利用FPGA芯片進行邏輯芯片功能測試系統的設計與驗證

在最原始的測試過程中，對集成電路（Integrated Circuit,IC）的測試是依靠有經驗的測試人員使用信號發生器、萬用表和示波器等儀器來進行測試的。這種測試方法測試效率低，無法實現大規模大批量的測試。隨著集成電路的集成度和引腳數的不斷增加，工業生產上必須要使用新的適合大規模電路測試的測試方法。在這種情況下，集成電路的自動測試儀開始不斷發展。

現在國內的同類型產品中，一部分采用了單片機實現，這部分儀器分析速度慢，難以用于大規模的測試系統之中，并且在管腳的擴展性上受到嚴重的限制。另一部分使用了DSP芯片，雖然功能上較為完善，但造價不菲，實用性能有限。本文的設計是基于FPGA實現邏輯芯片的功能故障測試。由于FPGA芯片價格的不斷下降和低端芯片的不斷出現，使用FPGA作為主控芯片可以更適合于市場，且有利于對性能進行擴展。實驗表明，該系統設計合理，能對被測芯片進行準確的功能測試。

1.邏輯芯片功能測試的基本理論簡介

功能測試也稱為合格-不合格測試，它決定了生產出來的元件是否能正常工作。一個典型的測試過程如下：將預先定義的測試模板加載到測試設備中，它給被測元件提供激勵和收集相應的響應；需要一個探針板或測試板將測試設備的輸入、輸出與管芯或封裝后芯片的相應管腳連接起來。測試模板指的是施加的波形、電壓電平、時鐘頻率和預期響應在測試程序中的定義。

元件裝入測試設備，測試設備執行測試程序，將輸入模板序列應用于被測元件，比較得到的和預期的響應。如果觀察到不同，則表示元件出錯，即該元件功能測試不合格。

2.測試系統設計

該測試系統由下位機硬件電路和上位機測試軟件兩大部分構成。系統采用功能模塊化設計，控制靈活，操作簡單，而且采用ROM存儲測試向量表庫，方便以后的芯片型號添加和擴展，有很好的實際應用性。

2.1 硬件設計

系統硬件主要由FPGA控制器模塊、串口通信模塊、電平比較模塊和測試平臺模塊構成，其結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

控制器模塊選用Altera的FPGA芯片EP3C16Q240C8N,配置芯片選用EPCS4.控制器由使用VerilogHDL硬件語言實現了包括串口接收模塊、數據轉換與測試保護模塊和串口發送模塊三個部分的功能設計。串口接收模塊完成與串口芯片MAX3232進行通信，接收由上位機發送來的測試指令；數據轉換與測試保護模塊產生實現一個類似于D觸發器的保護器，對測試端的被測芯片輸出腳進行雙保護，保證其在測試后的回測值不受初值影響；串口發送模塊將測試后得到的數據組合為一個回測寄存器，并按照串口通信協議將回測數據發送回上位機。

串口通信模塊選用MAX3232芯片，現串口的全雙工數據傳輸。

E818電平比較電路為邏輯功能測試的核心硬件部分。E818是SEMTECH公司專門針對ATE邏輯功能測試而開發的窗口比較器芯片，它解決了被測對象DUT芯片的雙向輸入數據電平要求。

2.2 軟件設計

系統軟件上位機軟件是使用VC++6.0來編寫的。上位機調用Access中的測試數據，經串口發送出后，系統硬件就會運行測試程序。測試結束后硬件系統會將測試得到的返回數據發送回上位機軟件。這時，上位機軟件接收到返回數據后需要對返回數據與標準無故障值進行對比，以確定此次測試是否正確通過。所以上位機軟件的功能分為：數據庫的調用，測試矢量的接收和發送和回測信號的對比三大部分。系統軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統軟件流程圖

3.系統測試驗證

3.1 常規測試

以芯片74LS08為例，測試流程如下：

（1）使用Microsoft Office Access2003軟件建立測試數據庫，并在數據庫中建立幾款不同被測芯片的測試數據。

（2）在芯片型號檢索對話框中輸入“74LS08”型號后，點擊“確定”按鈕即可完成芯片檢索的流程。

（3）自動測試模式下，系統將調用數據庫中被測芯片的完整測試數據，并且完成整個測試集的循環測試。

（4）打開系統的串口后，用戶需要將被測芯片放入測試插槽中，然后鎖死插槽以確定被測芯片的引腳與插槽接觸良好。這時只需要點擊“開始測試”,系統就會自動進行循環測試。在系統插槽中放入74LS08芯片后的測試結果顯示“該芯片功能測試全部通過”,其顯示如圖3所示。

圖3 常規測試結果

3.2 故障測試

本文以74LS00芯片模擬74LS08芯片的故障片來進行一次故障測試，以驗證測試系統對故障的識別。由74LS00芯片和74LS08芯片兩款芯片的引腳數與引腳分布方式是一樣的。但是在功能上，74LS00芯片為雙輸入四與非門，而74LS08芯片為雙輸入四與門。這就意味著，當兩者的輸入值相同時，芯片功能正確情況下的輸出值應該正好相反。這樣的輸入輸出關系可以用來模擬74LS08芯片的全故障情況。這時，用戶需要把74LS00芯片鎖入測試插槽，點擊“開始測試”后的界面如圖4所示。

圖4 故障測試結果

此時，如果被測芯片依然為74LS00芯片，而從上位機的數據庫中重新調入74LS00芯片的測試信息進行測試，其測試結果則顯示為“該芯片功能測試全部通過”.其顯示界面如圖3所示。由此可以驗證，測試系統對芯片功能故障的判斷十分準確，并且測試系統可以準確的識別存在故障的測試矢量位置，以便于用戶進行進一步的分析。

4.結論

本文用FPGA進行了一個芯片功能測試系統，并對其功能進行了驗證，實驗結果表明該系統測試方法簡單，測試過程迅速，測試結果準確。該系統為芯片功能測試提供了一個很好的解決方案，具有重要的應用價值。