基于ATE的RS 485收发器差分端口BPMU递归算法.pdf

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年12月1日第46卷第23期Dec.2023Vol.46 No.230 引 言现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一。现场总线既是连接到控制现场的仪器，又是控制设备多站通信网络的基础1。RS 485 总线是现场总线技术的代表产品之一。RS 485总线技术采用均衡传输和差分接收，其双线通信通常采用半双工通信模式2。此外，在 RS 485通信网络中，一般采用主从通信方式，即一台主机有多个从端3。以 RS 485总线为代表的总线技术的出现，是自动控制系统实现智能化控制、数字化、信息化、网络化、分散化的基础4。在RS 485总线通信过程中，RS 485收发器容易受到各种电磁干扰5。因此，RS 485 收发器的可靠性测试成为生产过程中至关重要的一步，对其芯片参数的有效测试可以辅助设计人员完善芯片设计5。RS 485 收发器测试方式主要有两种：一是面向总线差分端口芯片功能特性的测试，将 RS 485接口的发送器同相输出端和反相输出端短接，通过上位机检测输入输出端数据，从而实现 RS 485收发器端口的测试67；二是面向总线收发器芯片结构的测试，利用 ATE（Auto Test Equipment）自动化测试系统为被测收发器芯片提供电源和时钟信号，通过施加测试向量8，同时检测RS 485 收发器端口的模拟和数字输出信号，从而实现RS 485收发器的参数测试。常规的测试方法一般模拟产品与外联设备的实际工作过程，无法对 RS 485总线基于ATE的RS 485收发器差分端口BPMU递归算法杜晓冬，王 鹏，陈 诚，李岱林，黄 健，张巍巍（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072）摘 要：基于 ATE的测试方法能准确测试芯片的电性能参数，已成为 RS 485收发器量产中测试的重要技术手段。文中基于 Teradyne ATE测试系统设计的 BPMU递归算法实现了对 RS 485收发器差分端口参数的稳定测试，其准确的测试结果主要依靠基于Teradyne ATE测试系统设计的测试硬件，以及BPMU递归算法对比其他测试方法的优越性。该测试方法通过基于ATE设计具有良好逻辑的测试硬件和测试算法，从而提高RS 485收发器差分端口参数的测试准确性和可靠性，这也是芯片测试技术的发展方向。关键词：ATE测试系统；电性能参数；RS 485收发器；BPMU递归算法；差分端口；芯片测试技术中图分类号：TN9934 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）23016004ATEbased BPMU recursive algorithm for differential port of RS 485 transceiverDU Xiaodong,WANG Peng,CHEN Cheng,LI Dailin,HUANG Jian,ZHANG Weiwei(No.58 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Wuxi 214072,China)Abstract：The test method based on ATE(auto test equipment)can accurately test the electrical performance parameter of the chip,which has become an important technical means in the mass production test of RS 485 transceiver.In this paper,a BPMU(board precision measurement unit)recursive algorithm based on Teradyne ATE test system is designed to realize the stability test of differential port parameters of RS 485 transceiver.Its accurate test results mainly depend on the test hardware designed on the basis of the Teradyne ATE test system and the superiority of BPMU recursive algorithm over other test methods.In the proposed test method,test hardware and test algorithm with good logic are designed based on ATE,so as to improve the test accuracy and reliability of differential port parameters of RS 485 transceiver,which is also the development direction of chip test technology.Keywords：ATE test system;electrical performance parameter;RS 485 transceiver;BPMU recursive algorithm;differential port;chip test technologyDOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.23.029引用格式：杜晓冬，王鹏，陈诚，等.基于ATE的RS 485收发器差分端口BPMU递归算法J.现代电子技术，2023，46（23）：160163.收稿日期：20230520 修回日期：20230616160160第23期收发器的性能进行有效评估9。基于 ATE 的测试方法能准确测试 RS 485收发器的端口性能参数，因此基于ATE测试系统的芯片测试方法成为 RS 485收发器芯片量产中测试的重要技术手段10。ATE测试系统在半导体制造中具有广泛的应用，很多厂商投入到自动测试设备的研发中，如 Teradyne、Verigy 和 CTA 等。Teradyne 新一代的 ATE 测试设备具有 丰 富 的 数 字 通 道 资 源9，11，如 电 路 精 密 测 量 单 元（Board Percision Measurement Unit,BPMU）。在软件方面，Teradyne ATE 可以通过 Visual Basic 语言实现复杂的逻辑9，11。递归算法是在函数运行中调用了自身的一种算法12，基于 Teradyne ATE软硬件设计的 BPMU递归算法理论上可实现电路的精密测量，在 RS 485收发器的差分端口参数测试中具有显著优势。本文基于 Teradyne ATE测试系统对 RS 485收发器芯片的可靠性测试进行了详细研究，设计的BPMU递归算法实现了 RS 485收发器差分端口参数的准确及稳定测试。本文的目的是优化 RS 485收发器差分端口参数的测试方法，主要在基于 Teradyne ATE 的测试硬件和程序算法上进行了一些改进。还测试了两款 RS 485收发器芯片，对实验结果进行了验证，对比分析了常规实装测试和无 BPMU 递归算法的 ATE 机台测试结果。测试结果表明，基于 ATE 的 BPMU 递归算法满足 RS 485收发器的测试可靠性要求，解决了其差分端口参数在测试中的难点，该方法可以推广到其他差分芯片的参数测试。1 方法与设计选用一款 RS 485 低功率高速收发器，该收发器通过单一的3.3 V电源工作。该芯片结构包括两个差分输入输出端口 A、B，输入端口 DI、DE、-RE以及输出端口RO13。输出电平保证在 1.5 V，其标准负载为 54，符合RS 485规范14。该RS 485收发器是为多点总线传输线上的双向数据通信而设计的，其芯片结构及典型应用电路网络如图1所示。图1 RS 485收发器典型结构及工作电路RS 485收发器被设计用于半双工通信，具有1 8单元负载接收器输入阻抗，为覆盖其收发端选取研究的差分端口参数，如表1所示，分别为发送器状态下差分端口共模输入电压VOC和接收器状态下差分阈值电压VTH。表1 RS 485收发器差分端口参数（一）特性发送器共模输出电压差接收器差分阈值电压符号VOCVTH条件RL=54-7 VVCM12 V规范值/mV最小值最大值200200RS 485收发器差分端口参数在Teradyne ATE 测试系统上的测试原理图如图 2 所示。考虑到 Teradyne ATE设备上数字通道支持的电平范围与该 RS 485芯片发送器和发送器工作时差分端口的负载情况。在两个差分端口分别选用负载电流和驱动电压更大的 BPMU通道15，基于此通道可以实现 BPMU 递归算法。此外，还增加了普通通道便于发送器共模输出电压（VOC）的测量。图2 RS 485收发器在Teradyne ATE设备上的测试原理图RS 485 收发器的发送器和接收器是独立启用的，当禁用时，输出进入高阻抗状态。该收发器可保证高达20 Mb/s的数据传输速率，这种低输出倾斜时间使其非杜晓冬，等：基于ATE的RS 485收发器差分端口BPMU递归算法161现代电子技术2023年第46卷常适合多数据分发应用16。根据以上功能描述，在Teradyne ATE测试系统上设置相应的测试向量，其状态的切换顺序与功能表中保持一致。基于 RS 485 收发器测试原理图和差分端口参数表，在Teradyne ATE 测试系统的表格中编写测试程序，分别定义程序中各个 sheet，将编写的测试向量加载。对于表 1中差分端口的参数按照 BPMU递归算法逻辑，采用 Visual Basic 编程，测试时配合测试板卡同时调用A、B 端口的高压驱动通道资源进行 BPMU 递归运算，VOC采用单独端口采样进行电压运算13，程序中的运算公式如下：V=1wy(xw+b)=ax+by式中：V为测定电压；a为主体权重因子；b为批次测试的权重因子；x为首批测试的定值；y为后批次测试值。此外，测试程序中测试频率设置为1 MHz，电源电压为3.3 V，其余电流及端口电压根据芯片手册设置。2 结果和分析表 2 显示了本文的 BPMU 递归算法差分端口参数ATE测试结果。其中VOC1和VTH1为一个电路测试100遍的数据，VOC2和VTH2为100个电路的测试数据。为推广到其他 RS 485电路，还增加了另一款 RS 485收发器的BPMU递归算法端口参数测试结果VOC3和VTH3，发现所有测试结果均在手册规定值内并接近典型值，且VOC1和VTH1的标准差最小。为更直观地显示测试结果分布情况，将每组VOC和VTH取 lg 并绘制散点图，如图 3 所示。图3a）中测试100遍数据分布趋势最为集中；图3b）中100个电路数据对比图 3a）中数据分布中心位置相同，但是较为分散；图3c）中另一款RS 485收发器的测试数据分布集中度与图 3b）基本相同，但是分布位置略有不同。这是由不同器件的参数差异导致的。同时，对照表2中测试数据及标准差可得，基于Teradyne ATE测试系统所设计的测试硬件和 BPMU 递归算法程序可对 RS 485总线电路的差分端口参数作出有效评估，且测试稳定性良好。同时还对比了常规的模拟实装电路测试方法，采用直流电源与信号源模拟该RS 485收发器电路工作，同时用示波器读取信号并记录VOC4和VTH4，将测试结果取 lg后绘制成散点图如图 4 所示。可以发现，对比图 3b）中 BPMU递归算法的测试结果，图 4中测试数据的分布趋势更离散。同时考虑批量测试的时间差异14，基于BPMU 递归算法测试的 RS 485收发器的差分端口参数测试在准确性、稳定性和测试速度上都优于常规的外联设备测试方法。其优势主要取决于基于 ATE测试系统设计的逻辑算法和硬件上的优势15，也可推广于其他RS 485总线电路。表2 RS 485收发器差分端口参数（二）特性符号VOC1VTH1VOC2VTH2VOC3VTH3最小值/mV10.5709.15050.220平均值/mV11.598.81295.75739.4最大值/mV13.612015.717062.480+10.3286.7731.64218.1142.65816.362图3 RS 485收发器的端口参数Teradyne ATE测试结果散点图图4 常规的模拟实装电路测试结果散点图162第23期为了体现 BPMU递归算法测试 RS 485总线差分参数的优越性，还同时用ATE测试系统去掉BPMU递归算法对该款 RS 485总线电路的差分端口参数进行评估。测试结果VOC5和VTH5取 lg 后绘制散点图如图 5 所示。对比发现，两种 ATE 测试系统的测试数据散点分布中心位置大致相同，图 3b）中的 BPMU 递归算法得到的数据分布趋势更为集中，而图5中的点在横坐标分布范围较广。因此，基于Teradyne ATE系统的BPMU递归算法对 RS 485总线差分参数测试稳定性明显优于无 BPMU递归算法的 ATE测试。基于 ATE的 BPMU 递归算法在RS 485 总线差分端口测试中同时兼备经济性、覆盖率和稳定性17。图5 RS 485收发器的端口参数CTA ATE测试结果散点图3 结 语综上所述，本文基于 Teradyne ATE 测试系统结合RS 485收发器原理，设计了测试硬件及BPMU递归算法程序，实现了对其差分端口参数的精确测试。通过绘制基于 BPMU 递归算法多遍数测试及多数量测试的VOC和VTH测试结果散点图，再结合分析另一款RS 485收发器芯片的BPMU递归算法测试数据可得，本文的测试结果分布趋势集中，且测试稳定性良好。文中还加入了模拟实装电路测试和无 BPMU 递归算法的 ATE 机台测试方法作为对照，并对比了测试结果散点图，发现基于BPMU 递归算法的 ATE 系统测试结果分布趋势和稳定性相较上述两种测试方法更优。基于 BPMU 递归算法的RS 485总线电路差分端口ATE测试技术具有应用潜力，期待同类型的测试原理可推广到其他芯片的差分参数测试中。参考文献1 范辉.RS 485 总线与 CAN 总线应用比较J.上海电机学院学报，2005（5）：5456.2 JIANG Q,YUAN H,WANG Y,et al.Design and analyze of transientinduced latchup in RS485 transceiver with onchip TVS J.Microelectronics reliability,2015,55(3/4):637644.3 蔡晨曦，秦会斌.基于以太网的多仪器数据监控系统J.电子与封装，2015，15（6）：4448.4 郝铭，刘景泰，卢桂章.基于RS 485总线分布式智能控制系统的设计与实现J.自动化与仪表，2005，20（2）：2325.5 陈跃飞，樊利民.基于 RS 485总线的电子设备测控系统的设计J.电子技术，2008（1）：1518.6 连光耀，黄考利，郑思龙.远程分布式测控系统的RS 485总线通信J.兵工自动化，2004，23（3）：4041.7 陈建庆.RS 485 接口检测方法的设计J.电子技术与软件工程，2014（11）：136.8 陶知，陆晓峰，侯庆庆.基于ATE的CAN总线控制器测试J.电子元器件与信息技术，2021，5（8）：193194.9 刘珊珊，康锡娥.数字电路测试程序设计J.电子与封装，2013，13（6）：1012.10 李行善，于劲松.ATS（自动测试系统）及 ATE技术J.电子产品世界，2002（5）：3032.11 余永涛，王小强，余俊杰，等.基于 J750ExHD 的 32 位 MCU芯片在线测试技术J.电子与封装，2022，22（3）：3843.12 郑丽英.计算机算法设计与分析M.北京：中国铁道出版社，2009.13 余海龙，姬劳.RS 485收发器电路及其应用J.电子元器件应用，2003，5（8）：2.14 左森.RS 485 低功耗收发器 MAX485EJ.电子世界，2002（2）：41.15 HASSAN H A,MAJID Z A,IHSAN A,et al.Development and analysis of gage R&R for quality control through J750 tester EB/OL.20231113.https:/ 郭文加.RS 485收发器及组网中的有关问题J.电子技术应用，1998，24（1）：3.17 POLIAN I,BECKER B.Reducing ATE cost in systemonchip test C/International Conference on Very Large Scale Integration of SystemonChip.S.l.:s.n.,2003:337342.作者简介：杜晓冬（1995），男，江苏徐州人，硕士，工程师，主要研究方向为集成电路测试。杜晓冬，等：基于ATE的RS 485收发器差分端口BPMU递归算法163