蘇 琳,郎 猛
(中國電子科技集團公司第四十七研究所,沈陽 110000)
為了找到存儲器件失效的臨界點,需要進行成千次甚至上萬次重復試驗,通常的編程器不能以無人值守的方式自動完成任務,為此,研制一個專用實驗平臺顯得十分必要。從可靠性、耐久性層面上考慮,93C56B這類EEPROM器件的多次重復性擦寫是一個重要試驗環(huán)節(jié),即用頻繁的電荷沖擊辦法,來檢驗存儲單元的壽命,并以定量的方式來標定這一參數(shù)指標。結(jié)合實際應用環(huán)境和產(chǎn)品特性,為盡量減小工藝線上操作工人的工作強度、減少不必要的參數(shù)輸入和顯示輸出,此處設計一款針對93C56B及類似型號的擦寫器,以簡便、易懂和易操作為基本特征,做到即插即用,實現(xiàn)多次重復性擦寫試驗,形成一種對同類器件的可靠性的測試手段。
耐久性是EEPROM等存儲器件的一個重要指標。從可靠性維度上看,至少存在兩個軸向,一個是數(shù)據(jù)的長期保持性,另一個是器件重復擦寫的耐受性[1-4]。擦寫過程采用互為反碼的兩種模式輪番寫入,可實現(xiàn)最高頻次的存儲位翻轉(zhuǎn),并力求快速使其疲勞,達到檢驗其在電荷反復沖擊下的承受能力;設計實施中,把55H和AAH作為固定使用模式,這組數(shù)據(jù)具有“0”和“1”間隔分布的特點,可容易發(fā)現(xiàn)因工藝缺陷造成的短路現(xiàn)象,比相鄰同態(tài)的其他數(shù)據(jù)模式更有優(yōu)勢。
93C56B以串口命令字的方式完成對存儲體的擦、讀和寫,在此層面之上,則是依據(jù)工作流程,完成擦除-寫入-校驗的每個循環(huán)操作,直至結(jié)束[5-7]。這個過程并非單鍵擦除、單鍵寫入和單鍵校驗的簡單直接代入,而是擦除之后直接寫入,省掉了查空操作,即省去對FFH數(shù)據(jù)模式的校驗。相對于整片擦除和寫入,校驗是一個“讀-比較”的過程,且針對每一存儲單元操作,時間復雜度最高。這樣在上萬次循環(huán)擦寫中,將節(jié)省大量時間。一旦有校驗錯誤發(fā)生,則可通過單鍵功能檢查和定位,以區(qū)分是擦或是寫的問題。
93C56B是一款通用型的8引腳器件,如圖1所示。它與微控器89C51的串行通訊僅需4腳連接。各管腳的具體功能與連接方法如下:
圖1 93C56B管腳圖
CS:片選,連接至P2.0;
SK:串行時鐘,連接至89C51的P0.0;
DO:串行數(shù)據(jù)輸出,連接至89C51的P0.1;
DI:串行數(shù)據(jù)輸入,連接至89C51的P0.2;
VCC:電源+5 V;
VSS:電源地;
ORG:接高為16位數(shù)據(jù)格式,接低為8位數(shù)據(jù)格式(本設計中應用ORG接低);
NC:懸空。
93C56B的所有命令格式可歸納為表1。當寫禁止(WDS)之后,必須執(zhí)行寫使能(WEN)命令才可開啟編程操作,一般做法是在程序開頭先無條件執(zhí)行一次寫使能命令。為了快速完成擦寫任務,在實施中,擦除操作只用到整片擦(ERAL)命令,而非地址擦(ERA)命令;寫入操作只用到整片寫(WRALL)命令而非地址寫(WRIT)命令;校驗操作用到的則是讀(READ)命令。命令字包括命令編碼、地址和(或)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)從DI端輸入,輸出數(shù)據(jù)從DO獲得,每位對應一拍時鐘,應和命令字長度相匹配。
表1 93C56B命令字
擦寫器基于89C51進行設計。硬件上采用按鍵方式設置功能模式,通過串口與上位機進行通訊。上位機顯示界面使用VB編寫。
首先進行擦寫次數(shù)的設定。S0、S1、S2、S3使用4位撥碼開關用來設置,并以16進制編碼規(guī)則決定要擦寫的次數(shù),單位為千次,連接89C51的P1.0~P1.3??蛇x擇1至15千次的任一種,且具有存儲保持特性??蓾M足不經(jīng)常變化的試驗設置要求,免除非必要的反復操作。
然后進行功能按鍵設置。K0、K1、K2、K3配置4個單鍵,連接89C51的P1.4~P1.7。不支持復合鍵,出現(xiàn)兩位以上有效視為非法鍵值。
K0為運行鍵,鍵值1110B,按設定次數(shù)進行擦-寫-校驗輪次操作;K1為校驗鍵,鍵值為1101B,具有三種通過模式,即55H、AAH、FFH,在任何一種模式中,有異于確定模式的數(shù)據(jù)出現(xiàn),則視為錯誤,只有全域皆為一種模式數(shù)據(jù),才視為正確;K2為寫入鍵,鍵值為1011B,完成全地址的先擦除后寫入操作,偶數(shù)次寫入55H,奇數(shù)次寫入AAH,可理解為通常意義上的單步操作;K3定義為擦除鍵,鍵值為0111B,先完成全地址空間的擦除操作,再進行校驗操作。
最后設計器件選擇開關。增加一個鍵S4,可循環(huán)選擇其它同類型芯片,選擇開關連接到89C51的P3.4引腳,開機默認選擇93C56B。
按上述步驟完成設計,最終實現(xiàn)擦寫器的硬件電路系統(tǒng),實物圖如圖2所示。
圖2 擦寫器硬件電路圖
由底層子程序完成對器件的最基本操作,可供參考的資料繁多,為簡明起見,在此只闡述軟件設計過程中涉及的關鍵構成、功能和實現(xiàn)方法,后面論述中將直接引用程序標號。
在進行單鍵試擦操作時,先執(zhí)行整片擦除子程序EALL,再執(zhí)行校驗子程序VFF,既完成擦除任務,也完成查空操作,以檢驗和確定設備對器件的擦除效果及質(zhì)量。這一做法與單鍵寫及單鍵校驗一樣,都是技術負責人進行工藝檢查的手段。
在輪次擦寫過程中,為了提高效率和加快試驗進程,擦除操作不同于單鍵擦除,而是省去了查空測試[8]。
在單鍵方式下,寫入之前要執(zhí)行單純的擦除操作。這一步是必要的,而無須查空操作。一般情況下,單純擦除操作即可實現(xiàn)百分之百擦除效果。
輪次擦寫時,為了達到最高效率,將不采取按地址寫(WRIT)的方式,而是采用整片寫(WALL)的做法,偶數(shù)次寫模式55H,奇數(shù)次寫AAH,兩種模式交替進行。
用READ命令格式讀出每一地址的數(shù)據(jù),與通常的編程器不同,校驗只對有限的數(shù)據(jù)模式進行“讀-比較”。針對三種數(shù)據(jù)模式,校驗子程序可有三種存在形式,即:V55、VAA和VFF。
在單鍵操作時,有可能不清楚存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)形式,因此,以第一個存儲單元的模式數(shù)據(jù)作為比較的起始標準,如不是模式數(shù)據(jù),校驗立即終止。
在輪次擦寫操作時,將按前次寫入的模式數(shù)據(jù)進行校驗操作,模式數(shù)據(jù)為55H或AAH。
采用10 ms時鐘中斷處理按鍵輸入。中斷處理子程序?qū)凑罩芷诓樵儾⒆x取鍵值,包括撥碼開關等輸入。
撥碼開關被用來設定擦寫次數(shù)。在耐久試驗中,一個品種或一個批次,擦寫次數(shù)一旦確定下來,就不會經(jīng)常發(fā)生改變。在擦寫器設計上,包括器件選擇開關,依然允許其隨意變化,并實時更新。
單鍵和一些開關,都是機械觸點,在實際使用中會出現(xiàn)電氣信號抖動,易產(chǎn)生誤動作,需要進行避抖處理。一般經(jīng)驗是捕捉到按鍵之后,延遲50 ms再拾取,是公認比較穩(wěn)妥的做法。
實施中采用中斷濾波的方法,也收到很好的效果。在過程中會自然形成一個移動的窗口,涵蓋若干個采樣周期,僅當窗口中每個采樣結(jié)果一致時,按鍵才起作用,有效避開抖動區(qū)。原理描述如下:
設KEY(n)為當前次鍵值采樣按位取反的結(jié)果,邏輯“1”有效,式如:
其中,n為大于0的自然數(shù)。
每次中斷都進行采樣并按式(1)傳遞數(shù)據(jù),使窗口前移。每次按式(2)進行按位與運算,KEY不為零,則識別為存在有效鍵按下,做出標記并退出中斷。
主程序根據(jù)標記狀態(tài)有效,去分析處理KEY的每一位鍵值,同時清除標記狀態(tài)。KEY的值為“1”的位為對應的鍵有效,多位為“1”意味同時有多鍵按下,根據(jù)具體應用,可選擇復合鍵或某一單鍵有效。
在實際使用中,n值取7,意味著捕捉時間窗口為70 ms。經(jīng)實際操作,證明按鍵響應靈敏,無卡鈍、蹦數(shù)情況。
軟件運行情況的信息,諸如擦寫設定次數(shù)、當前次數(shù)和狀態(tài)指示等,顯示在液晶顯示器的相關界面上。顯示器以串口驅(qū)動為特征,連接至P3.0(RX)和P3.1(TX)端。顯示界面包含內(nèi)容如圖3。
圖3 顯示界面
其中,“器件”項顯示的是開關S4的狀態(tài),它決定著56B和66B的選擇;
“次數(shù)”項中的數(shù)字,分子項為當前次數(shù),初值為0,運行一個擦-寫-校驗輪次進行加1操作,直至等于分母項的設定值或出錯停止,該設定值隨S3~S0的變化而變,運行時鎖死,高兩位可設置,低3位固定為0;
“模式”項隨著奇偶輪次55H和AAH交替發(fā)生變化,當單鍵擦除結(jié)果正確時,模式項由“-”改為“FF”,同時,“狀態(tài)”項由“-”改為“OK"。反之,狀態(tài)欄變?yōu)椤癊RR”,模式欄不變;單鍵校驗通過時,模式欄將顯示三種通過模式當中的一種,狀態(tài)欄顯示“OK”,反之,模式欄維持“-”,狀態(tài)欄顯示“ERR”。
研究為93C56B的耐久性試驗提供了支持,本著簡單、快捷和高效的目的,滿足了實際生產(chǎn)需要。在總結(jié)以往使用經(jīng)驗和現(xiàn)有工藝特點的基礎上,通過反復討論研究,功能配置得以改進,操作方式也得到了簡化。經(jīng)過實際驗證,表明該款裝置易于理解,便于操作,交互界面相對友好,達到了設計預期。