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(xué)與X射線(xiàn)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)品到最終應用環(huán)境立刻就能工作必不可少的手段?，F代電子產(chǎn)品中內置自測(BIST)應用越來(lái)越多，這應該大力提倡，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。如果應用的場(chǎng)合非常重要(如軍事、航空、汽車(chē)、交通、醫療等領(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合在一起時(shí)工作正常，這時(shí)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(shí)際重要功能通路及結構驗證(確定沒(méi)有硬件錯誤)，以彌補前面測試過(guò)程遺漏的部分。這需要將大量模擬/數字激勵不斷加到被測單元(UUT)上，同時(shí)監測同樣多數量的模擬/數字響應，并完全控制其執行過(guò)程。

　　功能測試可在產(chǎn)品制造生命周期不同階段實(shí)施，首先是工程開(kāi)發(fā)階段，在系統生產(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(gè)流程的一部分，通過(guò)昂貴的系統測試降低缺陷發(fā)現成本(遺漏成本)；最后，在發(fā)貨付運階段也是不可缺少的，它可以減少在應用現場(chǎng)維修的費用，保證功能正常而不會(huì )被送回來(lái)。如果你經(jīng)常坐飛機，而且也知道現代飛機里裝有多少電子設備，那么你一定會(huì )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測試或集成測試之前，可用于線(xiàn)路板或模塊。如今高集成電子設備已將這些概念混淆，線(xiàn)路板和模塊又都放在一個(gè)可更換模組中。雖然很多測試儀結構類(lèi)似，但測試程序以及線(xiàn)路板和模塊的運送過(guò)程卻大不相同，而且測試地點(diǎn)也有很大影響，是在應用現場(chǎng)測試維修(前向測試)，還是在維修中心，或送回工廠(chǎng)是完全不同的。

　　功能測試有多種形式，這些形式在成本、時(shí)間、效果和維護性方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們將其分為下面四種基本類(lèi)型，分別分析其特性。

　　1．模型測試系統

　　2．測試臺

　　3．專(zhuān)用測試設備(STE)

　　4．自動(dòng)測試設備(ATE)

模型測試系統　　

　　從理論上說(shuō)檢驗一個(gè)設備(線(xiàn)路板或模塊)功能最簡(jiǎn)單的方法就是把它放在和真的環(huán)境一樣的模型系統或子系統中，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(jìn)行檢測希望找出失效的原因以指導維修。但實(shí)際上，這種插入上電方式有很多缺點(diǎn)而且很少有效，雖然它有時(shí)可作為其它測試方案的補充。

　　首先，子系統的成本通常比傳統測試平臺要高，尤其是后者是通用設備可用于多種場(chǎng)合的時(shí)候。此外，模型環(huán)境下的子系統維護非常復雜、耗時(shí)且成本高。集中式維修中心很快就會(huì )被不斷出現的模型子系統填滿(mǎn)，而每個(gè)都需要特定的文件和培訓、操作指導與維護。同時(shí)，僅僅將被測設備插在系統中還不夠，還必須執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(zhuān)門(mén)的測試步驟成本和復雜性都非常高，而且很耗時(shí)，在操作中還需要熟練的技術(shù)人員來(lái)執行。最后，即使進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的改造，在系統上進(jìn)行單元調試也很麻煩且不實(shí)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(gè)常規測試環(huán)境，包括與被測設備之間的激勵/響應接口、專(zhuān)門(mén)測試規程規定的測試序列與控制。激勵與響應通常由標準電源及實(shí)驗儀器、專(zhuān)用開(kāi)關(guān)、負載以及終端自定義電子設備(如數字激勵)提供。在這里夾具是非常重要的一個(gè)部分，可提供到被測設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(gè)應用而定制的，需要結合手工操作進(jìn)行設置。測試過(guò)程和控制通常手動(dòng)進(jìn)行，有時(shí)靠PC協(xié)助，通過(guò)書(shū)面的協(xié)議或規程進(jìn)行規定。測試臺連接到具體的產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)是成本相對較低，設備比較簡(jiǎn)單，但在應對多種產(chǎn)品時(shí)靈活性較差，即使針對某一個(gè)產(chǎn)品當需要多個(gè)激勵/響應時(shí)它也不夠。測試臺通常見(jiàn)于工程部門(mén)，因為那里有很多儀器可以很快組合起來(lái)，且手頭也有相關(guān)資料，不用正規步驟?；緛?lái)講，高性能產(chǎn)品測試臺并不足以應對生產(chǎn)測試或發(fā)貨階段的測試。

專(zhuān)用測試設備(STE)　　

　　從理論上專(zhuān)用測試設備就是使測試臺操作自動(dòng)化的系統，系統的心臟通常是一臺電腦，通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)(采用IEEE、VXI、PXI或PCI標準)和一些可編程儀器進(jìn)行控制。速度、性能、適用情況、成本及其它因素影響著(zhù)儀器總線(xiàn)和結構的選擇。各種儀器和通用設備堆疊在一個(gè)或多個(gè)垂直機箱里(基本型STE通常稱(chēng)為“機架系統”)，然后再連到被測設備上。連線(xiàn)與接通一般完全自動(dòng)進(jìn)行并由軟件控制，不過(guò)這會(huì )使接收器的內部連接非常復雜，數字資源(信道)通常在一個(gè)專(zhuān)用機架上，然后由另外一個(gè)單獨機架包含開(kāi)關(guān)陣列對模擬儀器進(jìn)行連接及分配。如果需要模擬/數字信道，夾具可以提供跳線(xiàn)，為使成本、空間和靈活性達到最優(yōu)，通常還要專(zhuān)門(mén)針對具體的項目或程序進(jìn)行設置，因此新的項目要設計新的STE。幸好有了自動(dòng)化處理，設置時(shí)間、測試時(shí)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(huì )太簡(jiǎn)單，但所需文件將大大減少，STE可以擴展為滿(mǎn)足多種性能需要，通常用于生產(chǎn)或維修中心。

　　STE也有缺點(diǎn)，最明顯的是總體成本：設備投資成本、操作成本以及程序開(kāi)發(fā)成本。設備投資成本包括平臺的開(kāi)發(fā)、材料、制造、測試、文件系統以及折舊，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(kāi)銷(xiāo)，最后對每類(lèi)設備測試程序開(kāi)發(fā)與調試費用也要算在一起。

　　除非要重復制作大量STE，否則系統開(kāi)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。硬件結構必須適應產(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(kāi)STE的前蓋你就會(huì )對系統信號源及接收器之間的線(xiàn)路數量與復雜性感到驚奇，夾具也非常復雜，如果是包括數十個(gè)模塊用于整個(gè)項目的夾具其成本會(huì )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，例如在需要大量數字激勵/響應信道時(shí)就會(huì )出現這種情況。在可接受成本范圍內(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(jìn)行折衷，成本將轉向軟件開(kāi)發(fā)，測試工程師必須面對STE在性能上的局限。測試開(kāi)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(yǔ)言(在測試儀上用C編程可不是一件有趣的事)、用戶(hù)接口以及調試工具受限等等，簡(jiǎn)單軟件結構對測試開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本都有不利的影響。

　　不過(guò)STE很常見(jiàn)，尤其是對特定程序如模塊測試，但也應該仔細研究ATE帶來(lái)的其它方案，尤其是那些具有開(kāi)放架構優(yōu)點(diǎn)可能改變這一趨勢的系統，內部測試資源更應該專(zhuān)用于生成測試方案，和設計專(zhuān)門(mén)測試平臺相比這些資源具有更為獨特的技能與知識。

自動(dòng)測試設備(ATE)　　

　　通用自動(dòng)測試設備(GPATE，或簡(jiǎn)稱(chēng)為ATE)是一種非常先進(jìn)靈活的方案，可以滿(mǎn)足多種產(chǎn)品與程序測試要求，從最初出現迄今已有三十多年歷史。當微型計算機控制的儀器出現以后，ATE的結構設計為直接針對測試需要，系統集成、信號連通靈活性、增值軟硬件、面向測試的語(yǔ)言、圖形用戶(hù)界面等是ATE，比如SEICA(www.seica.com)的VALID S40功能測試平臺，和STE之間的主要區別。

　　泰瑞達公司創(chuàng )始人Alex d’Arbeloff在2002年10月國際測試大會(huì )的主題演講中，對廣泛采用開(kāi)放架構趨勢提出批評，認為它只是簡(jiǎn)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(shuō)：“這種方法對ATE業(yè)界沒(méi)有什么好處，測試設備用戶(hù)所得到的只是來(lái)自于A(yíng)TE供應商提供的系統集成，否則用戶(hù)就得自己做或者要另外付費?！睂?shí)際上，基于專(zhuān)用技術(shù)硬軟件架構同時(shí)也通過(guò)向第三方儀器供應商與標準開(kāi)放，這種滿(mǎn)足開(kāi)放架構的優(yōu)點(diǎn)將很可能成為廠(chǎng)商最佳選擇。

　　讓我們仔細看一看現代ATE的架構并探討其優(yōu)點(diǎn)。

　　功能測試ATE是一種商用系統，有很多公司都提供這類(lèi)設備，雖然它和普通設備如在線(xiàn)測試儀或MDA不一樣。功能測試更為復雜，需要有實(shí)力的供應商的經(jīng)驗和認真投入?？梢栽谑袌?chǎng)上購買(mǎi)(有時(shí)又稱(chēng)為COTS)有很多優(yōu)點(diǎn)，它使ATE能充分利用供應商多年的經(jīng)驗以及NRE投資，這對于A(yíng)TE供應商提供創(chuàng )新新技術(shù)同時(shí)又保持現有特性特別有意義。它對軍事/航空產(chǎn)品非常重要，因為這類(lèi)產(chǎn)品具有較長(cháng)生命周期，且有很多新舊產(chǎn)品并存同時(shí)都要不斷進(jìn)行測試，比如ATE經(jīng)過(guò)改進(jìn)可以為低電平器件進(jìn)行可重復測試，但同時(shí)舊的CMOS電平測試仍然需要提供。另一個(gè)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(huì )買(mǎi)一個(gè)不帶這種功能的測試儀呢？

　　用于并行測試的數字通道是ATE主要部分之一，通常使用專(zhuān)用結構，因為它專(zhuān)門(mén)設計用于滿(mǎn)足各種測試要求，速度、控制性能、數據深度、整個(gè)時(shí)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滿(mǎn)足每個(gè)人的測試需求。串行數字測試帶有大量協(xié)議，通常由集成到系統內部的專(zhuān)門(mén)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結構類(lèi)似，ATE系統結構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”。驅動(dòng)儀器最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)在計算機與儀器之間建立一個(gè)雙向通信很容易地實(shí)現，使用戶(hù)可以與其進(jìn)行交流，但這并不是“集成”，只是一個(gè)簡(jiǎn)單的接口。這種方式下通過(guò)交換字符串或調用C程序對儀器編程，使得任務(wù)冗長(cháng)而復雜，同時(shí)程序文件編制、程序改變或調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(hù)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試，以避免上面的所有問(wèn)題，例如對任意DMM編程進(jìn)行電壓測量可用如下簡(jiǎn)單語(yǔ)句：

    MEASURE V at PIN ACK1

    TEST (4.9V MIN, 5.1V MAX);

　　軟件驅動(dòng)器可以給ATE提供儀器與附加接口層，語(yǔ)言則保證儀器集成的有效性，系統控制管理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(gè)新的驅動(dòng)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(lái)的優(yōu)點(diǎn)之外，ATE還能為信號路由和連接提供更好方案。ATE專(zhuān)用背板大多數情況下包括一個(gè)模擬總線(xiàn)，可以讓儀器直接連到任何引腳，而不會(huì )使內外引線(xiàn)變得復雜。這種靈活性通?？蓴U展到將模擬和數字通道合在一起(混合通道)，使用戶(hù)在任何時(shí)候連接數字或模擬激勵，并測量接收器任意引腳。其結果是不僅使成本大大簡(jiǎn)化降低，同時(shí)測試程序也更易于實(shí)現。

　　ATE的模塊化設計可使其通用特性在不同項目間完全得到表現，即相同的系統、相同的軟件、相同的培訓與文件系統，以及相同的操作。

　　不管是開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)還是運送測試，ATE都可以作為整個(gè)流程的一部分，其本身也有一個(gè)結構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數據庫，程序編制不管是人工還是用模擬驅動(dòng)，通常都有很好的結構可連接到外部程序資源、并行測試生成部分、圖形編程、無(wú)縫修正、文件自生成以及和調試等的全面鏈接。調試與運行功能包括失效停止、循環(huán)、條件分支、實(shí)時(shí)改變、模擬與數字內部探測，及所有可以簡(jiǎn)化程序員與操作員工作的功能。

　　簡(jiǎn)而言之，ATE和所有其它系統一樣，并不僅僅是部件的簡(jiǎn)單相加。