功能测试基本概念与技术

尽管各种新技术层出不穷，如光学与X射线检查、基于飞针或针床的电性测试等，但功能测试依然是保证产品到最终应用环境立刻就能工作必不可少的手段。现代电子产品中内置自测(BIST)应用越来越多，这应该大力提倡，因为它可降低功能测试的成本，但也不能完全消除功能测试。如果应用的场合非常重要(如军事、航空、汽车、交通、医疗等领域)，或者最终产品的成本及复杂程度(如电信网络、发电站等)非常高，那么更需要保证产品自身以及与其它系统合在一起时工作正常，这时功能测试将是必须的。 什么是功能测试 功能测试涉及模拟、数字、存储器、RF和电源电路，通常要用不同的测试策略。测试包括大量实际重要功能通路及结构验证(确定没有硬件错误)，以弥补前面测试过程遗漏的部分。这需要将大量模拟/数字激励不断加到被测单元(UUT)上，同时监测同样多数量的模拟/数字响应，并完全控制其执行过程。 功能测试可在产品制造生命周期不同阶段实施，首先是工程开发阶段，在系统生产验证前确认新产品功能；然后在生产中也是必须的，作为整个流程的一部分，通过昂贵的系统测试降低缺陷发现成本(遗漏成本)；最后，在发货付运阶段也是不可缺少的，它可以减少在应用现场维修的费用，保证功能正常而不会被送回来。如果你经常坐飞机，而且也知道现代飞机里装有多少电子设备，那么你一定会感谢这最后工作所作的一切。 如上所述，功能测试是在最终系统测试或集成测试之前，可用于线路板或模块。如今高集成电子设备已将这些概念混淆，线路板和模块又都放在一个可更换模组中。虽然很多测试仪结构类似，但测试程序以及线路板和模块的运送过程却大不相同，而且测试地点也有很大影响，是在应用现场测试维修(前向测试)，还是在维修中心，或送回工厂是完全不同的。 功能测试有多种形式，这些形式在成本、时间、效果和维护性方面各有优缺点，我们将其分为下面四种基本类型，分别分析其特性。 1．模型测试系统 2．测试台 3．专用测试设备(STE) 4．自动测试设备(ATE) 模型测试系统 从理论上说检验一个设备(线路板或模块)功能最简单的方法就是把它放在和真的环境一样的模型系统或子系统中，然后看它工作是否正常。如果正常，我们可以有很大把握认为它是好的，如果不正常，技术人员将进行检测希望找出失效的原因以指导维修。但实际上，这种插入上电方式有很多缺点而且很少有效，虽然它有时可作为其它测试方案的补充。 首先，子系统的成本通常比传统测试平台要高，尤其是后者是通用设备可用于多种场合的时候。此外，模型环境下的子系统维护非常复杂、耗时且成本高。集中式维修中心很快就会被不断出现的模型子系统填满，而每个都需要特定的文件和培训、操作指导与维护。同时，仅仅将被测设备插在系统中还不够，还必须执行一系列正确的操作步骤以保证其工作正常，或检查它为什么不能正常工作。这些专门的测试步骤成本和复杂性都非常高，而且很耗时，在操作中还需要熟练的技术人员来执行。最后，即使进行了专门的改造，在系统上进行单元调试也很麻烦且不实际，操作流程控制上的局限性以及缺乏诊断工具很快使这种方法在经济上变得不可接受。 测试台 测试台是一个常规测试环境，包括与被测设备之间的激励/响应接口、专门测试规程规定的测试序列与控制。激励与响应通常由标准电源及实验仪器、专用开关、负载以及终端自定义电子设备(如数字激励)提供。在这里夹具是非常重要的一个部分，可提供到被测设备正确的信号路径和连通。在很多情况下，夹具基本上是针对每个应用而定制的，需要结合手工操作进行设置。测试过程和控制通常手动进行，有时靠PC协助，通过书面的协议或规程进行规定。测试台连接到具体的产品，优点是成本相对较低，设备比较简单，但在应对多种产品时灵活性较差，即使针对某一个产品当需要多个激励/响应时它也不够。测试台通常见于工程部门，因为那里有很多仪器可以很快组合起来，且手头也有相关资料，不用正规步骤。基本来讲，高性能产品测试台并不足以应对生产测试或发货阶段的测试。 专用测试设备(STE) 从理论上专用测试设备就是使测试台操作自动化的系统，系统的心脏通常是一台电脑，通过专用总线(采用IEEE、VXI、PXI或PCI标准)和一些可编程仪器进行控制。速度、性能、适用情况、成本及其它因素影响着仪器总线和结构的选择。各种仪器和通用设备堆叠在一个或多个垂直机箱里(基本型STE通常称为“机架系统”)，然后再连到被测设备上。连线与接通一般完全自动进行并由软件控制，不过这会使接收器的内部连接非常复杂，数字资源(信道)通常在一个专用机架上，然后由另外一个单独机架包含开关阵列对模拟仪器进行连接及分配。如果需要模拟/数字信道，夹具可以提供跳线，为使成本、空间和灵活性达到最优，通常还要专门针对具体的项目或程序进行设置，因此新的项目要设计新的STE。幸好有了自动化处理，设置时间、测试时间以及整体操作都比手工测试台更加快速而容易。生成测试程序虽然不会太简单，但所需文件将大大减少，STE可以扩展为满足多种性能需要，通常用于生产或维修中心。 STE也有缺点，最明显的是总体成本：设备投资成本、操作成本以及程序开发成本。设备投资成本包括平台的开发、材料、制造、测试、文件系统以及折旧，操作成本包括夹具成本、维护与备件成本、工具、间接材料与易耗品、人工以及管理开销，最后对每类设备测试程序开发与调试费用也要算在一起。 除非要重复制作大量STE，否则系统开发与文件制作的非经常性工程(NRE)费用将是成本主要部分。硬件结构必须适应产品标准，而这样对灵活性、体积、信号连通与接口都有不利的影响。打开STE的前盖你就会对系统信号源及接收器之间的线路数量与复杂性感到惊奇，夹具也非常复杂，如果是包括数十个模块用于整个项目的夹具其成本会迅速占到主要部分。有些STE需要的测试源可能很难在市面上找到，一方面可能很少另外也可能太贵，例如在需要大量数字激励/响应信道时就会出现这种情况。在可接受成本范围内(每通道10到100欧元)性能和灵活性方面的选择可能非常少，性能也有能达到要求的但成本要1,000欧元每通道。如果在硬件上进行折衷，成本将转向软件开发，测试工程师必须面对STE在性能上的局限。测试开发成本不仅因为STE性能不够而增加，由于缺乏用于测试的语言(在测试仪上用C编程可不是一件有趣的事)、用户接口以及调试工具受限等等，简单软件结构对测试开发时间和成本都有不利的影响。 不过STE很常见，尤其是对特定程序如模块测试，但也应该仔细研究ATE带来的其它方案，尤其是那些具有开放架构优点可能改变这一趋势的系统，内部测试资源更应该专用于生成测试方案，和设计专门测试平台相比这些资源具有更为独特的技能与知识。 自动测试设备(ATE) 通用自动测试设备(GPATE，或简称为ATE)是一种非常先进灵活的方案，可以满足多种产品与程序测试要求，从最初出现迄今已有三十多年历史。当微型计算机控制的仪器出现以后，ATE的结构设计为直接针对测试需要，系统集成、信号连通灵活性、增值软硬件、面向测试的语言、图形用户界面等是ATE，比如SEICA()的VALIDS40功能测试平台，和STE之间的主要区别。 泰瑞达公司创始人Alexd’Arbeloff在2002年10月国际测试大会的主题演讲中，对广泛采用开放架构趋势提出批评，认为它只是简单将不同模块加在一起然后用于所有测试提供商的标准机架上。他说：“这种方法对ATE业界没有什么好处，测试设备用户所得到的只是来自于ATE供应商提供的系统集成，否则用户就得自己做或者要另外付费。”实际上，基于专用技术硬软件架构同时也通过向第三方仪器供应商与标准开放，这种满足开放架构的优点将很可能成为厂商最佳选择。 让我们仔细看一看现代ATE的架构并探讨其优点。 功能测试ATE是一种商用系统，有很多公司都提供这类设备，虽然它和普通设备如在线测试仪或MDA不一样。功能测试更为复杂，需要有实力的供应商的经验和认真投入。可以在市场上购买(有时又称为COTS)有很多优点，它使ATE能充分利用供应商多年的经验以及NRE投资，这对于ATE供应商提供创新新技术同时又保持现有特性特别有意义。它对军事/航空产品非常重要，因为这类产品具有较长生命周期，且有很多新旧产品并存同时都要不断进行测试，比如ATE经过改进可以为低电平器件进行可重复测试，但同时旧的CMOS电平测试仍然需要提供。另一个例子与用于诊断的指引探测技术有关，该技术几乎不能用于某些新封装技术，但你是否会买一个不带这种功能的测试仪呢？ 用于并行测试的数字通道是ATE主要部分之一，通常使用专用结构，因为它专门设计用于满足各种测试要求，速度、控制性能、数据深度、整个时序范围灵活性、宽电压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统满足每个人的测试需求。串行数字测试带有大量协议，通常由集成到系统内部的专门仪器提供，IEEE1194.2或JTAG/边界扫描测试技术也是同样情况，可以完整集成到综合测试环境中。 与STE结构类似，ATE系统结构中集成了很多商用仪器以提供模拟测试功能。这里需要澄清什么叫“集成”。驱动仪器最简单的方法是通过在计算机与仪器之间建立一个双向通信很容易地实现，使用户可以与其进行交流，但这并不是“集成”，只是一个简单的接口。这种方式下通过交换字符串或调用C程序对仪器编程，使得任务冗长而复杂，同时程序文件编制、程序改变或调试操作都需要技巧与耐心，此外如果仪器已经陈旧需要更换，那么所有程序都需要纠正，通常STE上用户使用仪器就是采用这种方式。 仪器集成还包括仪器层之间的通信，但用更高层指令保护编程与调试，以避免上面的所有问题，例如对任意DMM编程进行电压测量可用如下简单语句： MEASUREVatPINACK1 TEST(4.9VMIN,5.1VMAX); 软件驱动器可以给ATE提供仪器与附加接口层，语言则保证仪器集成的有效性，系统控制管理DMM和UUT上ACK1引脚之间的连接。 如果因为仪器陈旧改变DMM，只需要一个新的驱动软件和协议层，所有测试程序均保持不变。 除了仪器全面集成带来的优点之外，ATE还能为信号路由和连接提供更好方案。ATE专用背板大多数情况下包括一个模拟总线，可以让仪器直接连到任何引脚，而不会使内外引线变得复杂。这种灵活性通常可扩展到将模拟和数字通道合在一起(混合通道)，使用户在任何时候连接数字或模拟激励，并测量接收器任意引脚。其结果是不仅使成本大大简化降低，同时测试程序也更易于实现。 ATE的模块化设计可使其通用特性在不同项目间完全得到表现，即相同的系统、相同的软件、相同的培训与文件系统，以及相同的操作。 不管是开发、生产还是运送测试，ATE都可以作为整个流程的一部分，其本身也有一个结构化流程以便达到最佳使用效果。测试程序编制还包括链接到CAE数据库，程序编制不管是人工还是用模拟驱动，通常都有很好的结构可连接到外部程序资源、并行测试生成部分、图形编程、无缝修正、文件自生成以及和调试等的全面链接。调试与运行功能包括失效停止、循环、条件分支、实时改变、模拟与数字内部探测，及所有可以简化程序员与操作员工作的功能。 简而言之，ATE和所有其它系统一样，并不仅仅是部件的简单相加。

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