电子元器件应用验证 一种基于FPGA的新型元器件自动验证方法

一种基于FPGA的新型元器件自动验证方法

梁炳春1，孙韶媛1，李春阳1，赵海涛2

（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；

2.华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237）

摘 要 ： 应用于宇航领域的新型元器件必须经过严格的性能功能的验证，传统的验证平台是针对特定的待验证器件设计的，不同的器件需要设计不同的验证平台，使得验证工作周期长、成本高、可移植性差。本文介绍基于FPGA控制器设计出的新型元器件通用验证方法，硬件由通用验证平台和功能应用子板两部分组成。软件包含有上位机调试工具、命令解析模块、通信模块、数据智能处理模块等。解决了新型元器件验证周期长、成本高、难以实时控制和智能数据分析等缺点。用此方法已成功对芯片JS71238进行了性能功能的验证，取得了理想的验证效果。

0 引言

目前，我国宇航事业进入快速发展阶段，新型航天器和新一代运载火箭对配套元器件的性能、功能、可靠性和适应性提出了更高的要求，因此新型元器件性能的验证工作对确保航天事业顺利快速发展起着至关重要的作用。目前，对宇航元器件的应用验证的研究大多是基于系统工程方法上的理论研究，主要是对新型元器件验证的工程路线、技术体系、方法工具等提出了理论上的框架，并且大多数的实施方案是面向特定的被测元器件设计出一套专用的验证设备，这样就造成了验证工作成本高、周期长、可移植性差[1]的问题。针对这些不足，基于国内外对宇航元器件应用验证的研究及工程实践，本文设计出一种通用性强、应用范围广、自动化程度高、功能齐全的元器件应用验证平台和方法，使宇航元器件的验证工作变得极为智能、便捷、高效、准确，为我国航天工程的快速发展提供了先进的技术方法。

1 通用应用验证平台分析

为了实现对不同元器件的性能功能的验证，设计出如图1所示的自动验证系统，验证系统由通用验证平台、功能应用平台和配套的测试向量等组成，控制母板的核心是一块Xilinx的V5FX100T FPGA芯片[2]，控制着验证平台中的各项功能模块，并负责验证装置与通信终端的显示链接[3]。验证子板为各类待验证器件及外围电路，只需设计待验证芯片的外围应用电路即可搭载在该平台上进行验证工作。

控制母板是整个验证平台中的核心模块，负责数据传输、A/D采集、对元器件的指令操作、指令采集译码和测试环境的控制等重要功能[4]。母板通过RS485总线与监控计算机连接，监控计算机通过RS485发送指令，控制母板通过通信接口发送检测的数据。OC指令发送用于控制验证子板的被验证元器件和外围电路器件。D/A输出用于对某些特定要求的电压源输入的精确控制。A/D采集被验证元器件的电压值、温度量和电流检测电阻的电压值。通过FPGA对采集到的信息数据进行缓存和封装，对接收到的指令进行译码，发送控制信号和地址数据[5]。

2 基于通用验证平台的JSR71238芯片应用验证

2.1 验证目标

JSR71238为16路RS422收发器芯片，包括16位驱动器和16位接收器。驱动器接收CMOS数字信号，转换成RS422电平信号输出。接收器接收RS422兼容的差分输入信号，转化成CMOS输出信号。其功能性能验证主要从驱动功能验证、自闭环验证、接收功能验证及器件功耗验证四个方面展开。

2.2 验证过程分析

依据通用验证平台提供的接口定义，在功能子板上构建所需要的应用电路，对测试向量进行修改达到验证不同元器件的目的。验证过程框图如图2所示[6]。

通用验证平台上FPGA包括通信模块、指令解析模块、命令执行模块、数据采集模块和数据处理模块，主要功能是接收来自终端PC设备的指令并发送指令控制子板，采集由子板反馈回来的数据进行处理后发送给终端PC设备；终端PC设备通过上位机软件向FPGA发送控制指令和数据，监控FPGA的状态，接收来自FPGA的数据，并对数据进行分析、诊断，图形化显示出测试的结果。子板通过软排线与通用验证平台相连。

通信模块用于上位机和FPGA的通信，是信号传输的唯一通道。在FPGA中实现UART的功能很方便、灵活，因此采用UART来完成数据的传输[7]。在数据接收时，接收模块将输入的串行数据转换为并行数据，将接收到的数据暂时存储到接收FIFO中，由数据处理操作读取数据进行处理，执行后再写入到发送FIFO中，发送模块再把数据发送到上位机软件。可传送数据位、数据帧和数据包等格式。通信模块总体框图如图3所示[8]。

指令解析模块主要负责指令的译码操作，对来自上位机的指令按照规定好的协议进行翻译，译为子板可以执行的指令[9]。指令译码表如表1所示。

命令执行模块把解析出的数据传送给子板的接收器接口，同时把由上位机设定的原始数据发送给数据逻辑判断模块，作为参考数据，对子板上的元器件对应功能进行判定。数据采集模块以一定的频率采集由子板上的元器件发送出的数据，送给数据逻辑判断模块来进行分析、比较。

数据的逻辑判断模块按照一定的算法对采集回来的数据与原始数据进行比较，根据比较的结果分析出待验证芯片的功能性能[10]，运算的状态机如图4所示。

3 实验结果

测试JSR71238在不同的波特率下的通信性能，在 1 min的时间内连续发送数据，观察并分析数据的错误率和消耗的功率，具体数据如表2所示。

通过对JSR71238芯片自闭环验证，其驱动功能和接收功能均达到技术指标，其功耗也在元器件允许范围内，在自动验证平台上完成了新型元器件的验证工作。

4 结论

该验证方法具有通用性和智能性，可以对不同的验证目标提供不同类型的信号接口，可以对数据进行自动比对、诊断和修正，分析结果以图形化的界面显示出来，更直观清晰，可以搭载不同的验证元器件子板，具有通用性。以上都是在不改变验证平台硬件条件的情况下实现的，若要验证不同的元器件只需要设计对应的子板外围电路和配套的测试向量，即可完成元器件验证工作。验证不同的元器件，以上的平台可重复利用，依靠上位机的测试软件设置即可完成测试，无需再花费时间和成本设计出新的验证板，极大地提高了验证效率，节约了验证成本，加速了项目的研制过程。

参考文献

[1] 黄丽.百万门级专用集成电路的FPGA验证[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[2] Xilinx.Virtex-5 FPGA User Guide[R]. 2009.

[3] 何宾.Xilinx FPGA设计权威指南[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4] 张凯虹.一种FPGA验证与测试的方法介绍[J].计算机与数学工程，2010（9）：70-72.

[5] 李洪涛，朱晓华，顾陈.Verilog HDL与FPGA开发设计及应用[M].北京：国防工业出版社，2013.

[6] COFER R C， BENJAMIN B， HARDING F. FPGA快速系统原型设计权威指南[M].吴厚航，姚琪，杨碧波，译.北京：机械工业出版社，2014.

[7] 孙航.Xilinx可编程逻辑器件的高级应用与设计技巧[M].北京：电子工业出版社，2004.

[8] 冯子陵，俞建新.RS485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程，2012（20）：215-218.

[9] 廉玉平，韩燕.大规模数字集成电路中的验证技术及其应用[D].杭州：浙江大学，2010.

[10] 梁骏.芯片设计的验证技术和验证流程研究[D].杭州：浙江大学，2004.

干货回放！公益讲座第六弹：芯片等车用电子元器件上市前验证要过几道关？ 中国汽车报

2020年下半年，刚刚经历了疫情考验的全球汽车行业再次遭遇始料未及的打击——芯片短缺。此次汽车芯片短缺规模大、影响广。多家分析机构预测，芯片短缺对2021年第一季度全球汽车生产带来巨大冲击，第二季度情况仍然不容乐观。

行业停工减产，车企“望眼欲穿”，而芯片等车用电子元器件从“诞生”到“上车”，必须要经过车规标准验证才能“持证上岗”。在验证过程中有哪些要求？又有哪些风险需要防控？对这些业界希望了解的核心问题，4月30日，《中国汽车报》公益讲座第六弹邀请广州广电计量检测股份有限公司半导体技术副总监李汝冠博士 ，以《车用电子元器件的验证要求及风险防控举措》为主题，对此作出独家解读。

芯片短缺原因有新解

“造成车用芯片短缺的原因，有四个方面。”李汝冠提出，一是天灾人祸导致芯片产能下降，其中包括全球疫情、瑞萨火灾、日本地震、台湾缺水、德州雪灾等。二是汽车芯片供应严重落后，包括全球疫情爆发后由于汽车销售需求缩减导致车厂减少或取消汽车芯片订单，从而部分汽车芯片产能转向消费领域；但是2020年下半年车市反弹超预期，汽车企业集体下单。三是消费大厂大量备货占据产能，这是因为各消费大厂因担心禁运等地缘政治事件影响而恐慌式大量下单备货，汽车芯片产能受到挤压。四是新晋厂商短时间内无法快速补上缺口，因为汽车芯片要求严苛，新晋芯片厂家依然任重道远。

“解决汽车芯片短缺的根本方法，就是原有玩家扩大产能和增加更多玩家就可以了，这看上去容易，但其实并不简单。”在李汝冠看来，要实现扩大产能、增加新玩家是非常困难的，车规电子元器件不是想加就能加，一般来说需要几年的时间，需要大量技术积累。车规级芯片在工作温度范围、允许的失效率、使用寿命、甚至备货期等方面有非常高的要求，而且还有包括电磁兼容（EMC）、软错误率（SER）、FMG（流动混合）气体腐蚀等方面的特殊要求。与消费电子追求越来越高的运算速率和越来越高的集成度等相比，车规电子元器件更看重安全性、可靠性和稳定性。

李汝冠讲到，电子元器件进入汽车领域需要完成完整的车规认证，包括功能安全标准ISO26262、质量管理标准IATF16949、和车规元器件验证标准AEC-Q。

验证要求关键是什么

谁需要做AEC-Q认证呢？李汝冠表示，AEC会员分为元器件使用方、元器件供应商、联合会员及其他，由元器件供应商执行AEC-Q验证试验，并由使用方审核AEC-Q报告。

AEC-Q是系列标准，针对不同元器件类型有不同要求，包括针对集成电路的AEC-Q100、针对分立半导体器件的AEC-Q101、针对光电子器件的AEC-Q102、针对MEMS（含压力传感器、麦克风器件）的AEC-Q103、针对多芯片组件的AEC-Q104、以及针对无源元件的AEC-Q200等。

李汝冠谈到，AEC-Q突出特点，是只有通过器件相对应标准规定的全部测试项目，供应商才能声称该产品通过了AEC-Q认证。有鉴于此，在进行AEC-Q验证时，首先要制定好验证方案及排期，而且有“三不许”，一是不允许只做部分项目；二是不允许减少样品量，所有项目的允许失效数为零；三是不允许低于AEC-Q规定的试验条件。

李汝冠强调，特殊情况下，如果用户同意，可以删减项目、减小样品量、降低试验条件，但这种情况不能宣称通过了AEC-Q认证。

风险防控举措不能缺

李汝冠讲到，AEC-Q验证费时、费力、费钱，而且在验证过程中如果出现需要修改器件的情况，则相应试验也需要重做。所以进行完整AEC-Q验证之前，需要注意高风险的项目并做好相应提升。李汝冠提醒了如下高风险项目，包括静电放电（ESD）；温度循环（TCT）；高加速应力（HAST）/高温高湿反偏（H3TRB）/高温高湿老化（WHTOL）；高温老化寿命（HTOL）/高温反偏（HTRB）/高温栅偏压（HTGB）；间歇工作(IOL)/功率温度循环（PTC）。

最后，李汝冠表示，车规电子元器件供应商要具备如下特质：保证产品零缺陷、保障很长的供货期、抵抗客户投诉的能力，并且需要一定的赔偿能力作为后盾。李汝冠讲到，尽管车规电子元器件要求严苛、投入巨大，但我们看到越来越多的元器件供应商主动加入汽车领域，期待越来越多电子元器件成功迈过所有门槛并最终用在汽车领域。

Q：您认为，全球汽车芯片短缺会延续多久？

A ：从造成车用芯片短缺的四个原因，及其持续发展到现在的情况综合来看，估计车用芯片短缺状况在今年第三季度至第四季度将有所缓解，完全恢复正常供应可能是明年的第一季度。

Q：为什么要做AEC-Q认证？

A ：这是因为车用元器件市场或汽车一级供应商，都会要求元器件厂商去做这一认证，而且AEC-Q认证是一整套完善的针对车用电子元器件的系统性验证标准，在国际上受到公认。

Q：完成AEC-Q认证流程大约需要多长时间？完成这一认证的产品是否就能全球通用？

A ：从实验角度看，做AEC-Q101、AEC-Q102或者是AEC-Q200等实验，正常情况下需要2-4个月的时间，如果是做AEC-Q100或者是AEC-Q104的实验，正常情况下需要4-6个月的时间，这是理论上所需的试验时间，实际上可能会遇到很多具体情况从而延长验证时间。如果从开发阶段开始算起，到完成认证可能需要1-2年，甚至更长的时间。

AEC-Q认证本身就是一个国际标准，如果用户认可AEC-Q认证报告，加上芯片厂商有良好公信力的话，应该是可以通用的。假如芯片厂商是借助于第三方机构认证，那就要看国外用户是否认可该第三方报告。

Q：目前国内汽车芯片在认证方面主要存在哪些问题？

A ：一方面，可能有的芯片厂商并没有完成验证的全部项目，就跟用户说完成了。另一方面，可能有比较小的检测机构，限于自身条件没法完成全部验证项目。这两种情况都是存在的。

Q：国内能做AEC-Q认证的公司多吗？需要什么资质？

A ：目前，国内具备完备条件、能完成全部验证项目的AEC-Q认证公司并不多。

单纯讲资质意义不大，芯片厂商更应该关心的是AEC-Q认证报告能不能得到市场和用户的广泛认可，这才是最关键的。当然，其中也有公信力的问题。

文：赵建国 编辑：黄霞 版式：刘晓烨

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