SCPI在IGBT可靠性測試系統(tǒng)中的應(yīng)用*

崔 猛，曹廣忠

(深圳大學(xué) 機電與控制工程學(xué)院，深圳電磁控制重點實驗室，廣東 深圳518060)

在現(xiàn)代自動測試行業(yè)中，大量采用可程控儀器來搭建測試系統(tǒng)。早期的不同程控儀器采用不同的程控語言導(dǎo)致程控儀器與計算機之間的接口語言非標(biāo)準(zhǔn)化，使得如何控制每一臺儀器成為了第一要務(wù)，一體化測試系統(tǒng)難以短期搭建。因此，建立在IEEE 488.2規(guī)范基礎(chǔ)上的SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)應(yīng)運而生。SCPI確定了計算機與程控儀器之間接口語言標(biāo)準(zhǔn)化，縮短自動測試儀器的開發(fā)時間，并提高了集成系統(tǒng)的效率。目前SCPI應(yīng)用的領(lǐng)域包括數(shù)字萬用表、示波器、可控電源、負(fù)載等，沒有涉及到功率半導(dǎo)體測試行業(yè)。

本文在探討SCPI命令的創(chuàng)建和命令解析器設(shè)計的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到IGBT可靠性測試設(shè)備，針對該設(shè)備設(shè)計符合要求的程控命令以及擴展性好的解析器。該應(yīng)用下，程控命令由主機通過以太網(wǎng)發(fā)送給測試設(shè)備，測試設(shè)備接收并且對其進行解析，轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以識別的目標(biāo)代碼，從而完成主機所要求的操作；在設(shè)備運行過程中，被測器件(DUT)的所有測試參數(shù)也均通過以太網(wǎng)返回給主機，由主機對其分析處理。通過以太網(wǎng)傳輸SCPI命令及測量數(shù)據(jù)不僅有效節(jié)約了硬件資源，也使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性能得以提升。

1 SCPI簡介

SCPI是測量儀器程控命令的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，定義標(biāo)準(zhǔn)化的SCPI命令只與測試儀器的功能及其性能、精度有關(guān)，而與儀器硬件組成、制造廠家、通信物理連接硬件環(huán)境和測試程序編寫環(huán)境等均無關(guān)。它是建立在IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)代碼和格式基礎(chǔ)之上的，基于ASCII碼，依附BASIC、C、C++等編程語言，可以在 LabVIEW、MATLAB、Visual Studio、Keil等環(huán)境下使用。由于具有硬件獨立性，可以通過任何儀器接口發(fā)送，如 RS232、GPIB、VXIbus、LAN口等。同時SCPI編程具有橫向一致性和縱向一致性。不同測試儀器的相同功能具有相同的命令形式，在橫向上使測試儀器兼容；同時使用相同的命令可以控制同一類儀器中的相同功能，使得儀器在縱向上兼容。

2 SCPI語法分析

SCPI命令關(guān)鍵字通常是有意義的英文單詞，也稱助記符，分長短型兩種。短型助記符由長型助記符的前4個字符構(gòu)成，如CONFigure的短型為CONF。當(dāng)助記符長度大于4，并且第 4個字符為元音時，則取前 3個字符表示為短格式，如POWer的短型為POW，而FREE的短型為FREE。

SCPI可以分為兩類，一是 IEEE 488.2公共命令，另一部分是儀器特定命令。公共命令是IEEE 488.2規(guī)定的必須要執(zhí)行的命令，一般不涉及到具體操作，但是有整體控制功能，如復(fù)位、狀態(tài)和同步，其語法格式為：‘*關(guān)鍵字’或‘*關(guān)鍵字?’。問號表示查詢，主要用來獲取儀器的設(shè)置或狀態(tài)。常用的公共命令有 *RST、*IDN?、*CLS等。儀器特定命令是與儀器相關(guān)的，針對不同的儀器，命令不同。該命令包括關(guān)鍵字和可選的一個或多個參數(shù)，格式如下：

＜關(guān)鍵字＞[:＜關(guān)鍵字＞[…]＜空格＞ [＜參數(shù) 1＞[,＜參數(shù) 2＞[…]]]

其中，冒號（:）用于分離關(guān)鍵字，方括號（[]）用于包含可選關(guān)鍵字。關(guān)鍵字之后是參數(shù)，由空格符隔開，不同參數(shù)之間使用逗號（,）進行隔開。儀器命令關(guān)鍵字具有分層結(jié)構(gòu)，其中第一級關(guān)鍵字級別最高，后續(xù)的關(guān)鍵字級別較低；儀器特定執(zhí)行命令通常后帶參數(shù)，參數(shù)類型包括數(shù)值型、布爾型、字符型、字符串等。

SCPI命令實際使用時，習(xí)慣將命令字符串逐個發(fā)送；也可以將多個命令組合成一個命令串發(fā)送。SCPI命令組合使用，其具有模塊化強、使用更便捷等優(yōu)勢，但針對特定儀器，對命令解析器的設(shè)計要求較高。

3 SCPI命令解析器設(shè)計

測試儀器接收SCPI命令，能否準(zhǔn)確地識別并進行下一步動作關(guān)系列測試系統(tǒng)整體性能的好壞，因此SCPI命令解析器的設(shè)計至關(guān)重要。

3.1 SCPI命令的創(chuàng)建

根據(jù)SCPI命令層次結(jié)構(gòu)的特點，可以對命令節(jié)點采用順序結(jié)構(gòu)存儲和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲等。本文針對該半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的命令，采用較容易實現(xiàn)的單鏈表結(jié)構(gòu)來存儲命令節(jié)點，該結(jié)構(gòu)便于命令節(jié)點的存儲和擴展。命令節(jié)點關(guān)鍵字的存儲結(jié)構(gòu)如下：

3.2 SCPI命令的解析

由 SCPI命令樹形結(jié)構(gòu)的特點可知，IEEE 488.2公共命令的深度為1，不需要進行下一個關(guān)鍵字結(jié)點的查找；而儀器特定命令的深度具有不確定性，隨著系統(tǒng)逐漸龐大，深度值也會隨之增大；如果存在下一級關(guān)鍵字結(jié)點，就必須對其進行查找。本文采用單鏈表算法順序查找關(guān)鍵字結(jié)點，從時間上考慮，處理速度相對較慢，不適合大量數(shù)據(jù)的操作；但是由于程控儀器的可程控命令關(guān)鍵字結(jié)點數(shù)有限,并且儀器采用的處理器的速度很快，單鏈表算法完全可以滿足解析器的設(shè)計要求。

對于本文解析器的設(shè)計,首先從整體上確定SCPI命令的解析過程，規(guī)定解析過程中相應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)，然后結(jié)合二維數(shù)組共同實現(xiàn)解析，該數(shù)組中行表示由特殊連接符(冒號、分號等)分解出字符串的不同的首字符，列表示執(zhí)行函數(shù)的標(biāo)號，數(shù)組中存儲的亦為將要執(zhí)行的函數(shù)標(biāo)號。針對公共命令和半導(dǎo)體測試儀器命令，規(guī)定的解析過程執(zhí)行函數(shù)如下：

SCPI命令整體的解析流程如圖1所示。解析器收到SCPI命令字符串后，首先判斷首字符是否為星號、冒號或者字母，如果不是，提示輸入錯誤；如果是，則結(jié)合二維數(shù)組，通過初始狀態(tài)零和首字符判定將要執(zhí)行的函數(shù)(其中首次執(zhí)行的函數(shù)是為命令根節(jié)點提供入口地址)。然后存儲該函數(shù)標(biāo)號，該標(biāo)號同時也作為新的狀態(tài)量提供給下一個關(guān)鍵字查找使用。查找關(guān)鍵字并判斷該關(guān)鍵字節(jié)點是否存在指向下一關(guān)鍵字的指針，如果存在，保存當(dāng)前的節(jié)點信息并繼續(xù)查找余下字符串的首字符；如果不存在，則表明關(guān)鍵字查找結(jié)束，根據(jù)該節(jié)點定義的命令類型來執(zhí)行半導(dǎo)體測試系統(tǒng)相應(yīng)的功能函數(shù)；若該命令為查詢類型，則返回狀態(tài)值；若為功能執(zhí)行類型，則根據(jù)命令有無參數(shù)作進一步處理。

本文解析器在功能上進一步加強，使得組合命令能夠有效地得到解析。當(dāng)?shù)谝粋€關(guān)鍵字功能函數(shù)執(zhí)行完畢后繼續(xù)查找字符，若遇到分號，則表明輸入的SCPI命令為組合命令，應(yīng)存儲當(dāng)前節(jié)點并重復(fù)該命令關(guān)鍵字查找函數(shù)；若遇到結(jié)束符，則解析結(jié)束，退出解析過程。

圖1 SCPI命令解析過程

圖3 HTRB和HTGB測試模式選擇電路

4 IGBT可靠性測試中SCPI的應(yīng)用

IGBT可靠性測試主要是結(jié)合IGBT額定的電參數(shù)值對其進行失效分析，從而完成對它的評估和篩選。測試方法有多種，本文測試系統(tǒng)兼容兩種常用的測試，包括高溫反偏測試(HTRB)和高溫柵偏測試(HTGB)。

4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

如圖2所示，測試系統(tǒng)主要由溫度控制、測試模式選擇、DUT被測參數(shù)采集和通信四部分電路構(gòu)成。溫度控制部分為閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)，DUT置于高溫箱中，根據(jù)測試要求控制高溫箱溫度，通過反饋網(wǎng)絡(luò)來保持DUT結(jié)溫恒定。DUT的測試模式由繼電器進行控制選擇(如圖3所示)，HTRB模式下短接?xùn)艠O-發(fā)射極，繼電器 K1、K4、K5閉合，K2、K3打開,根據(jù)測試需求由直流電壓源向DUT的集電極-發(fā)射極兩端提供最高3 kV的電壓。系統(tǒng)對器件參數(shù) VCES和由分流器 RSHRB產(chǎn)生的ICES進行測試；為了保證系統(tǒng)支持測試3 kV高壓等級的IGBT器件，K1則采用能承受至少3 kV的高壓繼電器來導(dǎo)通大電壓。HTGB模式短接集電極和發(fā)射極，繼電器K2、K3閉合，K1、K4、K5打開，根據(jù)要求向柵極-發(fā)射極兩端施加最高100 V的電壓，K3采用能承受電壓最高100 V的繼電器即可。該模式下系統(tǒng)對器件參數(shù)VGES和RSHGB由分流器產(chǎn)生的IGES進行測試。

由于器件被測參數(shù)值 VCES、VGES很大,為滿足 A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求，將其通過比例縮放電路,縮小到A/D參考電壓的范圍之內(nèi),再對其進行采樣以及合理的校正。所有被測參數(shù)均對應(yīng)著不同的測試通道，由選通器決定哪個通道與A/D轉(zhuǎn)換器輸入端相連。系統(tǒng)通信部分采用以太網(wǎng)總線替代廣泛使用的 RS232、GPIB和 VXI總線，上位機發(fā)送的命令和經(jīng)過A/D采樣得到的數(shù)據(jù)均通過以太網(wǎng)進行傳輸。

4.2 系統(tǒng)解析功能測試

通過對測試系統(tǒng)硬件電路及器件參數(shù)基本測試過程的分析，制定一系列與該系統(tǒng)相關(guān)的程控命令，并使用Keil開發(fā)工具編寫命令解析程序，使命令轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以識別的目標(biāo)代碼。文中根據(jù)SCPI命令的語法要求創(chuàng)建幾條針對該測試系統(tǒng)的基本命令：

(1)顯示測試系統(tǒng)信息

(2)配置測試模式為HTRB或者HTGB

(3)配置為高壓或者低壓測試模式

(4)測量門極電流值

將這些命令進行測試，由主機依次發(fā)送，解析器接收并處理,解析結(jié)果借助串口打印到超級終端上顯示，如圖 4所示，解析順序通過執(zhí)行函數(shù)標(biāo)號顯示。

結(jié)果表明命令解析器設(shè)計成功，測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別主機發(fā)送過來的命令，根據(jù)這一命令及時執(zhí)行相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)，完成主機所要求的操作。解析器中單鏈表算法與數(shù)組的結(jié)合使用不僅使解析順序清晰可見，而且增強解析器的可擴展性。若測試系統(tǒng)接收到的命令為CONF:MODE HTRB,系統(tǒng)繼電器 K1、K4、K5 閉 合 ，K2、K3 打 開 ； 若 命 令 為 MEAS:GATE:VOLT，采樣的柵極電壓值通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C進行實時顯示。測試實驗充分表明將SCPI命令應(yīng)用到IGBT測試系統(tǒng)具有可行性。

隨著自動測試行業(yè)的逐步發(fā)展，可程控測試儀器越來越多，本文開拓半導(dǎo)體測試領(lǐng)域，成功實現(xiàn)了SCPI命令在功率半導(dǎo)體可靠性測試系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得儀器操作更便捷，測試效率更高。應(yīng)用中命令解析器的設(shè)計完全適用于該系統(tǒng)，并且具有很好的可讀性與擴展性；同時該應(yīng)用還成功采用以太網(wǎng)總線進行通信，充分利用以太網(wǎng)的高性能及成本低廉的優(yōu)勢，實現(xiàn)SCPI命令遠程控制測試儀器，也為多臺可程控半導(dǎo)體測試儀器組網(wǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖4 解析過程與中斷調(diào)用測試

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