ATE開放式體系結(jié)構(gòu)的硬件基礎(chǔ)

2004年6月A版

　　開放式體系結(jié)構(gòu)的概念在2002年的夏季已經(jīng)是公開的秘密。鑒于降低測試成本的前景，媒體和ATE用戶對它產(chǎn)生了極大的興趣，也引起ATE供應(yīng)商們極大的關(guān)注。毫無疑問，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的開放式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會給用戶帶來令人信服的好處。但它畢竟是一個(gè)新的概念，有必要作進(jìn)一步的介紹和分析。

　　開放式體系結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是一個(gè)硬件、軟件和接口都公開的結(jié)構(gòu)，有完善的文件說明并一視同仁地提供給有關(guān)各方，實(shí)現(xiàn)重大的創(chuàng)新。顯然，它與標(biāo)準(zhǔn)不同，它應(yīng)盡量利用可為我所用的標(biāo)準(zhǔn)，但如果標(biāo)準(zhǔn)不適合在ATE中使用，也絕不為其所限制。例如，為了方便整合后端功能和設(shè)備自動(dòng)化，采用GEM—SECS標(biāo)準(zhǔn)是十分有意義的；與此同時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)用慢數(shù)據(jù)率IEEE488作為傳輸數(shù)據(jù)的主要機(jī)制則是重大的失誤。

　　開放式體系結(jié)構(gòu)的基本目標(biāo)是提供一個(gè)能保護(hù)和擴(kuò)大ATE投資的結(jié)構(gòu)，這就要求結(jié)構(gòu)框架能不斷地創(chuàng)新和研發(fā)。此外，測試技術(shù)若要跟上半導(dǎo)體基本結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展的步伐，需要多方的參與?？傊?，為了實(shí)現(xiàn)上述基本目標(biāo)，開放式體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備下列重要屬性：可縮放性、可替換性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，以及第三方參與性。下面分別加以詳細(xì)的論述。

可縮放性

　　開放性體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一個(gè)在性能和引腳數(shù)方面可大范圍縮放的平臺。首先，平臺基礎(chǔ)設(shè)施要和性能特征相分離。平臺基礎(chǔ)設(shè)施包括數(shù)據(jù)流、電源管理、報(bào)警和出錯(cuò)處理對策以及測試相似性。它應(yīng)在無需重新加工的前提下，提供性能更新的能力，特別是，它不受圖形速率、引腳數(shù)和放置精度的限制。性能特征則與各自的激勵(lì)—響應(yīng)能力和與DUT引腳連接等有關(guān)。性能特征是隨著技術(shù)要求的變化而改變的。

　　上述要求在很大程度上影響著體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。例如，低性能體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以用強(qiáng)迫空氣對流來冷卻，然而它滿足不了MPU和芯片組生產(chǎn)、驗(yàn)證和性能測試用高性能電子設(shè)備的散熱要求。因此，這類系統(tǒng)的市場有限，對第三方缺乏吸引力?；A(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)提供大量散熱的經(jīng)濟(jì)實(shí)用冷卻裝置。

　　其次，高吞吐率隱含著高帶寬的測試總線。開放式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施要具備滿足上述要求的能力。要想支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型儀器，需要400至800MB/S數(shù)據(jù)傳輸率的高帶寬總線。寬帶總線可使用100Base-T單元的星形網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)本地路由器在硬件單元間來回傳送或集中數(shù)據(jù)。另一種選擇是使用高帶寬環(huán)形總線，將所用儀器環(huán)接起來。在對各種方案進(jìn)行充分評估后，似乎環(huán)形總線比星形總線更合適。寬帶數(shù)據(jù)路徑的環(huán)形總線能以合理的等待時(shí)間提供所需帶寬。

　　為了確保系統(tǒng)的堅(jiān)固性，還需要第二類通信總線。這是一種通向所有儀器的低帶寬系統(tǒng)—監(jiān)測總線，它完成出錯(cuò)和報(bào)警監(jiān)測、啟動(dòng)引導(dǎo)程序，以及其它重要的非測試功能，讓核心軟件持續(xù)管理系統(tǒng)和執(zhí)行診斷功能。一個(gè)完整的包含自身電源的RS-232連接用于這個(gè)功能是十分理想的。

　　最后，當(dāng)然并非不重要的，應(yīng)為各種儀器提供直流電源，配電線路和測試儀總線通信一般是通過背板來實(shí)現(xiàn)的。背板是基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容，通常在第一代測試裝置中要重新設(shè)計(jì)。無論是性能變動(dòng)、或在子系統(tǒng)間需要更多的性能互連或增加直流電壓，都要求背板加以改動(dòng)。如果對封閉式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總是要求重新設(shè)計(jì)背板而不顧及相關(guān)系統(tǒng)的如何演變，那末由第三方提供解決方案的可縮放開放式體系結(jié)構(gòu)就不能在合理的時(shí)間周期內(nèi)保持背板不變。其解決方案是：無背板的體系結(jié)構(gòu)。

　　無背板的的決定對體系結(jié)構(gòu)來說是一個(gè)重要的細(xì)節(jié)。開始以為，傳送多個(gè)直流電壓必須復(fù)雜的、昂貴的、不可靠的電源導(dǎo)線束結(jié)構(gòu)。然而，倘若原始直流電源僅用一個(gè)電壓，每個(gè)PCB負(fù)責(zé)產(chǎn)生自己所需的直流電壓，問題就迎刃而解了。由于沒有背板在PCB間路由信號，PCB的規(guī)格和尺寸應(yīng)足夠大，以便在PCB內(nèi)產(chǎn)生自己和直流電壓和容納完整功能電路。事實(shí)上，鑒于可利用的集成化水平，不難得到多個(gè)完整的功能電路。例如，合理的電路板尺寸完全能容納32條完整的數(shù)字通道或多個(gè)器件電源。儀器內(nèi)安裝完整的功能電路還另有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即儀器很大程度上是獨(dú)立的，僅需極少量的系統(tǒng)功能，如時(shí)鐘、同步信號、冷卻、以及直流電源(如圖1所示)，有利于系統(tǒng)在多點(diǎn)測試和并行測試中使用。

可替換性

　　開放性體系結(jié)構(gòu)應(yīng)支持多方位的應(yīng)用，從純數(shù)字到SoC，還附帶各種模擬要求，它應(yīng)能隨時(shí)更新，方便、有效地?cái)U(kuò)展新設(shè)備，設(shè)置新功能不能影響原有功能的工作。這樣，系統(tǒng)硬件涉及四個(gè)方面：配電線路、數(shù)據(jù)流、總體同步、以及可重配置性。

　　前面已提及配電線路，這里還要進(jìn)一步驗(yàn)證低噪聲的合格性。高性能數(shù)字邏輯系統(tǒng)通常不是無噪的；另一方面，高精度模擬系統(tǒng)具有極低的本底噪聲，但不能達(dá)到高矢量率。一個(gè)開放式體系結(jié)構(gòu)應(yīng)包含根除不必要接地環(huán)、進(jìn)行屏蔽、以及其它低噪聲設(shè)計(jì)對策，可放心地部署在兩類應(yīng)用中。

　　數(shù)據(jù)流也需要附加的合格性。測試CPU和儀器間的寬帶寬總線就支持儀器自身間的寬帶寬通信。這就可能研制一種測試解決方案，讓系統(tǒng)中不同儀器處理大量數(shù)據(jù)。

　　儀器產(chǎn)生和接收同路同步信號也是十分必要的。當(dāng)在單點(diǎn)，或多點(diǎn)測試混合信號SoC器件時(shí)，這些同步信號使數(shù)字通道和模擬通道一致地工作。

　　現(xiàn)有的VXI 和PXI一類開放式儀器系統(tǒng)有多種觸發(fā)傳輸方案，如專用于觸發(fā)扇出任務(wù)的儀器插槽或幾組分立的觸發(fā)總線組合。假定整個(gè)系統(tǒng)是專用于單一測試過程，這種方案是十分方便的。然而在多點(diǎn)應(yīng)用中，每個(gè)地點(diǎn)要求不同的觸發(fā)信號，或在多個(gè)時(shí)域同步測試的場合，這些觸發(fā)機(jī)制就很難應(yīng)付。為了解決這個(gè)問題，儀器應(yīng)提供模塊到模塊間分立的連接來傳送觸發(fā)信號。但這樣做對測試系統(tǒng)又附加了額外的配置限制，使重配置更復(fù)雜，更費(fèi)時(shí)。有一種更有效的方案來實(shí)現(xiàn)壽命更長的平臺同步計(jì)算相結(jié)合的技術(shù)，以便讓實(shí)際同步在傳送上是通用的，局部地可計(jì)算的，沒有噪聲，沒有抖動(dòng)，也沒有串?dāng)_。實(shí)際的模擬信號完全限制各自的儀器內(nèi)，對可作用的不同觸發(fā)信號數(shù)量的限制、觸發(fā)源的選擇、每個(gè)觸發(fā)信號目的地的數(shù)量不再由傳輸線來確定，而是由可編程數(shù)據(jù)流協(xié)議來確定。

　　重配置對一個(gè)可替換性系統(tǒng)是十分重要的，這不僅僅是它的開放性所隱含的，也可為工廠節(jié)省大量的加工機(jī)械。為了使平臺重配置后具有最佳的測試效果，所有儀器的插槽應(yīng)是一致的，與類型無關(guān)。任何給定的平臺應(yīng)能配置眾多不同類型的設(shè)備，或大批量應(yīng)用，而沒有苛刻的配置限制。這一要求進(jìn)一步加強(qiáng)了原先堅(jiān)持的觀點(diǎn)：開放式體系結(jié)構(gòu)不能有背板或復(fù)雜的電源導(dǎo)線束(圖2)。

經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

　　平臺的成本應(yīng)很低。同時(shí)，開放式體系結(jié)構(gòu)應(yīng)提供足夠的基礎(chǔ)設(shè)施資源，來安裝低性能或高性能儀器，既可以是模擬的，也可以是數(shù)字的，或是數(shù)、?；旌闲汀，F(xiàn)代測試儀器的高功率密度基本上摒棄了風(fēng)冷式解決方案。為此，一個(gè)有效的開放式的ATE平臺的重要特征是它能提供低成本的液冷系統(tǒng)，并體現(xiàn)在熱交換的實(shí)施和各個(gè)儀器結(jié)構(gòu)之中。

　　集中的、專用的、定點(diǎn)的ATE解決方案確有較低的成本，但只有在系統(tǒng)的數(shù)量足夠大且特定的儀器有持續(xù)的研發(fā)空間時(shí)才有意義。為了避免過時(shí)，買主必須考慮到增加或改變測試要求的可靠性。因而，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性不僅要計(jì)及系統(tǒng)計(jì)劃應(yīng)用的初始成本，還要計(jì)及系統(tǒng)以供后用的再加工成本。

　　乍一想，開放式體系結(jié)構(gòu)的這些特性對經(jīng)濟(jì)實(shí)用性有負(fù)面的影響。事實(shí)卻并非如此，ATE背板，連接器，以及電源總線匯流條都是十分昂貴的。現(xiàn)代ATE中使用的十二層以上背板其標(biāo)價(jià)通常在30000美元以上。配電用導(dǎo)線束的制作和安裝是高勞動(dòng)強(qiáng)度的，不僅麻煩，成本也很高。本文簡介的開放式體系結(jié)構(gòu)屬性省略了這些高成本的項(xiàng)目，盡管分?jǐn)偟礁鲀x器的僅是節(jié)省費(fèi)用的一少部分，畢竟也是有意義的純成本節(jié)省。

　　合理設(shè)計(jì)的開放式體系結(jié)構(gòu)ATE有希望獲得較長的平臺使用壽命。實(shí)現(xiàn)新測試要求的新儀器的研制和生產(chǎn)成本比全新測試系統(tǒng)低，要是開放式平臺有足夠的堅(jiān)固性，且它能突破性能和容量的限制，且適合在工廠環(huán)境中安裝，那末總的測試成本將隨時(shí)間的推延而大大降低。此外，長平臺使用壽命亦有利于第三方的參與。

第三方參與性

　　開放式體系結(jié)構(gòu)意味著多方參與性，這是十分明確的。不明確的是，它隱含著必須提供的各種文件、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)要求，以及供研制人員用的輔助工具。

　　第三方研制人員除了懂得如何安裝外，無需ATE中其它儀器內(nèi)部細(xì)節(jié)的詳盡知識，也無需平臺本身的任何細(xì)節(jié)知識。第三方參與者要求在接口設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施部件方面得到支持，比如：

結(jié)語

　　總之，開放式結(jié)構(gòu)體系要想獲得成功，必須具備幾個(gè)重要特性。下面給出必備屬性以便評估各種方案：

　　基礎(chǔ)設(shè)施與性能特性無關(guān)。

　　可應(yīng)用于全性能系列的廉價(jià)冷卻解決方案。

　　支持寬帶寬/高吞吐率和低成本兩種總線。

　　無背板或復(fù)雜的電源導(dǎo)線束。

　　儀器與特定的電壓無關(guān)，取而代之產(chǎn)生自己所需的電壓。

　　測試頭插槽是通用的，無專用的模擬卡盒或數(shù)字卡盤。

　　儀器自備診斷與校正用的嵌入式計(jì)量方法。

　　根據(jù)變化的測試要求，最終用戶能容易地重新配置系統(tǒng)。

　　結(jié)構(gòu)體系有詳細(xì)的文件說明，供第三方設(shè)計(jì)、安裝使用。

　　儀器至結(jié)構(gòu)體系的接口應(yīng)盡量少用，甚至不用定制的部件。

　　一視同仁地向第三方供應(yīng)商提供IP、測試基準(zhǔn)程序以及認(rèn)證服務(wù)。■(東華)