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(yīng)用環(huán)境立刻就能工作必不可少的手段?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品中內(nèi)置自測(BIST)應(yīng)用越來越多，這應(yīng)該大力提倡，因?yàn)樗山档凸δ?em>測試的成本，但也不能完全消除功能測試。如果應(yīng)用的場合非常重要(如軍事、航空、汽車、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域)，或者最終產(chǎn)品的成本及復(fù)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(tǒng)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(shù)字、存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)驗(yàn)證(確定沒有硬件錯(cuò)誤)，以彌補(bǔ)前面測試過程遺漏的部分。這需要將大量模擬/數(shù)字激勵(lì)不斷加到被測單元(UUT)上，同時(shí)監(jiān)測同樣多數(shù)量的模擬/數(shù)字響應(yīng)，并完全控制其執(zhí)行過程。 　　功能測試可在產(chǎn)品制造生命周期不同階段實(shí)施，首先是工程開發(fā)階段，在系統(tǒng)生產(chǎn)驗(yàn)證前確認(rèn)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，通過昂貴的系統(tǒng)測試降低缺陷發(fā)現(xiàn)成本(遺漏成本)；最后，在發(fā)貨付運(yùn)階段也是不可缺少的，它可以減少在應(yīng)用現(xiàn)場維修的費(fèi)用，保證功能正常而不會(huì)被送回來。如果你經(jīng)常坐飛機(jī)，而且也知道現(xiàn)代飛機(jī)里裝有多少電子設(shè)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(tǒng)測試或集成測試之前，可用于線路板或模塊。如今高集成電子設(shè)備已將這些概念混淆，線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(jié)構(gòu)類似，但測試程序以及線路板和模塊的運(yùn)送過程卻大不相同，而且測試地點(diǎn)也有很大影響，是在應(yīng)用現(xiàn)場測試維修(前向測試)，還是在維修中心，或送回工廠是完全不同的。 　　功能測試有多種形式，這些形式在成本、時(shí)間、效果和維護(hù)性方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們將其分為下面四種基本類型，分別分析其特性。 　　1．模型測試系統(tǒng) 　　2．測試臺(tái) 　　3．專用測試設(shè)備(STE) 　　4．自動(dòng)測試設(shè)備(ATE) 模型測試系統(tǒng)　　 　　從理論上說檢驗(yàn)一個(gè)設(shè)備(線路板或模塊)功能最簡單的方法就是把它放在和真的環(huán)境一樣的模型系統(tǒng)或子系統(tǒng)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(rèn)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(dǎo)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(bǔ)充。 　　首先，子系統(tǒng)的成本通常比傳統(tǒng)測試平臺(tái)要高，尤其是后者是通用設(shè)備可用于多種場合的時(shí)候。此外，模型環(huán)境下的子系統(tǒng)維護(hù)非常復(fù)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(xiàn)的模型子系統(tǒng)填滿，而每個(gè)都需要特定的文件和培訓(xùn)、操作指導(dǎo)與維護(hù)。同時(shí)，僅僅將被測設(shè)備插在系統(tǒng)中還不夠，還必須執(zhí)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。這些專門的測試步驟成本和復(fù)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)人員來執(zhí)行。最后，即使進(jìn)行了專門的改造，在系統(tǒng)上進(jìn)行單元調(diào)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(jì)上變得不可接受。 測試臺(tái)　　 　　測試臺(tái)是一個(gè)常規(guī)測試環(huán)境，包括與被測設(shè)備之間的激勵(lì)/響應(yīng)接口、專門測試規(guī)程規(guī)定的測試序列與控制。激勵(lì)與響應(yīng)通常由標(biāo)準(zhǔn)電源及實(shí)驗(yàn)儀器、專用開關(guān)、負(fù)載以及終端自定義電子設(shè)備(如數(shù)字激勵(lì))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(shè)備正確的信號(hào)路徑和連通。在很多情況下，夾具基本上是針對(duì)每個(gè)應(yīng)用而定制的，需要結(jié)合手工操作進(jìn)行設(shè)置。測試過程和控制通常手動(dòng)進(jìn)行，有時(shí)靠PC協(xié)助，通過書面的協(xié)議或規(guī)程進(jìn)行規(guī)定。測試臺(tái)連接到具體的產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)較低，設(shè)備比較簡單，但在應(yīng)對(duì)多種產(chǎn)品時(shí)靈活性較差，即使針對(duì)某一個(gè)產(chǎn)品當(dāng)需要多個(gè)激勵(lì)/響應(yīng)時(shí)它也不夠。測試臺(tái)通常見于工程部門，因?yàn)槟抢镉泻芏鄡x器可以很快組合起來，且手頭也有相關(guān)資料，不用正規(guī)步驟?；緛碇v，高性能產(chǎn)品測試臺(tái)并不足以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)測試或發(fā)貨階段的測試。 專用測試設(shè)備(STE)　　 　　從理論上專用測試設(shè)備就是使測試臺(tái)操作自動(dòng)化的系統(tǒng)，系統(tǒng)的心臟通常是一臺(tái)電腦，通過專用總線(采用IEEE、VXI、PXI或PCI標(biāo)準(zhǔn))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儀器總線和結(jié)構(gòu)的選擇。各種儀器和通用設(shè)備堆疊在一個(gè)或多個(gè)垂直機(jī)箱里(基本型STE通常稱為“機(jī)架系統(tǒng)”)，然后再連到被測設(shè)備上。連線與接通一般完全自動(dòng)進(jìn)行并由軟件控制，不過這會(huì)使接收器的內(nèi)部連接非常復(fù)雜，數(shù)字資源(信道)通常在一個(gè)專用機(jī)架上，然后由另外一個(gè)單獨(dú)機(jī)架包含開關(guān)陣列對(duì)模擬儀器進(jìn)行連接及分配。如果需要模擬/數(shù)字信道，夾具可以提供跳線，為使成本、空間和靈活性達(dá)到最優(yōu)，通常還要專門針對(duì)具體的項(xiàng)目或程序進(jìn)行設(shè)置，因此新的項(xiàng)目要設(shè)計(jì)新的STE。幸好有了自動(dòng)化處理，設(shè)置時(shí)間、測試時(shí)間以及整體操作都比手工測試臺(tái)更加快速而容易。生成測試程序雖然不會(huì)太簡單，但所需文件將大大減少，STE可以擴(kuò)展為滿足多種性能需要，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(shè)備投資成本、操作成本以及程序開發(fā)成本。設(shè)備投資成本包括平臺(tái)的開發(fā)、材料、制造、測試、文件系統(tǒng)以及折舊，操作成本包括夾具成本、維護(hù)與備件成本、工具、間接材料與易耗品、人工以及管理開銷，最后對(duì)每類設(shè)備測試程序開發(fā)與調(diào)試費(fèi)用也要算在一起。 　　除非要重復(fù)制作大量STE，否則系統(tǒng)開發(fā)與文件制作的非經(jīng)常性工程(NRE)費(fèi)用將是成本主要部分。硬件結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而這樣對(duì)靈活性、體積、信號(hào)連通與接口都有不利的影響。打開STE的前蓋你就會(huì)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)源及接收器之間的線路數(shù)量與復(fù)雜性感到驚奇，夾具也非常復(fù)雜，如果是包括數(shù)十個(gè)模塊用于整個(gè)項(xiàng)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(shù)字激勵(lì)/響應(yīng)信道時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。在可接受成本范圍內(nèi)(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(dá)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(zhuǎn)向軟件開發(fā)，測試工程師必須面對(duì)STE在性能上的局限。測試開發(fā)成本不僅因?yàn)镾TE性能不夠而增加，由于缺乏用于測試的語言(在測試儀上用C編程可不是一件有趣的事)、用戶接口以及調(diào)試工具受限等等，簡單軟件結(jié)構(gòu)對(duì)測試開發(fā)時(shí)間和成本都有不利的影響。 　　不過STE很常見，尤其是對(duì)特定程序如模塊測試，但也應(yīng)該仔細(xì)研究ATE帶來的其它方案，尤其是那些具有開放架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)可能改變這一趨勢的系統(tǒng)，內(nèi)部測試資源更應(yīng)該專用于生成測試方案，和設(shè)計(jì)專門測試平臺(tái)相比這些資源具有更為獨(dú)特的技能與知識(shí)。 自動(dòng)測試設(shè)備(ATE)　　 　　通用自動(dòng)測試設(shè)備(GPATE，或簡稱為ATE)是一種非常先進(jìn)靈活的方案，可以滿足多種產(chǎn)品與程序測試要求，從最初出現(xiàn)迄今已有三十多年歷史。當(dāng)微型計(jì)算機(jī)控制的儀器出現(xiàn)以后，ATE的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為直接針對(duì)測試需要，系統(tǒng)集成、信號(hào)連通靈活性、增值軟硬件、面向測試的語言、圖形用戶界面等是ATE，比如SEICA(www.seica.com)的VALID S40功能測試平臺(tái)，和STE之間的主要區(qū)別。 　　泰瑞達(dá)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(duì)廣泛采用開放架構(gòu)趨勢提出批評(píng)，認(rèn)為它只是簡單將不同模塊加在一起然后用于所有測試提供商的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架上。他說：“這種方法對(duì)ATE業(yè)界沒有什么好處，測試設(shè)備用戶所得到的只是來自于ATE供應(yīng)商提供的系統(tǒng)集成，否則用戶就得自己做或者要另外付費(fèi)?！睂?shí)際上，基于專用技術(shù)硬軟件架構(gòu)同時(shí)也通過向第三方儀器供應(yīng)商與標(biāo)準(zhǔn)開放，這種滿足開放架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)將很可能成為廠商最佳選擇。 　　讓我們仔細(xì)看一看現(xiàn)代ATE的架構(gòu)并探討其優(yōu)點(diǎn)。 　　功能測試ATE是一種商用系統(tǒng)，有很多公司都提供這類設(shè)備，雖然它和普通設(shè)備如在線測試儀或MDA不一樣。功能測試更為復(fù)雜，需要有實(shí)力的供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)真投入。可以在市場上購買(有時(shí)又稱為COTS)有很多優(yōu)點(diǎn)，它使ATE能充分利用供應(yīng)商多年的經(jīng)驗(yàn)以及NRE投資，這對(duì)于ATE供應(yīng)商提供創(chuàng)新新技術(shù)同時(shí)又保持現(xiàn)有特性特別有意義。它對(duì)軍事/航空產(chǎn)品非常重要，因?yàn)檫@類產(chǎn)品具有較長生命周期，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)過改進(jìn)可以為低電平器件進(jìn)行可重復(fù)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)買一個(gè)不帶這種功能的測試儀呢？ 　　用于并行測試的數(shù)字通道是ATE主要部分之一，通常使用專用結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼘ｉT設(shè)計(jì)用于滿足各種測試要求，速度、控制性能、數(shù)據(jù)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(tǒng)滿足每個(gè)人的測試需求。串行數(shù)字測試帶有大量協(xié)議，通常由集成到系統(tǒng)內(nèi)部的專門儀器提供，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(jié)構(gòu)類似，ATE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)儀器最簡單的方法是通過在計(jì)算機(jī)與儀器之間建立一個(gè)雙向通信很容易地實(shí)現(xiàn)，使用戶可以與其進(jìn)行交流，但這并不是“集成”，只是一個(gè)簡單的接口。這種方式下通過交換字符串或調(diào)用C程序?qū)x器編程，使得任務(wù)冗長而復(fù)雜，同時(shí)程序文件編制、程序改變或調(diào)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(hù)編程與調(diào)試，以避免上面的所有問題，例如對(duì)任意DMM編程進(jìn)行電壓測量可用如下簡單語句：     MEASURE V at PIN ACK1     TEST (4.9V MIN, 5.1V MAX); 　　軟件驅(qū)動(dòng)器可以給ATE提供儀器與附加接口層，語言則保證儀器集成的有效性，系統(tǒng)控制管理DMM和UUT上ACK1引腳之間的連接。 　　如果因?yàn)閮x器陳舊改變DMM，只需要一個(gè)新的驅(qū)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的優(yōu)點(diǎn)之外，ATE還能為信號(hào)路由和連接提供更好方案。ATE專用背板大多數(shù)情況下包括一個(gè)模擬總線，可以讓儀器直接連到任何引腳，而不會(huì)使內(nèi)外引線變得復(fù)雜。這種靈活性通?？蓴U(kuò)展到將模擬和數(shù)字通道合在一起(混合通道)，使用戶在任何時(shí)候連接數(shù)字或模擬激勵(lì)，并測量接收器任意引腳。其結(jié)果是不僅使成本大大簡化降低，同時(shí)測試程序也更易于實(shí)現(xiàn)。 　　ATE的模塊化設(shè)計(jì)可使其通用特性在不同項(xiàng)目間完全得到表現(xiàn)，即相同的系統(tǒng)、相同的軟件、相同的培訓(xùn)與文件系統(tǒng)，以及相同的操作。 　　不管是開發(fā)、生產(chǎn)還是運(yùn)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(jié)構(gòu)化流程以便達(dá)到最佳使用效果。測試程序編制還包括鏈接到CAE數(shù)據(jù)庫，程序編制不管是人工還是用模擬驅(qū)動(dòng)，通常都有很好的結(jié)構(gòu)可連接到外部程序資源、并行測試生成部分、圖形編程、無縫修正、文件自生成以及和調(diào)試等的全面鏈接。調(diào)試與運(yùn)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(shù)字內(nèi)部探測，及所有可以簡化程序員與操作員工作的功能。 　　簡而言之，ATE和所有其它系統(tǒng)一樣，并不僅僅是部件的簡單相加。