SoC電路的自動測試方法研究

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)模混合信號的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)行可靠的測試。在測試程序開發(fā)過程中，如何設(shè)置測試狀態(tài)、施加激勵，是提高測試速度、保證測試效果必須要解決的問題[1-2]。

故此，提出一種基于自動測試系統(tǒng)的SoC 電路測試方法?；趯ψ詣訙y試程序開發(fā)流程的介紹，設(shè)計其啟動程序和自動測試程序，給出基于自動測試系統(tǒng)的自動測試方案，以實現(xiàn)對功能和性能的全面評價。

2 測試程序開發(fā)流程

2.1 MTP與ATP開發(fā)流程

集成電路自動測試程序的開發(fā)通?？蓺w納為主動測試流程（Master Test Plan, MTP）和應(yīng)用測試流程（Applicatinon Test Plan, ATP）兩類[3－4]。使用MTP方法時，被測器件工作在測試模式，通過執(zhí)行相對應(yīng)的測試向量，評估被測器件的功能和性能。使用MTP 方法，可以對某個外設(shè)單元的功能和某類性能獨(dú)立測試，所測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 測試方法主要針對自主研發(fā)的電路，測試向量相對簡化，具有較高的測試效率。但是這種測試方法需要設(shè)計模型的支撐，對于已產(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)品的測試程序開發(fā)。

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

2.2 SoC測試程序開發(fā)流程

作為整個系統(tǒng)的控制中心和運(yùn)算中心，SoC 通過運(yùn)行用戶設(shè)計的代碼實現(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試。自動測試系統(tǒng)檢測SoC 的這種工作狀態(tài)，施加激勵信號，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 電路的自動測試程序的開發(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 電路測試時最先進(jìn)行的一步，這些代碼的總和可以稱為啟動程序。SoC 執(zhí)行啟動程序后，需要告知自動測試系統(tǒng)被測器件已經(jīng)準(zhǔn)備好，自動測試系統(tǒng)即可施加激勵檢測被測器件的輸出結(jié)果，自動測試系統(tǒng)所執(zhí)行的測試流程稱為自動測試程序。

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

圖1 SoC 電路測試流程圖

3 自動測試程序設(shè)計

3.1 啟動程序設(shè)計

為保證對C8051F500-IQ 進(jìn)行可靠的全面測試，在設(shè)計啟動程序時，要對所有片上資源進(jìn)行配置并進(jìn)行測試，當(dāng)一種資源的測試完成后加入一個復(fù)位操作，保證下一個資源的測試能夠正常進(jìn)行。C8051F500-IQ 內(nèi)部集成內(nèi)核（存儲器、指令集、中斷、電源監(jiān)控電路等）、內(nèi)部振蕩器、時鐘乘法器、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、外部存儲器接口、定時器、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，啟動程序的設(shè)計需要考慮所列模塊的功能模式及對應(yīng)電參數(shù)的需要，盡量在進(jìn)入某種功能的測試模式后便能完成電參數(shù)的測試，提高測試效率[5]。

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

圖3 啟動程序流程

3.2 測試程序設(shè)計

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

C8051F500-IQ 電路執(zhí)行啟動程序后，已經(jīng)進(jìn)入了一種可測試的模式，如果告知自動測試系統(tǒng)被測電路現(xiàn)在正處于何種測試模式，自動測試系統(tǒng)就可以施加相應(yīng)激勵，測量執(zhí)行結(jié)果[6]。因此，在自動測試程序設(shè)計過程中，被測電路與自動測試系統(tǒng)如何進(jìn)行握手，怎樣判斷被測電路工作在何種方式，施加何種激勵進(jìn)行測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)，通過向自動測試系統(tǒng)輸出命令字，自動測試系統(tǒng)收到命令字后即可判斷被測電路當(dāng)前工作在何種模式，隨后執(zhí)行自動測試程序中相應(yīng)的測試項，即可完成施加激勵和測試工作。自動測試程序的設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 測試程序流程

4 自動測試的實現(xiàn)

4.1 測試配置

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，所以需要選擇一臺具備模擬和數(shù)字測量單元且具有高速度和高精度特點(diǎn)的自動測試系統(tǒng)[7－8]。UltraFLEX 是一款面向高速高精度混合信號測試領(lǐng)域的大規(guī)模集成電路自動測試系統(tǒng)，1MHz 的總諧波失真為-78dB，對頻率的測量范圍可達(dá)800MHz，滿足C8051F500-IQ 的測試需求，因此在該自動測試系統(tǒng)上進(jìn)行自動測試程序開發(fā)，自動測試程序分為功能測試和參數(shù)測試兩部分。

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

4.2 測試結(jié)果

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

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

5 結(jié)束語

根據(jù)SoC 產(chǎn)品和自動測試設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計了啟動程序和測試程序，在UltraFLEX 自動測試系統(tǒng)上完成C8051F500-IQ 的全參數(shù)自動測試。試驗結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)了C8051F500-IQ 產(chǎn)品的全參數(shù)自動測試并有效剔除不合格產(chǎn)品，對于同類SoC產(chǎn)品的自動測試程序開發(fā)有借鑒意義。