(cè)試程序的測(cè)試項(xiàng)時(shí)，有些測(cè)試項(xiàng)，如復(fù)位閾值的測(cè)試，是不能通過直接施加激勵(lì)信號(hào)得到結(jié)果的，需要利用UltraFLEX 的底層編程功能，對(duì)BBAC、DCVI、PPMU 等單元進(jìn)行設(shè)置，完成電壓、電流、比較時(shí)間的掃描測(cè)試。

4.2 測(cè)試結(jié)果

基于UltraFLEX 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)編寫C8051F500-IQ 的自動(dòng)測(cè)試程序。此測(cè)試程序共有1300 個(gè)測(cè)試項(xiàng)，其中功能測(cè)試項(xiàng)8 類，直流參數(shù)測(cè)試項(xiàng)46 類，交流參數(shù)測(cè)試項(xiàng)9 類，在每類測(cè)試項(xiàng)中包含了電源電壓以及端口電壓的拉偏條件。配合高、低溫試驗(yàn)箱，可以對(duì)電路進(jìn)行全溫區(qū)條件下的全部功能和參數(shù)的測(cè)試，測(cè)試時(shí)間約27s。

利用該測(cè)試流程對(duì)30 只C8051F500-IQ 進(jìn)行測(cè)試，篩選出不合格產(chǎn)品2 只。將2 只產(chǎn)品在驗(yàn)證板上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品的失效項(xiàng)以及失效情況與自動(dòng)測(cè)試結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

根據(jù)SoC 產(chǎn)品和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)程序和測(cè)試程序，在UltraFLEX 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上完成C8051F500-IQ 的全參數(shù)自動(dòng)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了C8051F500-IQ 產(chǎn)品的全參數(shù)自動(dòng)測(cè)試并有效剔除不合格產(chǎn)品，對(duì)于同類SoC產(chǎn)品的自動(dòng)測(cè)試程序開發(fā)有借鑒意義。