功能測試：基本概念與技術(shù)

盡管各種新技術(shù)層出不窮，如光學與X射線檢查、基于飛針或針床的電性測試等，但功能測試依然是保證產(chǎn)品到最終應(yīng)用環(huán)境立刻就能工作必不可少的手段?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品中內(nèi)置自測(BIST)應(yīng)用越來越多，這應(yīng)該大力提倡，因為它可降低功能測試的成本，但也不能完全消除功能測試。如果應(yīng)用的場合非常重要(如軍事、航空、汽車、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域)，或者最終產(chǎn)品的成本及復雜程度(如電信網(wǎng)絡(luò)、發(fā)電站等)非常高，那么更需要保證產(chǎn)品自身以及與其它系統(tǒng)合在一起時工作正常，這時功能測試將是必須的。 什么是功能測試功能測試涉及模擬、數(shù)字、存儲器、RF和電源電路，通常要用不同的測試策略。測試包括大量實際重要功能通路及結(jié)構(gòu)驗證(確定沒有硬件錯誤)，以彌補前面測試過程遺漏的部分。這需要將大量模擬/數(shù)字激勵不斷加到被測單元(UUT)上，同時監(jiān)測同樣多數(shù)量的模擬/數(shù)字響應(yīng)，并完全控制其執(zhí)行過程。 　　功能測試可在產(chǎn)品制造生命周期不同階段實施，首先是工程開發(fā)階段，在系統(tǒng)生產(chǎn)驗證前確認新產(chǎn)品功能；然后在生產(chǎn)中也是必須的，作為整個流程的一部分，通過昂貴的系統(tǒng)測試降低缺陷發(fā)現(xiàn)成本(遺漏成本)；最后，在發(fā)貨付運階段也是不可缺少的，它可以減少在應(yīng)用現(xiàn)場維修的費用，保證功能正常而不會被送回來。如果你經(jīng)常坐飛機，而且也知道現(xiàn)代飛機里裝有多少電子設(shè)備，那么你一定會感謝這最后工作所作的一切。 　　如上所述，功能測試是在最終系統(tǒng)測試或集成測試之前，可用于線路板或模塊。如今高集成電子設(shè)備已將這些概念混淆，線路板和模塊又都放在一個可更換模組中。雖然很多測試儀結(jié)構(gòu)類似，但測試程序以及線路板和模塊的運送過程卻大不相同，而且測試地點也有很大影響，是在應(yīng)用現(xiàn)場測試維修(前向測試)，還是在維修中心，或送回工廠是完全不同的。 　　功能測試有多種形式，這些形式在成本、時間、效果和維護性方面各有優(yōu)缺點，我們將其分為下面四種基本類型，分別分析其特性。 　　1．模型測試系統(tǒng) 　　2．測試臺 　　3．專用測試設(shè)備(STE) 　　4．自動測試設(shè)備(ATE) 模型測試系統(tǒng)　　 　　從理論上說檢驗一個設(shè)備(線路板或模塊)功能最簡單的方法就是把它放在和真的環(huán)境一樣的模型系統(tǒng)或子系統(tǒng)中，然后看它工作是否正常。如果正常，我們可以有很大把握認為它是好的，如果不正常，技術(shù)人員將進行檢測希望找出失效的原因以指導維修。但實際上，這種插入上電方式有很多缺點而且很少有效，雖然它有時可作為其它測試方案的補充。 　　首先，子系統(tǒng)的成本通常比傳統(tǒng)測試平臺要高，尤其是后者是通用設(shè)備可用于多種場合的時候。此外，模型環(huán)境下的子系統(tǒng)維護非常復雜、耗時且成本高。集中式維修中心很快就會被不斷出現(xiàn)的模型子系統(tǒng)填滿，而每個都需要特定的文件和培訓、操作指導與維護。同時，僅僅將被測設(shè)備插在系統(tǒng)中還不夠，還必須執(zhí)行一系列正確的操作步驟以保證其工作正常，或檢查它為什么不能正常工作。這些專門的測試步驟成本和復雜性都非常高，而且很耗時，在操作中還需要熟練的技術(shù)人員來執(zhí)行。最后，即使進行了專門的改造，在系統(tǒng)上進行單元調(diào)試也很麻煩且不實際，操作流程控制上的局限性以及缺乏診斷工具很快使這種方法在經(jīng)濟上變得不可接受。 測試臺　　 　　測試臺是一個常規(guī)測試環(huán)境，包括與被測設(shè)備之間的激勵/響應(yīng)接口、專門測試規(guī)程規(guī)定的測試序列與控制。激勵與響應(yīng)通常由標準電源及實驗儀器、專用開關(guān)、負載以及終端自定義電子設(shè)備(如數(shù)字激勵)提供。在這里夾具是非常重要的一個部分，可提供到被測設(shè)備正確的信號路徑和連通。在很多情況下，夾具基本上是針對每個應(yīng)用而定制的，需要結(jié)合手工操作進行設(shè)置。測試過程和控制通常手動進行，有時靠PC協(xié)助，通過書面的協(xié)議或規(guī)程進行規(guī)定。測試臺連接到具體的產(chǎn)品，優(yōu)點是成本相對較低，設(shè)備比較簡單，但在應(yīng)對多種產(chǎn)品時靈活性較差，即使針對某一個產(chǎn)品當需要多個激勵/響應(yīng)時它也不夠。測試臺通常見于工程部門，因為那里有很多儀器可以很快組合起來，且手頭也有相關(guān)資料，不用正規(guī)步驟?；緛碇v，高性能產(chǎn)品測試臺并不足以應(yīng)對生產(chǎn)測試或發(fā)貨階段的測試。 專用測試設(shè)備(STE)　　 　　從理論上專用測試設(shè)備就是使測試臺操作自動化的系統(tǒng)，系統(tǒng)的心臟通常是一臺電腦，通過專用總線(采用IEEE、VXI、PXI或PCI標準)和一些可編程儀器進行控制。速度、性能、適用情況、成本及其它因素影響著儀器總線和結(jié)構(gòu)的選擇。各種儀器和通用設(shè)備堆疊在一個或多個垂直機箱里(基本型STE通常稱為“機架系統(tǒng)”)，然后再連到被測設(shè)備上。連線與接通一般完全自動進行并由軟件控制，不過這會使接收器的內(nèi)部連接非常復雜，數(shù)字資源(信道)通常在一個專用機架上，然后由另外一個單獨機架包含開關(guān)陣列對模擬儀器進行連接及分配。如果需要模擬/數(shù)字信道，夾具可以提供跳線，為使成本、空間和靈活性達到最優(yōu)，通常還要專門針對具體的項目或程序進行設(shè)置，因此新的項目要設(shè)計新的STE。幸好有了自動化處理，設(shè)置時間、測試時間以及整體操作都比手工測試臺更加快速而容易。生成測試程序雖然不會太簡單，但所需文件將大大減少，STE可以擴展為滿足多種性能需要，通常用于生產(chǎn)或維修中心。 　　STE也有缺點，最明顯的是總體成本：設(shè)備投資成本、操作成本以及程序開發(fā)成本。設(shè)備投資成本包括平臺的開發(fā)、材料、制造、測試、文件系統(tǒng)以及折舊，操作成本包括夾具成本、維護與備件成本、工具、間接材料與易耗品、人工以及管理開銷，最后對每類設(shè)備測試程序開發(fā)與調(diào)試費用也要算在一起。 　　除非要重復制作大量STE，否則系統(tǒng)開發(fā)與文件制作的非經(jīng)常性工程(NRE)費用將是成本主要部分。硬件結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)產(chǎn)品標準，而這樣對靈活性、體積、信號連通與接口都有不利的影響。打開STE的前蓋你就會對系統(tǒng)信號源及接收器之間的線路數(shù)量與復雜性感到驚奇，夾具也非常復雜，如果是包括數(shù)十個模塊用于整個項目的夾具其成本會迅速占到主要部分。有些STE需要的測試源可能很難在市面上找到，一方面可能很少另外也可能太貴，例如在需要大量數(shù)字激勵/響應(yīng)信道時就會出現(xiàn)這種情況。在可接受成本范圍內(nèi)(每通道10到100歐元)性能和靈活性方面的選擇可能非常少，性能也有能達到要求的但成本要1,000歐元每通道。如果在硬件上進行折衷，成本將轉(zhuǎn)向軟件開發(fā)，測試工程師必須面對STE在性能上的局限。測試開發(fā)成本不僅因為STE性能不夠而增加，由于缺乏用于測試的語言(在測試儀上用C編程可不是一件有趣的事)、用戶接口以及調(diào)試工具受限等等，簡單軟件結(jié)構(gòu)對測試開發(fā)時間和成本都有不利的影響。 　　不過STE很常見，尤其是對特定程序如模塊測試，但也應(yīng)該仔細研究ATE帶來的其它方案，尤其是那些具有開放架構(gòu)優(yōu)點可能改變這一趨勢的系統(tǒng)，內(nèi)部測試資源更應(yīng)該專用于生成測試方案，和設(shè)計專門測試平臺相比這些資源具有更為獨特的技能與知識。 自動測試設(shè)備(ATE)　　 　　通用自動測試設(shè)備(GPATE，或簡稱為ATE)是一種非常先進靈活的方案，可以滿足多種產(chǎn)品與程序測試要求，從最初出現(xiàn)迄今已有三十多年歷史。當微型計算機控制的儀器出現(xiàn)以后，ATE的結(jié)構(gòu)設(shè)計為直接針對測試需要，系統(tǒng)集成、信號連通靈活性、增值軟硬件、面向測試的語言、圖形用戶界面等是ATE，比如SEICA(www.seica.com)的VALID S40功能測試平臺，和STE之間的主要區(qū)別。 　　泰瑞達公司創(chuàng)始人Alex d’Arbeloff在2002年10月國際測試大會的主題演講中，對廣泛采用開放架構(gòu)趨勢提出批評，認為它只是簡單將不同模塊加在一起然后用于所有測試提供商的標準機架上。他說：“這種方法對ATE業(yè)界沒有什么好處，測試設(shè)備用戶所得到的只是來自于ATE供應(yīng)商提供的系統(tǒng)集成，否則用戶就得自己做或者要另外付費?！睂嶋H上，基于專用技術(shù)硬軟件架構(gòu)同時也通過向第三方儀器供應(yīng)商與標準開放，這種滿足開放架構(gòu)的優(yōu)點將很可能成為廠商最佳選擇。 　　讓我們仔細看一看現(xiàn)代ATE的架構(gòu)并探討其優(yōu)點。 　　功能測試ATE是一種商用系統(tǒng)，有很多公司都提供這類設(shè)備，雖然它和普通設(shè)備如在線測試儀或MDA不一樣。功能測試更為復雜，需要有實力的供應(yīng)商的經(jīng)驗和認真投入?？梢栽谑袌錾腺徺I(有時又稱為COTS)有很多優(yōu)點，它使ATE能充分利用供應(yīng)商多年的經(jīng)驗以及NRE投資，這對于ATE供應(yīng)商提供創(chuàng)新新技術(shù)同時又保持現(xiàn)有特性特別有意義。它對軍事/航空產(chǎn)品非常重要，因為這類產(chǎn)品具有較長生命周期，且有很多新舊產(chǎn)品并存同時都要不斷進行測試，比如ATE經(jīng)過改進可以為低電平器件進行可重復測試，但同時舊的CMOS電平測試仍然需要提供。另一個例子與用于診斷的指引探測技術(shù)有關(guān)，該技術(shù)幾乎不能用于某些新封裝技術(shù)，但你是否會買一個不帶這種功能的測試儀呢？ 　　用于并行測試的數(shù)字通道是ATE主要部分之一，通常使用專用結(jié)構(gòu)，因為它專門設(shè)計用于滿足各種測試要求，速度、控制性能、數(shù)據(jù)深度、整個時序范圍靈活性、寬電壓幅值等等都是需要了解的特性，以便知道它如何方便地使系統(tǒng)滿足每個人的測試需求。串行數(shù)字測試帶有大量協(xié)議，通常由集成到系統(tǒng)內(nèi)部的專門儀器提供，IEEE 1194.2或JTAG/邊界掃描測試技術(shù)也是同樣情況，可以完整集成到綜合測試環(huán)境中。 　　與STE結(jié)構(gòu)類似，ATE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中集成了很多商用儀器以提供模擬測試功能。這里需要澄清什么叫“集成”。驅(qū)動儀器最簡單的方法是通過在計算機與儀器之間建立一個雙向通信很容易地實現(xiàn)，使用戶可以與其進行交流，但這并不是“集成”，只是一個簡單的接口。這種方式下通過交換字符串或調(diào)用C程序?qū)x器編程，使得任務(wù)冗長而復雜，同時程序文件編制、程序改變或調(diào)試操作都需要技巧與耐心，此外如果儀器已經(jīng)陳舊需要更換，那么所有程序都需要糾正，通常STE上用戶使用儀器就是采用這種方式。 　　儀器集成還包括儀器層之間的通信，但用更高層指令保護編程與調(diào)試，以避免上面的所有問題，例如對任意DMM編程進行電壓測量可用如下簡單語句：     MEASURE V at PIN ACK1     TEST (4.9V MIN, 5.1V MAX); 　　軟件驅(qū)動器可以給ATE提供儀器與附加接口層，語言則保證儀器集成的有效性，系統(tǒng)控制管理DMM和UUT上ACK1引腳之間的連接。 　　如果因為儀器陳舊改變DMM，只需要一個新的驅(qū)動軟件和協(xié)議層，所有測試程序均保持不變。 　　除了儀器全面集成帶來的優(yōu)點之外，ATE還能為信號路由和連接提供更好方案。ATE專用背板大多數(shù)情況下包括一個模擬總線，可以讓儀器直接連到任何引腳，而不會使內(nèi)外引線變得復雜。這種靈活性通?？蓴U展到將模擬和數(shù)字通道合在一起(混合通道)，使用戶在任何時候連接數(shù)字或模擬激勵，并測量接收器任意引腳。其結(jié)果是不僅使成本大大簡化降低，同時測試程序也更易于實現(xiàn)。 　　ATE的模塊化設(shè)計可使其通用特性在不同項目間完全得到表現(xiàn)，即相同的系統(tǒng)、相同的軟件、相同的培訓與文件系統(tǒng)，以及相同的操作。 　　不管是開發(fā)、生產(chǎn)還是運送測試，ATE都可以作為整個流程的一部分，其本身也有一個結(jié)構(gòu)化流程以便達到最佳使用效果。測試程序編制還包括鏈接到CAE數(shù)據(jù)庫，程序編制不管是人工還是用模擬驅(qū)動，通常都有很好的結(jié)構(gòu)可連接到外部程序資源、并行測試生成部分、圖形編程、無縫修正、文件自生成以及和調(diào)試等的全面鏈接。調(diào)試與運行功能包括失效停止、循環(huán)、條件分支、實時改變、模擬與數(shù)字內(nèi)部探測，及所有可以簡化程序員與操作員工作的功能。 　　簡而言之，ATE和所有其它系統(tǒng)一樣，并不僅僅是部件的簡單相加。