ATE开放式体系结构的硬件基础

2004年6月A版

　　开放式体系结构的概念在2002年的夏季已经是公开的秘密。鉴于降低测试成本的前景，媒体和ATE用户对它产生了极大的兴趣，也引起ATE供应商们极大的关注。毫无疑问，一个设计良好的开放式体系结构系统会给用户带来令人信服的好处。但它毕竟是一个新的概念，有必要作进一步的介绍和分析。

　　开放式体系结构的本质是一个硬件、软件和接口都公开的结构，有完善的文件说明并一视同仁地提供给有关各方，实现重大的创新。显然，它与标准不同，它应尽量利用可为我所用的标准，但如果标准不适合在ATE中使用，也绝不为其所限制。例如，为了方便整合后端功能和设备自动化，采用GEM—SECS标准是十分有意义的；与此同时，在系统内用慢数据率IEEE488作为传输数据的主要机制则是重大的失误。

　　开放式体系结构的基本目标是提供一个能保护和扩大ATE投资的结构，这就要求结构框架能不断地创新和研发。此外，测试技术若要跟上半导体基本结构飞速发展的步伐，需要多方的参与。总之，为了实现上述基本目标，开放式体系结构应具备下列重要属性：可缩放性、可替换性、经济实用性，以及第三方参与性。下面分别加以详细的论述。

可缩放性

　　开放性体系结构应具有一个在性能和引脚数方面可大范围缩放的平台。首先，平台基础设施要和性能特征相分离。平台基础设施包括数据流、电源管理、报警和出错处理对策以及测试相似性。它应在无需重新加工的前提下，提供性能更新的能力，特别是，它不受图形速率、引脚数和放置精度的限制。性能特征则与各自的激励—响应能力和与DUT引脚连接等有关。性能特征是随着技术要求的变化而改变的。

　　上述要求在很大程度上影响着体系结构的设计。例如，低性能体系结构系统可以用强迫空气对流来冷却，然而它满足不了MPU和芯片组生产、验证和性能测试用高性能电子设备的散热要求。因此，这类系统的市场有限，对第三方缺乏吸引力。基础设计应提供大量散热的经济实用冷却装置。

　　其次，高吞吐率隐含着高带宽的测试总线。开放式体系结构的基础设施要具备满足上述要求的能力。要想支持数据密集型仪器，需要400至800MB/S数据传输率的高带宽总线。宽带总线可使用100Base-T单元的星形网络，一个本地路由器在硬件单元间来回传送或集中数据。另一种选择是使用高带宽环形总线，将所用仪器环接起来。在对各种方案进行充分评估后，似乎环形总线比星形总线更合适。宽带数据路径的环形总线能以合理的等待时间提供所需带宽。

　　为了确保系统的坚固性，还需要第二类通信总线。这是一种通向所有仪器的低带宽系统—监测总线，它完成出错和报警监测、启动引导程序，以及其它重要的非测试功能，让核心软件持续管理系统和执行诊断功能。一个完整的包含自身电源的RS-232连接用于这个功能是十分理想的。

　　最后，当然并非不重要的，应为各种仪器提供直流电源，配电线路和测试仪总线通信一般是通过背板来实现的。背板是基础设施的重要内容，通常在第一代测试装置中要重新设计。无论是性能变动、或在子系统间需要更多的性能互连或增加直流电压，都要求背板加以改动。如果对封闭式体系结构系统总是要求重新设计背板而不顾及相关系统的如何演变，那末由第三方提供解决方案的可缩放开放式体系结构就不能在合理的时间周期内保持背板不变。其解决方案是：无背板的体系结构。

　　无背板的的决定对体系结构来说是一个重要的细节。开始以为，传送多个直流电压必须复杂的、昂贵的、不可靠的电源导线束结构。然而，倘若原始直流电源仅用一个电压，每个PCB负责产生自己所需的直流电压，问题就迎刃而解了。由于没有背板在PCB间路由信号，PCB的规格和尺寸应足够大，以便在PCB内产生自己和直流电压和容纳完整功能电路。事实上，鉴于可利用的集成化水平，不难得到多个完整的功能电路。例如，合理的电路板尺寸完全能容纳32条完整的数字通道或多个器件电源。仪器内安装完整的功能电路还另有一个优点，即仪器很大程度上是独立的，仅需极少量的系统功能，如时钟、同步信号、冷却、以及直流电源(如图1所示)，有利于系统在多点测试和并行测试中使用。

可替换性

　　开放性体系结构应支持多方位的应用，从纯数字到SoC，还附带各种模拟要求，它应能随时更新，方便、有效地扩展新设备，设置新功能不能影响原有功能的工作。这样，系统硬件涉及四个方面：配电线路、数据流、总体同步、以及可重配置性。

　　前面已提及配电线路，这里还要进一步验证低噪声的合格性。高性能数字逻辑系统通常不是无噪的；另一方面，高精度模拟系统具有极低的本底噪声，但不能达到高矢量率。一个开放式体系结构应包含根除不必要接地环、进行屏蔽、以及其它低噪声设计对策，可放心地部署在两类应用中。

　　数据流也需要附加的合格性。测试CPU和仪器间的宽带宽总线就支持仪器自身间的宽带宽通信。这就可能研制一种测试解决方案，让系统中不同仪器处理大量数据。

　　仪器产生和接收同路同步信号也是十分必要的。当在单点，或多点测试混合信号SoC器件时，这些同步信号使数字通道和模拟通道一致地工作。

　　现有的VXI 和PXI一类开放式仪器系统有多种触发传输方案，如专用于触发扇出任务的仪器插槽或几组分立的触发总线组合。假定整个系统是专用于单一测试过程，这种方案是十分方便的。然而在多点应用中，每个地点要求不同的触发信号，或在多个时域同步测试的场合，这些触发机制就很难应付。为了解决这个问题，仪器应提供模块到模块间分立的连接来传送触发信号。但这样做对测试系统又附加了额外的配置限制，使重配置更复杂，更费时。有一种更有效的方案来实现寿命更长的平台同步计算相结合的技术，以便让实际同步在传送上是通用的，局部地可计算的，没有噪声，没有抖动，也没有串扰。实际的模拟信号完全限制各自的仪器内，对可作用的不同触发信号数量的限制、触发源的选择、每个触发信号目的地的数量不再由传输线来确定，而是由可编程数据流协议来确定。

　　重配置对一个可替换性系统是十分重要的，这不仅仅是它的开放性所隐含的，也可为工厂节省大量的加工机械。为了使平台重配置后具有最佳的测试效果，所有仪器的插槽应是一致的，与类型无关。任何给定的平台应能配置众多不同类型的设备，或大批量应用，而没有苛刻的配置限制。这一要求进一步加强了原先坚持的观点：开放式体系结构不能有背板或复杂的电源导线束(图2)。

经济实用性

　　平台的成本应很低。同时，开放式体系结构应提供足够的基础设施资源，来安装低性能或高性能仪器，既可以是模拟的，也可以是数字的，或是数、模混合型。现代测试仪器的高功率密度基本上摒弃了风冷式解决方案。为此，一个有效的开放式的ATE平台的重要特征是它能提供低成本的液冷系统，并体现在热交换的实施和各个仪器结构之中。

　　集中的、专用的、定点的ATE解决方案确有较低的成本，但只有在系统的数量足够大且特定的仪器有持续的研发空间时才有意义。为了避免过时，买主必须考虑到增加或改变测试要求的可靠性。因而，经济实用性不仅要计及系统计划应用的初始成本，还要计及系统以供后用的再加工成本。

　　乍一想，开放式体系结构的这些特性对经济实用性有负面的影响。事实却并非如此，ATE背板，连接器，以及电源总线汇流条都是十分昂贵的。现代ATE中使用的十二层以上背板其标价通常在30000美元以上。配电用导线束的制作和安装是高劳动强度的，不仅麻烦，成本也很高。本文简介的开放式体系结构属性省略了这些高成本的项目，尽管分摊到各仪器的仅是节省费用的一少部分，毕竟也是有意义的纯成本节省。

　　合理设计的开放式体系结构ATE有希望获得较长的平台使用寿命。实现新测试要求的新仪器的研制和生产成本比全新测试系统低，要是开放式平台有足够的坚固性，且它能突破性能和容量的限制，且适合在工厂环境中安装，那末总的测试成本将随时间的推延而大大降低。此外，长平台使用寿命亦有利于第三方的参与。

第三方参与性

　　开放式体系结构意味着多方参与性，这是十分明确的。不明确的是，它隐含着必须提供的各种文件、设计准则、设计要求，以及供研制人员用的辅助工具。

　　第三方研制人员除了懂得如何安装外，无需ATE中其它仪器内部细节的详尽知识，也无需平台本身的任何细节知识。第三方参与者要求在接口设计和基础设施部件方面得到支持，比如：

结语

　　总之，开放式结构体系要想获得成功，必须具备几个重要特性。下面给出必备属性以便评估各种方案：

　　基础设施与性能特性无关。

　　可应用于全性能系列的廉价冷却解决方案。

　　支持宽带宽/高吞吐率和低成本两种总线。

　　无背板或复杂的电源导线束。

　　仪器与特定的电压无关，取而代之产生自己所需的电压。

　　测试头插槽是通用的，无专用的模拟卡盒或数字卡盘。

　　仪器自备诊断与校正用的嵌入式计量方法。

　　根据变化的测试要求，最终用户能容易地重新配置系统。

　　结构体系有详细的文件说明，供第三方设计、安装使用。

　　仪器至结构体系的接口应尽量少用，甚至不用定制的部件。

　　一视同仁地向第三方供应商提供IP、测试基准程序以及认证服务。■(东华)