基于J750Ex的鼠標控制器測試技術研究?

王 慶

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

鼠標是一種很常用的電腦輸入設備，是計算機顯示系統(tǒng)縱橫坐標定位的指示器。它可以對當前屏幕上的游標進行定位，并通過按鍵和滾輪裝置對游標所經(jīng)過位置的屏幕元素進行操作。鼠標應用廣泛，使用對象不僅有傳統(tǒng)的計算機、測試設備，還有現(xiàn)在的智能電視、機頂盒，就連汽車、機器人等，也采用到了鼠標的功能技術［1～2］。

本文介紹了在J750Ex集成電路自動測試系統(tǒng)上測試鼠標控制器EM84510的方法。美國EMC公司的EM84510鼠標控制器可以工作在光電模式、鍵模式、機械模式等，應用廣泛［3～4］。美國 Teradyne公司的J750Ex數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)的每個數(shù)字通道都擁有靈活的時間和電平配置［5］，針對該芯片測試需求，能夠為EM84510提供足夠的測試資源。本文通過研究EM84510基于自動測試設備（Automatic Testing Equipment，ATE）的測試方法，運用該測試方法在J750Ex數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)上開發(fā)測試程序、設計測試適配器、編制測試程序，最終完成EM84510的測試。

2 EM84510的結構

EM84510滾動鼠標控制器是專門用來控制PS/2鼠標的芯片［6］。EM84510的結構如圖1所示。EM84510有三個按鍵輸入L、M、R，三對方位輸入X1、X2、Y1、Y2和 Z1、Z2，對 Z1、Z2的設置可以使EM84510工作在多個模式：光電模式、鍵模式、電壓模式和機械模式。EM84510通過時鐘管腳CLK和數(shù)據(jù)管腳DATA與應用系統(tǒng)進行通訊。EM84510的時鐘由RC振蕩器產(chǎn)生，其中R需要外接，阻值為51*（1±5%）kΩ。外接51kΩ電阻時，振蕩器產(chǎn)生的頻率為37.5*（1±10%）kHz。振蕩器產(chǎn)生的時鐘經(jīng)內(nèi)部系統(tǒng)分頻后提供系統(tǒng)基準時鐘，對CLK和DATA進行時序控制。

圖1 EM84510的結構

3 EM84510測試內(nèi)容

對EM84510的測試分為三個方面：功能測試、直流參數(shù)測試和交流參數(shù)測試［7～8］。直流參數(shù)包括連通性測試、輸入高/低電平測試、輸出高/低電平測試、漏電流測試、電源電流測試等，其中，連通性測試主要測試每個管腳的開路、短路故障。交流參數(shù)主要是對頻率和輸入輸出傳輸延遲時間tphl、tplh等的測試。進行參數(shù)測試時，一般要使芯片工作在指定的狀態(tài)，如輸出高電平測試時，指定管腳要輸出高電平。也就是說，只有在正確的功能狀態(tài)下才能進行參數(shù)測試［9］。

功能測試用于檢測芯片的功能。根據(jù)器件資料描述的功能進行測試，主要依據(jù)有波形圖、真值表等，由測試系統(tǒng)對器件施加激勵信號，然后檢測輸出端的數(shù)據(jù)是否正確。對器件測試最難的就是功能測試，功能測試中最難的往往是測試向量的編寫，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測器件（DUT）之間的溝通。

鼠標的功能主要是定位和按鍵，對鼠標控制器來說，就是將輸入的定位信號和按鍵信號發(fā)送給系統(tǒng)，以及接收系統(tǒng)的設置信號和反饋的控制信號。鼠標控制器與應用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸比較簡單，每個數(shù)據(jù)幀都是由8位數(shù)據(jù)加上起始位0、奇校驗位和終止位1構成的，數(shù)據(jù)幀在鼠標控制器和應用系統(tǒng)之間進行串行傳輸。

由于信號比較簡單，因此我們可以采用“金器件［10］”的方法編制測試向量。如鼠標自動復位后輸出完成碼AA和00，在向量編寫時，只需要保持基本的輸入不變，書寫長度足夠的向量，將器件測試自動產(chǎn)生的輸出復制下來，對結果進行人工確認即可。并據(jù)此獲得鼠標向系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)的格式。

當系統(tǒng)向鼠標輸入時，只需要將CLK拉低足夠長的時間（≥100μs），鼠標就會自動產(chǎn)生CLK時鐘信號，我們按照鼠標向系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)的格式，在指定的CLK時鐘范圍內(nèi)加入數(shù)據(jù)，等待鼠標的自動響應，并將結果復制下來，進行人工確認即可。

4 J750Ex與DUT的同步匹配

在對EM84510測試時，測試向量是容易獲得的，我們可以采用學習的方式。將被測器件上電后產(chǎn)生的信息復制下來，辨識是否正確。由于此時信號簡單，手動書寫即可完成。困難的是被測器件與測試系統(tǒng)之間的同步問題。對EM84510測試時，相同的測試向量，在不同次運行時，測試結果總會有些延遲或提前，不管CLK的信號屬于什么模式（RL（返回到0）、RH（返回到1）、還是NR（不返回））［11］，都無法解決這一問題。究其原因，在于測試系統(tǒng)與被測器件之間的不同步。

EM84510的時鐘由RC振蕩器產(chǎn)生，外接51kΩ電阻時，振蕩器產(chǎn)生的頻率為37.5kHz左右。振蕩器產(chǎn)生的時鐘經(jīng)內(nèi)部系統(tǒng)分頻后提供系統(tǒng)基準時鐘，對CLK和DATA進行時序控制。我們用示波器觀測振蕩器頻率為35.1kHz～35.2kHz。而CLK有信號時，頻率為振蕩器頻率的3倍，如圖2所示，CLK（CH1）與振蕩器的輸出 OSC.OUT（CH2）十分同步。由于振蕩器是由外接電阻產(chǎn)生的，上電后振蕩器開始震蕩，鼠標自動運行。不受測試系統(tǒng)控制，被測器件難以與J750Ex同步。

圖2 EM84510工作時的CLK信號和OSC.OUT信號

經(jīng)實際測試，使用R=51k時，上電時間約為380ms左右，這段時間的不確定度至少有300μs。以CLK的時鐘約86μs計算，不確定度至少有三個CLK周期。對測試系統(tǒng)來說，測試結果很難定位在具體的某一條向量中。很顯然，這也不是更改時鐘周期能解決的問題。

因為時鐘不能夠被控制，失去了捕捉高低電平變化的同步點，所以只能以match（匹配）的方式來測試功能。與其他集成電路測試系統(tǒng)（如V93000）不同的是［12］，J750Ex未能提供match指令。我們僅能利用測試圖形生成器（pattern generator）中的各種標志位和跳轉指令來實現(xiàn)match功能。

向量匹配要用到幾個向量操作碼，這些操作碼及描述如下所示［13～14］。

subr label：子程序定義，匹配時，調用匹配子程序。

set_loopX count：定義循環(huán)、設置循環(huán)次數(shù)，X可以是A、B、C，count的范圍是1-65536。

Ign：對當前向量，無視‘Halt on Fail’。

pipe_minus X：對當前向量重復執(zhí)行，次數(shù)為（流水線深度-X）。

clr_flag（flag list）：無條件的清除指定的標志位。

end_loopX label：循環(huán)的最后一句。執(zhí)行完后跳轉到label處，這里label標記的向量不能包含set_loop操作碼。（X 可以是A、B或C）。

if（flag）jump label：如果指定的標志位flag為真，執(zhí)行跳轉。

clr_cond：控制位，在條件語句中使用，如果條件為ture，則清除條件語句所使用的標志位。只能在條件語句中使用，且只能清除在當前向量測試中的條件。

clr_fail：清除fail計數(shù)，清除fail累加寄存器（AFR）。

需要注意的是，clr_fail只能清除fail計數(shù)，而不能清除fail標志位，而clr_cond和clr_flag具有清除標志位的功能。

在J750Ex中實現(xiàn)match功能的關鍵就是理解fail標志位的建立不是在當條向量運行失效時產(chǎn)生的，而是在N條向量之后設置的。這里的N，指的是J750Ex的流水線深度pipeline depth。在J750Ex的幫助文件中，會得到pipeline depth的參考值，但實際上，每個測試系統(tǒng)的N都是不一樣的。通過“pipe_minus 0”的執(zhí)行來獲得pipeline depth的具體數(shù)值，本文中N=43。

另外，fail標志位的清除也有滯后。clr_flag（fail）清除的fail是N條向量以前的fail，而無法清除前N條向量以內(nèi)的fail。

考慮到fail標志位置1和清0的滯后問題，我們設計了基于J750Ex的match設置方案，如圖3所示。

圖3 J750Ex的match方案

具體的代碼如下：

subr submatch： pipe_minus 0 //1運行N次正確向量

if（fail）jump setfail //2 如 果 有錯，設置失敗

set_loopA 50000 //3設置循環(huán)，查找匹配點

loop1： if（fail）exit_loop extloop1//4 如果找到，退出循環(huán)

end_loopA loop1 //5

jump setfail //6如果沒找到，設置失敗

extloop1： pipe_minus 0 //7匹配后運行N次正確向量

clr_flag（fail）//8 清 除match過程產(chǎn)生的fail=1

return //9

在此過程中，要注意到實際的匹配點與exit_loop之間有N條向量的間隔，而pipe_minus 0又執(zhí)行了N條向量，因此，匹配點與return之間有2N+2條向量。在J750Ex的extended模式下，周期最小為20ns，所以從實際匹配點到return至少有20ns*（2N+2），N=43時，這段時間為1.76μs。對EM84510來說，其影響可以忽略不計。為了節(jié)省測試成本，match期間的周期可以調節(jié)到適合的大小，而不是最小的20ns。EM84510的CLK周期為86μs，可以設置match器件的周期為1μs，這樣match完后，向量正好運行至下個周期。

5 降低測試成本的方法

EM84510的測試主要是基于R=51kΩ，振蕩頻率為35kHz。在這種配置下，EM84510每次啟動需要約380ms（從上電到發(fā)送啟動碼AA和00）。每個測試項都執(zhí)行400ms，測完所有項，測試時間就需要幾秒鐘。如何能在不影響測試質量的情況下縮短測試成本呢？

從圖1中EM84510的結構圖可以看出，RC振蕩輸出將連接內(nèi)部系統(tǒng)時鐘。而器件管腳OSC.OUT在實際應用中沒有用處，至少在數(shù)據(jù)手冊中沒有看到實際用處。我們可以假設EM84510的內(nèi)部結構是這樣的，RC振蕩器的輸出同時連接到了OSC.OUT上和系統(tǒng)內(nèi)部時鐘上，如圖4所示。

我們直接由測試系統(tǒng)向OSC.OUT管腳輸入時鐘。事實上這是可行的。對器件沒有影響，而且可以將時鐘頻率增加數(shù)倍。振蕩器的工作頻率為35kHz左右，我們灌進的時鐘頻率可以提升數(shù)倍，使得最終測試的時間縮短，大大降低了測試成本［15］。

圖4 EM84510的時鐘結構

6 測試適配器設計

EM84510的工作需要R=51k電阻，但實驗證明，對OSC.OUT灌入時鐘也不會影響鼠標控制器的使用和測試，還能節(jié)省測試時間。為了兼顧EM84510自身的特性，在不減少故障覆蓋率的情況下，節(jié)省測試成本，我們設計了下面的測試電路。

EM84510在J750EX測試系統(tǒng)上的硬件連接方式如圖5所示，其中EM84510通過適配器與集成電路測試系統(tǒng)的數(shù)字通道相連。51kΩ電阻一端連接OSCR，另一端連接測試系統(tǒng)通道CHn。在程序中，將電阻連接到CHn通道的這一端命名為Rend，類型為I/O，當測試EM84510上電啟動功能時，輸入低電平，電壓值設為0V，等同于將R接地。此時振蕩器工作，用match方法測試EM84510的完成碼0xAA和0x00。

在其他測試項中，設置Rend輸出X（don't care），相當于懸空，振蕩器不會工作，這時，對OSC.OUT灌入高頻時鐘，測試鼠標控制器的其他功能。

需要注意的是，Rend從輸出X到輸入0，可以使振蕩器從不工作到工作。但反過來，Rend從0到X，卻不能讓已經(jīng)工作的振蕩器停止工作。因此，自啟動測試和其他功能測試必須在不同的測試項中。

圖5 EM84510測試硬件連接

7 結語

對于像EM84510這樣的自有時鐘的芯片，芯片時鐘難以與集成電路測試系統(tǒng)完美契合時，我們需要用到測試向量同步匹配的方法。文中的J750Ex測試系統(tǒng)的測試向量同步匹配的方法，還可應用于觸發(fā)測試和那些讀寫時間不確定、等待時間長的芯片測試中。另外，通過合理地利用芯片管腳和測試系統(tǒng)通道資源對EM84510進行測試，不僅使測試程序的可靠性更高、重復性更好，還能節(jié)省測試成本，對其他集成電路的測試開發(fā)也具有借鑒意義。