飞针测试仪通讯控制优化
2014-07-04刘国敬
左 宁，吕 磊，刘国敬
(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)
卧式飞针测试系统（如图1 所示）为双面电子芯片检测设备，该设备通过软件控制可以对混合电路板、LTCC 基板、PCB 板的各网络间的开路、短路、绝缘以及电容进行测试，是电子芯片制造流水线上不可或缺的重要检测设备。
在检测设备上，飞针测试系统使用了一台精密电阻测试仪、一台高压测试仪和一台电容测试仪（如图2 所示）。其中精密电阻测试仪用来对待测芯片各焊盘间的开路网络进行测试，是一种高 精度宽量程、采用高性能微处理器控制的电阻测试仪。它可以量测0.1 Ω～110 MΩ 的电阻，最大显示105 000 数。最高测试速度可达167 次/s，基本准确度可达0.01%。它的宽范围测试可以适应不同要求的测试。高压绝缘测试仪用来测试网络间的短路错误，是一种采用高性能微处理器控制的绝缘电阻测试仪。电容测试仪测量待测芯片上两焊盘点间的电容大小以快速判断一片待测板的优劣。
图1 双面卧式飞针测试系统
图2 测试仪部件
飞针测试系统的整体测试效率中测试仪的工作效率无疑是最重要的一部分，在优化调整运动机构等其它影响测试速度的因素后，重点研究测试仪的控制方式并对其进行优化就尤为重要。测试精度和测试周期为飞针测试系统设备优劣的重要考核标准，本文通过对测试仪控制方式的深入研究，在软件控制方式上缩短了主机与测试仪的通信时延，缩短了飞针测试系统的测试周期，提高了测试效率。
1 测试仪通讯与控制方式
在飞针测试系统的主程序测试仪控制部分，采用了串口（RS-232）通讯的方式，RS-232 是目前广泛采用的串行通讯标准，也称为异步串行通讯标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS 为“RecommendedStandard”（推荐标准）的英文缩写，232 是标准号，该标准是美国电子工业协会(EIA)1969年正式公布的标准，它规定每次一位地经一条数据线传送。
1.1 串口指令控制方式
我们在编程控制测试仪方面首先尝试了完全使用串口通信，通过串口，计算机给测试仪发送相应指令，测试仪收到后进行相应响应并且把响应结果暂存在测试仪内部的缓存区中，最后再通过发送取结果指令来读取测试仪缓存区内的数据。我们将测试仪连接一块多串口扩展卡上，设置好端口相应匹配的波特率后。运行初始化代码使之与工控机建立通信。此时就可以使用向串口发指令的方式来设置和控制测试仪。图3 为串口通讯方式控制精密电阻测试仪进行测试。
图3 串口指令控制方式程序示意
1.2 外部触发控制方式
我们将I/O 控制卡上的输入输出口接在测试仪的Handler（处理机）接口上（如图4），此接口用于将比较器信号输出和外触发信号输入，其接线端子如图5。
表1 和表2 分别为外部控制信号输入端和外部输出信号端各端子序号含义说明。
图4 Handler 接口连接方式示意
图5 Handler 接口接线端子示意
表1 外部控制信号输入端
表2 外部输出信号端
通过I/O 控制测试仪发送启测信号和接收测试完成（EOC）信号分别用到了外部控制信号输入端中序号5 的端子和外部输出信号端中序号26的端子。
为了分析外部触发控制方式中主机与测试仪之间通讯的时序问题，将示波器上两个不同的通道接到测试触发端和EOC 信号完成端的I/O 点上对触发起测过程进行监控（如图5 所示）。
图6 示波器连接示意
接好后，编程使用外部触发方式控制精密电阻测试仪执行测试（函数运动为发一次起测指令并等待收到EOC 信号后向串口发送取测试结果指令，取得结果并将结果返回，如图7 所示）。
图7 外部I/O 触发控制方式程序示意
通过观察示波器黄色和蓝色所对应的不同通道示意（如图8），可以看出测试仪接收到一个5 V的下降沿（高电平转低电平）信号3.6 ms 后开始进行测试，并在输出口将EOC 信号置高，在程序中反复读取EOC 信号直到接收到一个下降沿信号，此时此次触发的测试已完成，通过给串口发送取测试结果指令FETCH，就将测试结果通过串口读出。
图8 示波器显示外部触发信号
分析示波器监视到的完整EOC 信号电平（如图9），可以得出测试仪的一次测试时间为4.3 ms左右，如果纯通过串口控制的话，在串口通信上耗费的延时实际上是远超过这个值的，读写串口占用时间普遍都在100 ms 以上，而通过I/O 口发送外部触发指令几乎是没有时延的。这种方式下，从发送启测信号到接收到EOC 信号完成测试仅仅用了6.1ms 左右的时间。
图9 示波器监视到完整EOC 信号电平
2 测试数据分析以及优化方案
通过编程记录函数执行时间，将串口方式控制测试仪进行测试和外部I/O 触发方式在测试效率方面进行对比，见表3、表4。
表3 精密电阻测试仪两种测试效率对比
表4 高压测试仪两种测试效率对比
由于精密电阻测试仪在测试中存在一个由4.9 Ω 左右的线阻影响带来的测试误差，所以其测试取得的测试结果数值有一些波动，在将测试结果取值进行修正后，此误差是在可以接受的范围之内。
为了防止高压绝缘测试仪在高压测试时发生短路打火现象，我们将测试仪和一个20.8 MΩ 的电阻串联，经过分析，高压绝缘测试仪在串口控制和EOT 方式控制下所测试的结果都是相当准确的。
经过数据分析和反复试验得出，通过串口发送指令控制测试仪进行测试从指令发出到接受到测试数据，其间串口通信占用的时间就有80～120 ms，整个一个测试周期占用的时间几乎是外部触发方式的1 倍，依此得出的优化方案为控制测试仪进行测试以及高压测试仪充放电采用外部触发的方式，对测试仪设置测试电压，电阻比较值等功能性设置继续使用串口通信发指令的方式。
3 结束语
提高飞针测试系统的整体测试效率，测试仪是其中非常关键的核心部分，在优化调整电机运行速度、软件控制稳定性等各项工作之后真正能够大幅度提高测试速度、精度的就是对测试仪测试方式的优化。作为飞针设备研发人员，深刻理解测试仪测试原理、测试时序、各项功能以及相关控制方式是发掘出一台测试仪最大潜能的前提。其中不仅需要查阅专业的测试仪相关资料，而且要做大量的实验反复论证。
[1] 测试仪随机文档.AT512 用户手册RevD1[Z].
[2] 测试仪随机文档.AT682 683 说明书RevD4[Z].
[3] 杨晓鹏，Visual C++ 7.0 实用编程技术[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 吕磊，刘国敬，左宁. DWG 格式的飞针测试文件转换.电子工业专用设备，2014，43(6)：37-42.
