93C56B耐久性試驗方法研究

蘇 琳，郎 猛

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引 言

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(wù)，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(shè)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。

2 擦寫原理

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(shè)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。

3 93C56B邏輯結(jié)構(gòu)

3.1 管腳定義

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(shè)計中應用ORG接低）；

NC：懸空。

3.2 命令字

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(wù)，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(shè)計。硬件上采用按鍵方式設(shè)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。

4 硬件設(shè)計

首先進行擦寫次數(shù)的設(shè)定。S0、S1、S2、S3使用4位撥碼開關(guān)用來設(shè)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。可滿足不經(jīng)常變化的試驗設(shè)置要求，免除非必要的反復操作。

然后進行功能按鍵設(shè)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(shè)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(shè)計器件選擇開關(guān)。增加一個鍵S4，可循環(huán)選擇其它同類型芯片，選擇開關(guān)連接到89C51的P3.4引腳，開機默認選擇93C56B。

按上述步驟完成設(shè)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

5 軟件設(shè)計

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(shè)計過程中涉及的關(guān)鍵構(gòu)成、功能和實現(xiàn)方法，后面論述中將直接引用程序標號。

5.1 擦除、寫入與校驗子程序

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(wù)，也完成查空操作，以檢驗和確定設(shè)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(shù)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。

5.2 中斷處理子程序

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(guān)等輸入。

撥碼開關(guān)被用來設(shè)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(shè)計上，包括器件選擇開關(guān)，依然允許其隨意變化，并實時更新。

單鍵和一些開關(guān)，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(shè)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。

5.3 顯示界面

軟件運行情況的信息，諸如擦寫設(shè)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(guān)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(guān)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(shè)定值或出錯停止，該設(shè)定值隨S3～S0的變化而變，運行時鎖死，高兩位可設(shè)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”。

6 結(jié)束語

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(chǔ)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(shè)計預期。