基于VIIS-EM平台的虚拟数字集成电路测试仪的设计

摘  要： 基于模块化虚拟仪器的设计思想，设计出一种以VIIS-EM平台为核心，以LabVIEW为工具进行图形化编程的虚拟数字集成电路测试仪，并论述了其实现方案。重点分析了硬件电路的搭建思路和软件的控制流程，最后给出虚拟数字集成电路测试仪的测试结果。
关键词： 虚拟仪器; VIIS-EM; LabVIEW; 数字集成电路

    集成电路测试是对集成电路或模块进行检测，通过测量集成电路输出响应与预期输出进行比较，以确定或评估集成电路元器件功能和性能的过程，是验证设计、监控生产、保证质量、分析失效以及指导应用的重要手段[1]。数字集成电路DIC(Digital Integrated Circuit)测试是集成电路测试的一个主要分支，是一种保障数字集成化芯片内部电路质量和逻辑功能完整性的测试，主要应用于双极型数字集成芯片（TTL系列）和场效应型数字集成芯片（MOS系列）的检测。目前世界上高档集成电路测试系统大都是日本和美国生产的，如美国Credanceo公司推出的Vanguard系列和SAPPHIRE系列,日本Advantest公司研制的T600系列等。我国在半导体行业起步晚于发达国家，芯片测试行业也是如此，国内的大部分高端测试市场被国外的测试企业占据。购买国外的测试设备一般都价格昂贵，随着数字集成芯片的使用日益频繁，急需一种应用在中小型规模的数字集成电路检测设备来保障其性能[2]，本文设计的虚拟数字集成电路测试仪就是从通用、快捷、准确、廉价等几个基本优势点出发，将其集成在吉林大学自主研发的VIIS-EM平台上。VIIS-EM平台的全称为虚拟电子测量仪器集成系统(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring)，它基于模块化仪器的设计思想，采用“一个控制器+多个功能模块”的构建方式，方便了仪器的可重构性，上位机采用LabVIEW软件作为工具进行图形化编程，操作界面友好,自定义功能强大,方便于功能扩展[3]。文中详细阐述了虚拟数字集成电路测试仪的设计理念和实现方案，重点论述了系统的硬件电路设计和软件处理方法。并给出了实测结果，验证了仪器测试的可行性。
1 VIIS-EM平台与DIC测试技术简介
    VIIS-EM平台机箱内置了直流稳压电源和系统总线背板。集成在系统中的功能模块均采用标准的3U(3.94英寸×6.3英寸)尺寸进行设计，各模块均通过96脚的欧式连接器与系统背板相连，系统背板具有9个插槽，从左向右依次为0号槽、1号槽……8号槽。
    在检测DIC芯片时，需要依照一定的测试顺序对芯片进行检测，顺序的合理性会使测试变得清晰，高效。一般的数字集成电路测试顺序为接触性测试、功能测试、直流参数测试及交流参数测试。
   （1）接触性测试，隶属于直流参数测试的范畴，目的是为了验证芯片的各功能引脚是否正确连接。测试原理为在被测器件所有管脚都接到地的情况下，对被测管脚施加电流并测量相应的电压，通过得到的电压值来判断其连接性是否完好。
   （2）功能测试，验证DIC芯片的逻辑完整性。通常有两种方法可供选择，一种是金器件法，一种是存储响应法。金器件即已知无误的芯片。测试时，通过同时检测被测器件和金器件，来对比判断芯片的好坏，这种测试方法具有依赖性，不能独立地进行测试操作，故本设计采用存储响应法的测试原理，将输入激励值和输出期望值都存入外部数据库中，测试时通过将实测值与期望值进行对比来判断芯片的好坏。
   （3）直流参数测试，对DIC芯片的管脚进行电压电流测试，只要芯片通过了这些测试，就可保证其基本性能，对时间要求不是十分严格。测试的项目主要有输出高/低电平(VOH/VOL)测试；输入高/低电流(IIH/IIL)测试；输入漏电流II测试；输出短路电流IOS测试；电源电流测试等；
    （4）交流参数测试，主要检测器件内部的晶体管在转换状态时的时序关系，包括一些时间常数。本设计只针对芯片的功能测试和直流参数测试，没有包括交流参数测试部分，故此处只做简单介绍。
2 系统总体结构设计
    按层次结构分，系统可分为软件应用层、设备驱动层和硬件物理层。应用层使用LabVIEW软件进行编程，用于控制仪器和对采集的数据进行分析、处理及显示，同时LabVIEW中提供了“互联接口”函数可动态地调用仪器驱动程序。仪器驱动程序属于上层驱动，在运行时与底层USB驱动进行交互通信，实现板卡识别、消息传递等功能。硬件物理层使用“微处理器+FPGA”进行数据接收、发送和译码，并在前端搭建调理电路，实现不同逻辑电平的输出、微安级恒流源的输出、数模信号采集等功能。
3 虚拟数字集成电路测试仪硬件电路设计
    根据模块化设计思想，将整个系统的硬件部分分成总线接口通信模块、信号激励模块、数据采集模块三个部分。硬件结构图如图1所示。

    系统通过FPGA中自定义的双口RAM电路实现与总线的接口通信。系统上电时，微处理器负责初始化设备，向双口RAM中写入配置信息，配置信息通过系统总线传输到总线控制器；在仪器运行过程中，若更改上位机控制命令,则模块板卡的微处理器也会通过双口RAM从总线控制器上读取相应的配置信息。
3.2 信号激励模块
    信号激励模块可提供数字逻辑电平输出和直流电压/电流信号输出。数字逻辑电平输出用于驱动被测DIC芯片，测试其逻辑功能，本设计采用74LVC245A芯片转换LVTTL电平为TTL电平，用来驱动被测TTL数字集成芯片，对于CMOS型数字集成芯片，由于其高电平最小输入电压大于TTL电路高电平最大输出电压，故不能直接用TTL电平激励CMOS电路,在设计时采用外接4.7 k 赘上拉电阻将TTL输出电平拉高,来驱动被测CMOS芯片。
     为了对DIC芯片进行接触性检测和直流参数测试，须对被测芯片提供必要的直流电压/电流激励信号。本设计采用BB公司的数模转换器DAC902搭建直流电压输出电路，此芯片的转换位数为12 bit，数据边沿触发锁存，差分电流输出，加负载电阻转换成直流电压信号，外接差分放大电路,将D/A差分输出的±1 V转为单极性输出，同时将电压放大2.5倍，差分放大电路如图2所示。

    测试中所用的直流电流激励信号要求微安级别，DAC902不满足测试要求,设计中采用仪表放大器AD620和OPA602搭建出带跟随反馈的高精度微安级数控恒流源[4]，如图3所示。

3.3 数据采集模块
    数据采集模块分为逻辑电平信号采集部分和直流电压/电流信号采集部分，它们在FPGA中公用一条8位数据总线，通过多路复用器进行模式选择。逻辑电平信号采集利用74LVC245A进行TTL/LVTTL电平转换，输出信号符合FPGA输入电平标准，故直接采用FPGA进行LVTTL电平采样;直流电压/电流信号的采集使用ADI公司的双8 bit高速模数转换器AD9288BST-40，前端调理电路进行电压衰减和驱动放大，使其输出电压在A/D的允许范围内。
    采集到的逻辑电平信号和直流电压/电流信号按每次8 bit数据缓存在FPGA的FIFO中。FIFO缓存电路如图4所示，每个FIFO设置为2.5 KB的存数空间，写速率时钟wclk最高可以达到20 MHz，即采集系统的最高采样频率，FIFO的输出端通过一个三态门实现数据的复用。

4 虚拟数字集成电路测试仪软件设计
    系统上位机部分使用LabVIEW软件进行编程，主要分为前面板和程序框图两部分。前面板即用户界面，定义各种输入控件和显示控件，用来设置仪器参数以控制仪器；程序框图包含各种功能函数，可进行数据的运算处理和通信。以模块来划分，本仪器的软件部分主要分为数据通信模块、数据库调用模块和数据处理模块。
4.1 数据通信
    LabVIEW中集成了功能强大的数据接口通信函数，能实现上位机与硬件模块的连接控制。本系统软件通过CLF(Call Library Function)节点函数调用动态链接库。在发送命令消息时将LabVIEW中的数据类型映射为DLL文件中定义的数据类型，实现命令参数的传递。同样，在数据采集时，通过CLF节点函数将硬件模块采集到的数据映射为LabVIEW数据类型， 以完成进一步的处理与显示。
4.2 数据库调用
    无论哪种汇编语言，都是在底层驱动的基础上，利用ODBC或者DAO、ADO调用API接口来操作数据库的。LabVIEW中集成了数据库连接工具包，封装了ADO(ActiveX Data Objects)的接口，为数据库的调用提供了编程环境。本系统软件即通过UDL建立数据源连接字符串，使用ADO模型调用Microsoft Office中的Access来实现数据库操作的。Access数据库中记录了九类常用数字芯片的逻辑关系，在初始化设定时，系统根据被测试芯片的芯片型号加载相应的数据库。在自动测试过程中，根据数据库表中建立的逻辑关系对芯片进行逐步激励。并采集输出逻辑信息，与数据库中期望值进行比对，若逻辑值符合期望标准则测试通过。
4.3 数据处理
     采集到的数据信息通过CLF节点传递到上位机软件中，根据硬件FIFO存储容量限制，每路通道每次最大能读取320 B数据,16路数据存储在一个具有5 120个元素的一维数组中。在数据显示时，通过“抽取一维数组”函数和“索引数组”函数将一维数组数据拆分为16组布尔量，每组布尔量再转换为“0，1”逻辑序列，由数字波形图显示出来。
5 数据显示及实测结果
    图5中显示的是测试74LS02N芯片功能好坏的测试用例，以图中面板中央位置显示的真值表项为依据，虚拟数字集成电路测试仪顺次给硬件模块发送激励信号，作用于被测芯片，同时读取采样电平与数据库标准逻辑比对，测试通过则显示文本提示并点亮相应的测试灯，右下方进度条代表测试进度。

    图6所示为74LS02N的直流参数的测试结果，通过在芯片的各功能引脚处施加规定的电压电流信号，测量输出的直流参数是否在允许的范围内来判断芯片性能的好坏。测试时将74LS02N的PIN 4引脚开路作为异常情况测试。

    采用VIIS-EM平台下研制的虚拟数字集成电路测试仪，通过反复的实验测试，表明对于常见的74系列和54系列数字集成芯片，系统能够准确快速地验证其逻辑功能的正确性和完整性，对于损坏的芯片能找出其问题引脚。系统的创新点在于应用了当今最前沿的模块化结构设计思想，优化了系统的设计、调试以及维护[5]。采用以计算机为核心的虚拟仪器技术，替代了传统仪器的部分硬件电路，改善了传统仪器笨重复杂等缺点，同时增加了仪器的可操作性和用户的自定义功能，在成本方面，基于虚拟仪器技术来搭建的系统价格也得到了大幅度降低。另外，本虚拟数字集成电路测试仪可扩展性强，可在通用性基础上进行功能提升、扩充，具有丰富的可重构前景。由于系统数据总线的位数限制，本仪器目前能够实现16位数字信号的采集，在未来的总线开发上还有待提高。
参考文献
[1] 高成, 张栋, 王香芬. 最新集成电路测试技术[M].北京：国防工业出版社，2009.
[2] WEST G L. A microcomputer-controlled testing system for  digital integrated circuits[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, 1980,IECI-27(4).
[3] 阮奇桢. 我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009.
[4] 胡波, 李波, 罗贤虎，等. 微安级数控恒流源的设计[J]. 电子技术，2010(4).
[5] 吴忠杰, 林君. 虚拟测试系统中模块化仪器关键技术研究[J]. 仪器仪表学报，2005(22):280-283.