飛針測試儀通訊控制優化

左 寧，呂 磊，劉國敬

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

臥式飛針測試系統（如圖1 所示）為雙面電子芯片檢測設備，該設備通過軟件控制可以對混合電路板、LTCC 基板、PCB 板的各網絡間的開路、短路、絕緣以及電容進行測試，是電子芯片制造流水線上不可或缺的重要檢測設備。

在檢測設備上，飛針測試系統使用了一臺精密電阻測試儀、一臺高壓測試儀和一臺電容測試儀（如圖2 所示）。其中精密電阻測試儀用來對待測芯片各焊盤間的開路網絡進行測試，是一種高 精度寬量程、采用高性能微處理器控制的電阻測試儀。它可以量測0.1 Ω～110 MΩ 的電阻，最大顯示105 000 數。最高測試速度可達167 次/s，基本準確度可達0.01%。它的寬范圍測試可以適應不同要求的測試。高壓絕緣測試儀用來測試網絡間的短路錯誤，是一種采用高性能微處理器控制的絕緣電阻測試儀。電容測試儀測量待測芯片上兩焊盤點間的電容大小以快速判斷一片待測板的優劣。

圖1 雙面臥式飛針測試系統

圖2 測試儀部件

飛針測試系統的整體測試效率中測試儀的工作效率無疑是最重要的一部分，在優化調整運動機構等其它影響測試速度的因素后，重點研究測試儀的控制方式并對其進行優化就尤為重要。測試精度和測試周期為飛針測試系統設備優劣的重要考核標準，本文通過對測試儀控制方式的深入研究，在軟件控制方式上縮短了主機與測試儀的通信時延，縮短了飛針測試系統的測試周期，提高了測試效率。

1 測試儀通訊與控制方式

在飛針測試系統的主程序測試儀控制部分，采用了串口（RS-232）通訊的方式，RS-232 是目前廣泛采用的串行通訊標準，也稱為異步串行通訊標準，用于實現計算機與計算機之間、計算機與外設之間的數據通訊。RS 為“RecommendedStandard”（推薦標準）的英文縮寫，232 是標準號，該標準是美國電子工業協會(EIA)1969年正式公布的標準，它規定每次一位地經一條數據線傳送。

1.1 串口指令控制方式

我們在編程控制測試儀方面首先嘗試了完全使用串口通信，通過串口，計算機給測試儀發送相應指令，測試儀收到后進行相應響應并且把響應結果暫存在測試儀內部的緩存區中，最后再通過發送取結果指令來讀取測試儀緩存區內的數據。我們將測試儀連接一塊多串口擴展卡上，設置好端口相應匹配的波特率后。運行初始化代碼使之與工控機建立通信。此時就可以使用向串口發指令的方式來設置和控制測試儀。圖3 為串口通訊方式控制精密電阻測試儀進行測試。

圖3 串口指令控制方式程序示意

1.2 外部觸發控制方式

我們將I/O 控制卡上的輸入輸出口接在測試儀的Handler（處理機）接口上（如圖4），此接口用于將比較器信號輸出和外觸發信號輸入，其接線端子如圖5。

表1 和表2 分別為外部控制信號輸入端和外部輸出信號端各端子序號含義說明。

圖4 Handler 接口連接方式示意

圖5 Handler 接口接線端子示意

表1 外部控制信號輸入端

表2 外部輸出信號端

通過I/O 控制測試儀發送啟測信號和接收測試完成（EOC）信號分別用到了外部控制信號輸入端中序號5 的端子和外部輸出信號端中序號26的端子。

為了分析外部觸發控制方式中主機與測試儀之間通訊的時序問題，將示波器上兩個不同的通道接到測試觸發端和EOC 信號完成端的I/O 點上對觸發起測過程進行監控（如圖5 所示）。

圖6 示波器連接示意

接好后，編程使用外部觸發方式控制精密電阻測試儀執行測試（函數運動為發一次起測指令并等待收到EOC 信號后向串口發送取測試結果指令，取得結果并將結果返回，如圖7 所示）。

圖7 外部I/O 觸發控制方式程序示意

通過觀察示波器黃色和藍色所對應的不同通道示意（如圖8），可以看出測試儀接收到一個5 V的下降沿（高電平轉低電平）信號3.6 ms 后開始進行測試，并在輸出口將EOC 信號置高，在程序中反復讀取EOC 信號直到接收到一個下降沿信號，此時此次觸發的測試已完成，通過給串口發送取測試結果指令FETCH，就將測試結果通過串口讀出。

圖8 示波器顯示外部觸發信號

分析示波器監視到的完整EOC 信號電平（如圖9），可以得出測試儀的一次測試時間為4.3 ms左右，如果純通過串口控制的話，在串口通信上耗費的延時實際上是遠超過這個值的，讀寫串口占用時間普遍都在100 ms 以上，而通過I/O 口發送外部觸發指令幾乎是沒有時延的。這種方式下，從發送啟測信號到接收到EOC 信號完成測試僅僅用了6.1ms 左右的時間。

圖9 示波器監視到完整EOC 信號電平

2 測試數據分析以及優化方案

通過編程記錄函數執行時間，將串口方式控制測試儀進行測試和外部I/O 觸發方式在測試效率方面進行對比，見表3、表4。

表3 精密電阻測試儀兩種測試效率對比

表4 高壓測試儀兩種測試效率對比

由于精密電阻測試儀在測試中存在一個由4.9 Ω 左右的線阻影響帶來的測試誤差，所以其測試取得的測試結果數值有一些波動，在將測試結果取值進行修正后，此誤差是在可以接受的范圍之內。

為了防止高壓絕緣測試儀在高壓測試時發生短路打火現象，我們將測試儀和一個20.8 MΩ 的電阻串聯，經過分析，高壓絕緣測試儀在串口控制和EOT 方式控制下所測試的結果都是相當準確的。

經過數據分析和反復試驗得出，通過串口發送指令控制測試儀進行測試從指令發出到接受到測試數據，其間串口通信占用的時間就有80～120 ms，整個一個測試周期占用的時間幾乎是外部觸發方式的1 倍，依此得出的優化方案為控制測試儀進行測試以及高壓測試儀充放電采用外部觸發的方式，對測試儀設置測試電壓，電阻比較值等功能性設置繼續使用串口通信發指令的方式。

3 結束語

提高飛針測試系統的整體測試效率，測試儀是其中非常關鍵的核心部分，在優化調整電機運行速度、軟件控制穩定性等各項工作之后真正能夠大幅度提高測試速度、精度的就是對測試儀測試方式的優化。作為飛針設備研發人員，深刻理解測試儀測試原理、測試時序、各項功能以及相關控制方式是發掘出一臺測試儀最大潛能的前提。其中不僅需要查閱專業的測試儀相關資料，而且要做大量的實驗反復論證。

[1] 測試儀隨機文檔.AT512 用戶手冊RevD1[Z].

[2] 測試儀隨機文檔.AT682 683 說明書RevD4[Z].

[3] 楊曉鵬，Visual C++ 7.0 實用編程技術[M]. 北京：中國水利水電出版社，2002.

[4] 呂磊，劉國敬，左寧. DWG 格式的飛針測試文件轉換.電子工業專用設備，2014，43(6)：37-42.