93C56B耐久性试验方法研究

苏 琳，郎 猛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引 言

为了找到存储器件失效的临界点，需要进行成千次甚至上万次重复试验，通常的编程器不能以无人值守的方式自动完成任务，为此，研制一个专用实验平台显得十分必要。从可靠性、耐久性层面上考虑，93C56B这类EEPROM器件的多次重复性擦写是一个重要试验环节，即用频繁的电荷冲击办法，来检验存储单元的寿命，并以定量的方式来标定这一参数指标。结合实际应用环境和产品特性，为尽量减小工艺线上操作工人的工作强度、减少不必要的参数输入和显示输出，此处设计一款针对93C56B及类似型号的擦写器，以简便、易懂和易操作为基本特征，做到即插即用，实现多次重复性擦写试验，形成一种对同类器件的可靠性的测试手段。

2 擦写原理

耐久性是EEPROM等存储器件的一个重要指标。从可靠性维度上看，至少存在两个轴向，一个是数据的长期保持性，另一个是器件重复擦写的耐受性[1-4]。擦写过程采用互为反码的两种模式轮番写入，可实现最高频次的存储位翻转，并力求快速使其疲劳，达到检验其在电荷反复冲击下的承受能力；设计实施中，把55H和AAH作为固定使用模式，这组数据具有“0”和“1”间隔分布的特点，可容易发现因工艺缺陷造成的短路现象，比相邻同态的其他数据模式更有优势。

93C56B以串口命令字的方式完成对存储体的擦、读和写，在此层面之上，则是依据工作流程，完成擦除-写入-校验的每个循环操作，直至结束[5-7]。这个过程并非单键擦除、单键写入和单键校验的简单直接代入，而是擦除之后直接写入，省掉了查空操作，即省去对FFH数据模式的校验。相对于整片擦除和写入，校验是一个“读-比较”的过程，且针对每一存储单元操作，时间复杂度最高。这样在上万次循环擦写中，将节省大量时间。一旦有校验错误发生，则可通过单键功能检查和定位，以区分是擦或是写的问题。

3 93C56B逻辑结构

3.1 管脚定义

93C56B是一款通用型的8引脚器件，如图1所示。它与微控器89C51的串行通讯仅需4脚连接。各管脚的具体功能与连接方法如下：

图1 93C56B管脚图

CS：片选，连接至P2.0；

SK：串行时钟，连接至89C51的P0.0；

DO：串行数据输出，连接至89C51的P0.1；

DI：串行数据输入，连接至89C51的P0.2；

VCC：电源+5 V；

VSS：电源地；

ORG：接高为16位数据格式，接低为8位数据格式（本设计中应用ORG接低）；

NC：悬空。

3.2 命令字

93C56B的所有命令格式可归纳为表1。当写禁止（WDS）之后，必须执行写使能（WEN）命令才可开启编程操作，一般做法是在程序开头先无条件执行一次写使能命令。为了快速完成擦写任务，在实施中，擦除操作只用到整片擦（ERAL）命令，而非地址擦（ERA）命令；写入操作只用到整片写（WRALL）命令而非地址写（WRIT）命令；校验操作用到的则是读（READ）命令。命令字包括命令编码、地址和（或）数据，数据从DI端输入，输出数据从DO获得，每位对应一拍时钟，应和命令字长度相匹配。

表1 93C56B命令字

擦写器基于89C51进行设计。硬件上采用按键方式设置功能模式，通过串口与上位机进行通讯。上位机显示界面使用VB编写。

4 硬件设计

首先进行擦写次数的设定。S0、S1、S2、S3使用4位拨码开关用来设置，并以16进制编码规则决定要擦写的次数，单位为千次，连接89C51的P1.0～P1.3。可选择1至15千次的任一种，且具有存储保持特性。可满足不经常变化的试验设置要求，免除非必要的反复操作。

然后进行功能按键设置。K0、K1、K2、K3配置4个单键，连接89C51的P1.4～P1.7。不支持复合键，出现两位以上有效视为非法键值。

K0为运行键，键值1110B，按设定次数进行擦-写-校验轮次操作；K1为校验键，键值为1101B,具有三种通过模式，即55H、AAH、FFH，在任何一种模式中，有异于确定模式的数据出现，则视为错误，只有全域皆为一种模式数据，才视为正确；K2为写入键，键值为1011B，完成全地址的先擦除后写入操作，偶数次写入55H，奇数次写入AAH，可理解为通常意义上的单步操作；K3定义为擦除键，键值为0111B，先完成全地址空间的擦除操作，再进行校验操作。

最后设计器件选择开关。增加一个键S4，可循环选择其它同类型芯片，选择开关连接到89C51的P3.4引脚，开机默认选择93C56B。

按上述步骤完成设计，最终实现擦写器的硬件电路系统，实物图如图2所示。

图2 擦写器硬件电路图

5 软件设计

由底层子程序完成对器件的最基本操作，可供参考的资料繁多，为简明起见，在此只阐述软件设计过程中涉及的关键构成、功能和实现方法，后面论述中将直接引用程序标号。

5.1 擦除、写入与校验子程序

在进行单键试擦操作时，先执行整片擦除子程序EALL，再执行校验子程序VFF，既完成擦除任务，也完成查空操作，以检验和确定设备对器件的擦除效果及质量。这一做法与单键写及单键校验一样，都是技术负责人进行工艺检查的手段。

在轮次擦写过程中，为了提高效率和加快试验进程，擦除操作不同于单键擦除，而是省去了查空测试[8]。

在单键方式下，写入之前要执行单纯的擦除操作。这一步是必要的，而无须查空操作。一般情况下，单纯擦除操作即可实现百分之百擦除效果。

轮次擦写时，为了达到最高效率，将不采取按地址写（WRIT）的方式，而是采用整片写（WALL）的做法，偶数次写模式55H,奇数次写AAH，两种模式交替进行。

用READ命令格式读出每一地址的数据，与通常的编程器不同，校验只对有限的数据模式进行“读-比较”。针对三种数据模式，校验子程序可有三种存在形式，即：V55、VAA和VFF。

在单键操作时，有可能不清楚存储器内的数据形式，因此，以第一个存储单元的模式数据作为比较的起始标准，如不是模式数据，校验立即终止。

在轮次擦写操作时，将按前次写入的模式数据进行校验操作，模式数据为55H或AAH。

5.2 中断处理子程序

采用10 ms时钟中断处理按键输入。中断处理子程序将按照周期查询并读取键值，包括拨码开关等输入。

拨码开关被用来设定擦写次数。在耐久试验中，一个品种或一个批次，擦写次数一旦确定下来，就不会经常发生改变。在擦写器设计上，包括器件选择开关，依然允许其随意变化，并实时更新。

单键和一些开关，都是机械触点，在实际使用中会出现电气信号抖动，易产生误动作，需要进行避抖处理。一般经验是捕捉到按键之后，延迟50 ms再拾取，是公认比较稳妥的做法。

实施中采用中断滤波的方法，也收到很好的效果。在过程中会自然形成一个移动的窗口，涵盖若干个采样周期，仅当窗口中每个采样结果一致时，按键才起作用，有效避开抖动区。原理描述如下：

设KEY(n)为当前次键值采样按位取反的结果，逻辑“1”有效，式如：

其中，n为大于0的自然数。

每次中断都进行采样并按式(1)传递数据,使窗口前移。每次按式(2)进行按位与运算，KEY不为零，则识别为存在有效键按下，做出标记并退出中断。

主程序根据标记状态有效，去分析处理KEY的每一位键值，同时清除标记状态。KEY的值为“1”的位为对应的键有效，多位为“1”意味同时有多键按下，根据具体应用，可选择复合键或某一单键有效。

在实际使用中，n值取7，意味着捕捉时间窗口为70 ms。经实际操作，证明按键响应灵敏，无卡钝、蹦数情况。

5.3 显示界面

软件运行情况的信息，诸如擦写设定次数、当前次数和状态指示等，显示在液晶显示器的相关界面上。显示器以串口驱动为特征，连接至P3.0（RX）和P3.1（TX）端。显示界面包含内容如图3。

图3 显示界面

其中，“器件”项显示的是开关S4的状态，它决定着56B和66B的选择；

“次数”项中的数字，分子项为当前次数，初值为0，运行一个擦-写-校验轮次进行加1操作，直至等于分母项的设定值或出错停止，该设定值随S3～S0的变化而变，运行时锁死，高两位可设置，低3位固定为0；

“模式”项随着奇偶轮次55H和AAH交替发生变化，当单键擦除结果正确时，模式项由“-”改为“FF”，同时，“状态”项由“-”改为“OK"。反之，状态栏变为“ERR”,模式栏不变；单键校验通过时，模式栏将显示三种通过模式当中的一种，状态栏显示“OK”，反之，模式栏维持“-”，状态栏显示“ERR”。

6 结束语

研究为93C56B的耐久性试验提供了支持，本着简单、快捷和高效的目的，满足了实际生产需要。在总结以往使用经验和现有工艺特点的基础上，通过反复讨论研究，功能配置得以改进，操作方式也得到了简化。经过实际验证，表明该款装置易于理解，便于操作，交互界面相对友好，达到了设计预期。