MEDA芯片菊花链的自动容错设计

张 玲

(江西财经大学软件与物联网工程学院,江西 南昌 330013)

1 引言

MEDA芯片(Micro-Electrode-Dot-Array biochip)是新出现的一种基于微单元阵列的数字微流控芯片[1]。与传统数字微流控芯片不同，MEDA的每个微单元MC(Micro-electrode Cell)都包含驱动电极和传感检测电路，这些MC可动态分组驱动不同质量、不同形状的液滴，灵活地实现各类生化实验[2,3]。基于MEDA的原型结构已由3.3 V电平，TSMC 0.35 μm的工艺实现[3]。

随着生化协议复杂度的提高，其对MEDA芯片规模的要求也不断增加。MEDA芯片的结构涉及流体领域和电子领域，导致其更易出现多类型、高复杂性的故障。按故障发生的位置，可将MEDA芯片的故障分为2大类，即MC之间的故障和MC之内的故障[4]；按故障发生的持久性，MEDA芯片的故障可分为永久性故障和间歇性故障。不同类型的故障均可能导致错误，影响整个实验结果[2]。MEDA芯片通常用于生命科学领域，必须进行全面的在线和离线测试，离线测试主要发生在制作阶段，用于测试芯片在制作完成后的正确性，而在线测试一般与生物协议实验同时进行，用于进一步提高生化实验的准确性[5,6]。

由于MEDA芯片在每个MC中嵌入了传感检测单元，因此它可在驱动液滴的同时，实现对每个液滴运行情况的实时监测。由于外部引脚面积代价较大，为减少外部引脚和增加控制能力，MEDA结构的所有微单元(MC)的一位寄存器被一个菊花链(也称为数据扫描链)串接，这个链可用最少的外部引脚100%地控制所有的阵列单元。在将驱动数据移入到每个微阵列的同时，菊花链也以同样的方式移出所有微单元的检测结果。菊花链用极少的端口实现了对所有MC的控制，但这也正是MEDA芯片的问题所在，菊花链的串接使得其故障具有全局效应，即使只有一个故障存在于菊花链上，也会带来灾难性的后果。

文献[7]首次提到了菊花链故障，并进行了故障测试，但没有给出相应的测试和诊断方法；文献[8]针对MEDA芯片设计了相对可靠的微单元系统，提高了MEDA芯片的有效性。文献[9]首次对菊花链进行初步容错设计，但未给出具体的实现过程。对MEDA结构来说，故障不仅出现在流体领域而且还会出现在电子领域，而绝大多数的电子故障会导致流体移动的异常。可靠性是MEDA芯片的重要指标之一，为保证MEDA芯片结果的准确性，不仅需要对菊花链进行全面的测试和诊断，而且需要有效的容错策略。

本文为MEDA芯片设计有效的菊花链容错结构。该结构将具有整体性的菊花链分成单个微单元，打破菊花链故障的全局性，利用测试响应自动触发容错过程，实时对故障单元进行修复，若修复失败则将其旁路，实现对菊花链中微单元的自动容错。该结构为每个微单元增加一个二选一选择器和一个与门电路，不会增加额外的外部引脚，硬件代价合理。另外，通过与电脑的接口控制诊断容错过程，可在电脑端以友好的方式监测整个测试诊断及运行过程。

2 菊花链故障全局性分析

MEDA芯片基于微单元阵列结构，每个微阵列单元由驱动电路和传感监测电路组成，其示意图在图1[10]中给出，每个微阵列单元的驱动数据和检测数据被存储在其一位寄存器中，这些一位寄存器被串成可移动的数据通路，即菊花链。菊花链通过一个外部入口实现了对所有微阵列单元的完全控制，具有较高的效率，但这同时也是其问题所在。

Figure 1 Diagram of MEDA architecture图1 MEDA结构示意图

Figure 2 Daisy chain of MEDA architecture图2 MEDA结构的菊花链结构示意图

图2给出了MEDA结构的菊花链结构(用来移入微单元的驱动数据和移出检测数据)。如图2所示，在每个驱动周期，每个微阵列单元的驱动数据都通过菊花链移入到对应的一位寄存器，用来表示是否驱动相应的微单元，而检测电路检测到的数据也会存入其一位寄存器中，并通过菊花链移出。由此可见，菊花链串行移入微阵列单元的驱动数据，并移出相应的检测数据，其操作的串行性会导致其故障的全局效应。如图2所示，若FF2上出现故障，则其用来驱动微电极阵列的数据将不能串行正确地移入到FF2～FFn,此时虽然FF2的传感监测电路可能捕获到相应液滴的异常，但相应的检测结果却无法从菊花链移出，这就导致了整个微阵列的失效。MEDA芯片常用于生命科学领域，其可靠性至关重要，因此必须对菊花链进行测试诊断，并进行有效的容错设计。

3 测试响应触发的菊花链容错设计

MEDA结构的菊花链与传统CMOS电路的扫描链类似，但由于其固有属性，多数用于传统扫描链的测试和容错结构并不能直接用于MEDA结构的菊花链上。

Figure 3 Illustration of the New MC architecture图3 New MC结构示意图

它们的区别主要存在于3个方面：功能不同、结构不同、对可靠性的要求也不同。功能上，传统扫描链将电路中的触发器串成用于测试的通路，其主要功能是为测试服务，而MEDA结构的菊花链是功能性的，用来传输的是功能数据；结构上，传统电路扫描链的单元之间具有其他功能路径，而MEDA结构的菊花链在未运行生化协议之前不存在任何其他功能路径；对可靠性的要求上，传统扫描链是用来传输测试数据，而MEDA结构的菊花链传输的是功能数据，且是对精确度要求非常高的实验数据，因此，它对可靠性的要求更高。

MEDA结构菊花链测试不难实现，只需用链测试模式(Chain Pattern，也称Flush Pattern，用来测试扫描链的完整性)[11]来对其进行测试，Chain Pattern本身就足以确定扫描链存不存在故障，但它不能定位故障，也不具有容错功能。而对于MEDA芯片的容错设计来说，其外部引脚的面积要比内部单元大得多，因此容错设计要以不增加外部引脚为原则。

3.1 自诊断容错的New MC结构

相对于图2中的原始扫描单元，本文称具有自诊断和容错功能的单元为New MC。如图3所示，图中较小的虚线框内为原始MC，为实现容错功能，New MC在原始MC的基础上增加了一个冗余DFF(D Flip-Flop)FF2，一个一位计数器和若干与门，如外围虚线框所示。scan_in、scan_out和CLOCK分别为扫描输入、扫描输出和时钟信号；R为scan_out与正确响应比较的结果(此处仅给出New MC结构，scan_out与正确响应的比较部分电路未画出)，若相同则表示该单元不存在故障，该值为0，否则为1；ctli为该单元的访问信号，该值为1时，该单元被访问，否则该单元被旁路。其他内部信号还包括计数器时钟counterclk，计数器输出counterout，计数器使能信号counteren，计数器溢出信号ccarry，该New MC的旁路信号passbyline。

该New MC单元通过比较其输出与正确响应来确定FF1是否在在故障，若存在故障，则响应的比较结果信号R会控制Counter计数一次，从而控制MUX1的输出信号Qout从Q1转到Q2，实现容错功能。Qout=Q2会以同样的方式测试、诊断，若FF2也存在故障，则Counter会溢出，其溢出信号ccarry会控制passbyline=0，该单元被永久旁路。该New MC的具体工作过程如下所示：

初始化：

1ctli=1;

2R=0;

3counterout=0;

诊断过程：

4counterout=0;

5Qout=Q1;

6response=Qout?

7 Yes,R=0;counteren=0;goto 4;

8 No,goto 7;

Figure 4 Data scan chain composed of New MC图4 由New MC组成的菊花链

修复过程：

9R=1;

10counteren=1;

11 falling edge ofcounterclk;

12counterout=counterout+1;

检查FF2:

10counterout=1;

11Qout=Q2;

12reponse=Qout?

13 Yes,R=0,counteren=0;goto 10;

14 No,goto 13;

旁边过程：

15R=1;

16counteren=1;

17 falling edge ofcounterclk;

18counterout=counterout+1;

19counteroverflows;

20ccarry=1;

counterkeeps holding;

The MC is bypassed.

初始ctli=1，R=0，counterout=0，如第1～2行所示；由于counterout=0，因此Qout=Q1，response为正确响应，与Qout进行比较，若正确，则R=0，该单元无故障，正常工作如第4～6行所示；若存在故障，则启动修复过程，R=1(ccarry=0，ctli=1)，使能Counter，它会在时钟下降沿做一次计数操作，如第7～9行所示；Counter的计数操作使counterout=1，从而使Qout从存在故障的FF1转到FF2，即Qout=Q2，此时Qout再以同样的方式比较response与Qout，若无故障，则R=0，counteren=0；否则启动旁路过程，如第10～12行所示；此时R=1表示FF2也存在故障，Counter会在时钟下降沿计数一次，Counter溢出，ccarry=1，从而Counter的使能信号Counteren=0，该counter不会再计数，而passbyline=0，该New MC被永久旁路。

3.2 由New MC组成的菊花链

由该New MC组成的菊花链如图4所示，相对于原始菊花链，为每个New MC增加一个二选一选择器，通过控制其ctl信号可实现对每个单元的测试和诊断。其具体测试诊断过程可描述如下:

(1)i=n。

(2)第i个New MC的控制信号ctli为1，其他New MC的控制信号为0，则此时 New MCi被访问，其他被旁路。通过与FFr输出值进行比较，测试诊断New MCi。

(3)i=i-1,若i≠0，则转(2)；否则退出。

其控制信号的时序图如图5所示。如图5所示，由ctl控制New MC的轮询访问，第1个时钟周期，ctln=1，而ctl1,ctl2,…,ctln-1均为0，因此只有第n个New MC接收时钟信号，其他New MC 被旁路，此时其测试数据在送入New MCn的同时也被送入FFr，通过异或逻辑，比较两者的输出，若结果相同，表示无故障，则R=0，否则R=1，启动New MC的修复过程。第2个时钟周期，ctln-1=1，其他ctl为0，ctln-1将以同样的方式进行测试、诊断和修复。依次为ctln-2,ctln-3,…,ctl1进行测试、诊断和修复。如图5所示，ctl信号为一组相同的、时间相差1个时钟周期的信号，它们可以从CLOCK信号获得，不需要增加额外的外部信号。

Figure 5 Time sequence of the control signals of ctl图5 ctl信号时序图

3.3 容错诊断的实时监测

MEDA结构一般通过电脑端控制其运行，并通过其集成的传感检测电路实时将测试数据送到电脑端，因此实现了实时数据的监测[12]。但是，这些运行过程均依赖不存在故障的菊花链，因此必须提高菊花链的可靠性。

基于New MC的菊花链对每个单元进行分时访问，并在访问过程中实现自测试和容错过程，可用于离线和在线测试。本结构中，本文还可以在电脑端设计监听端口，实时检测每个New MC的故障、修复和旁路情况。在芯片测试诊断过程中，电脑端接收scan_out的信号，并与正确的响应进行比较，与芯片同步更新故障、容错和旁路信号，并可用不同标识在电脑端显示，从而实现对每个New MC的实时容错监测。

电脑端的测试诊断过程如下所示：

Ftj用于记录每个MC产生故障的次数；每个单元包含2个DFF;Flag用来标识是否存在故障MC。

1 初始化：所有的Fti=0;//i=1,2,…,n

2 测试遍历New MC;

3forj=0 ton

4 应用测试激励0；

5if(存在struck-at-1故障，且Ftj!=-1)

6 则Ftj=Ftj+1;

7 修复一次；

8else应用测试激励1

9if(存在stuck-at-0故障，且Ftj!=-1)

10 则Ftj=Ftj+1;

11 修复一次；

12elseif(Ftj==1)

标记该单元为修复成功单元；

13 endif

14endif

15endfor

16Flag=0;

17forj=0 ton

18if(Ftj==0)

19 标记该单元为无故障单元；

20elseif(Ftj==1)

21Flag=1;//启动下一次遍历修复

22break;

23elseif(Ftj≥2)//该单元被旁路

24Ftj=-1;

标记该单元为修复失败被旁路单元；

25endif

26endfor

27if(Flag)

28 转2；

29endif

其中，Fti用来记录第i个New MC产生故障的次数，Flag用来标识菊花链中是否存在有故障的MC。其具体过程可描述如下：初始化，所有Ft=0，如第1行所示。利用分时方法测试遍历菊花链，应用测试激励0，用来检测stuck-at-1故障，若scan_out的比较结果与正确响应不同，则对应的Ftj加1，如第4～7行所示；而若不存在stuck-at-1故障，则检测是否存在stuck-at-0故障，若存在，则相应的Ftj加1，如第8～11行所示；若既不存在stuck-at-0故障，也不存在stuck-at-1故障，则检查该单元是否已被修复一次，若被修复一次，即Ftj==1，则标记该单元为修复成功单元，如第12行所示。完成遍历后，设置标识Flag为0，检查所有New MC的Ft，若Fti=0，标记该i单元为无故障单元，如第18～19行所示；若Fti==1，则表明其对应的Qout已从Q1转向Q2，完成修复，则设置Flag=1，表示需要进行第2次测试诊断，以完成FF2是否存在故障的测试，如第20～22行所示(即只要存在1个被修复FF1，就会跳出循环，进行第2次修复)。而若Fti≥2,则表明第i个单元修复失败，已被旁路，因此设Fti为-1，标记该单元为修复失败被旁路单元，将不能再被使用，如第23～24行所示。检查Flag，若为1，则表明存在需要检查FF2的单元，启动第2次修复，否则表明该菊花链测试诊断修复完成，如26～29行所示。

4 实验结果和分析

为验证本结构的有效性，本文对30×30[12]的MEDA芯片进行实验，Multisim[13]被用来对本自诊断和容错的菊花链进行仿真，其时钟设为1 MHZ[14]，高电平为3.3 V，低电平设为0 V。本文对单故障、多故障、单个New MC和多个New MC进行仿真。

首先对出现在单个New MC上的单故障和多故障进行仿真，其仿真结果如图6和图7所示。

Figure 6 stuck-at-1 defects on single New MC图6 stuck-at-1故障出现在单个New MC上

Figure 7 Stuck-at-0 defects on signal New MC图7 stuck-at-0故障出现在单个New MC上

图6给出了New MC上出现单个故障和多个故障的仿真结果。如图6所示，图中左侧给出了所对应的信号，它们分别为时钟信号CLOCK、扫描输出scan_out、正确的响应response、故障信号R、FF1输出Q1、FF2输出Q2、该New MC的输出Qout、控制信号ctl、计数器时钟信号counterclk、计数器清零信号counterclr、计数器输出counterout、计数器使能信号counteren、旁路信号passbyline、计数器溢出信号ccarry，这些信号与图3和New MC具体工作过程中的信号对应，图6中横坐标为时间。图6表示的是New MC的FF1和FF2均存在stuck-at-1故障(仿真中FF1、FF2初始值为0，插入故障为stuck-at-1)，第1次访问该New MC时，由于stuck-at-1故障与response的值不同，因此R=1,Counteren被使能，在counterclk下降沿，Counter计数一次，counterout由0变1，Qout从Q1转向Q2，该过程如图6中虚线框1所示，可见若FF2不存在故障，则修复成功。但是，FF2同样被插入了stuck-at-1故障，因此在第2次访问期间，R=1，counteren=1，使能计数器，在counterclk的下降沿，计数器又计数一次，导致该计数器溢出，ccarry=1，该过程如虚线框2所示。由于ccarry为1，导致passbyline=0，计数器的使能信号counteren=0，因此该单元被旁路，在第2次之后的访问中，该单元被永久旁路，即passbyline永久为0，如虚线框3所示。

图7给出了FF1和FF2上均出现stuck-at-0故障的仿真结果，与图6类似，在第1次访问期间，由于故障的存在使R为1，因此使能Counter计数一次，使Qout从Q1移到Q2，如图7中虚线框1所示；在第2次访问期间，FF2仍存在故障，因此R仍为1，Counter作第2次计数，造成passbyline永久为0，该单元被旁路。

图8给出了相邻5个单元的仿真结果，其左侧仍为每个New MC对应其结构中的信号，右侧为其电压，横坐标为时间。如图8所示，最上侧的5个公共信号分别为时钟信号CLOCK、测试数据信号scan_in、正确响应信号response、数据输出信号scan_out，故障信号R。在第1个时钟周期，New MC 1被访问一次，该单元不存在故障，scan-out与response相同，因此R=0，Counter不作加法，Qout=Q1，该过程在虚线框1中给出；在第2次访问时，测试数据为1，该单元无故障，因此Counter保持为0，如虚线框2所示；可见该单元为无故障单元，因此在第3次和第4次访问中，scan_out总是与response相等，R保持为0。

第2个New MC的FF1存在stuck-at-1故障，而其FF2也存在stuck-at-1故障，因此在第1次访问时，其故障信号R=1，在counterclk下降沿，Counter计数一次，Qout转向FF2，如虚线框1所示；FF2同样存在stuck-at-1故障，因此在其第2次的访问中(如虚线框2)，其数据输出与正确响应不同，故障信号R=1，计数器在counterclk的作用下第2次计数，因此导致其溢出信号ccarry为1，从而使得passbyline永久为0，该单元在之后的访问中将被永久旁路，如虚线框3和4所示。

第3个New MC的FF1存在stuck-at-0故障，FF2存在stuck-at-1故障，在其第1次访问时，应用的测试数据为0，因为其输出与response相同，因此R=0，Counter未做加法操作，如虚线框1所示；在第2次访问时，应用测试数据1，由于FF1存在stuck-at-0故障，因此其输出与response不同，R=1，Counter会在其时钟下降沿计数一次，从而其Qout从FF1转向FF2；在第3次访问中，测试数据为0，而FF2存在stuck-at-1故障，因此数据与响应不同，R为1，计数器会计数一次，溢出信号ccarry为1，如虚线框3所示；在之后的访问中，该单元将会被旁路，如虚线框4所示。

第4个New MC的FF1存在stuck-at-1故障，FF2存在stuck-at-0故障。在第1次访问时应用测试数据0，FF1的stuck-at-1故障与response不同，R为1，Counter计数一次，Qout转向FF2，如虚线框1所示；在第2次访问时，应用测试数据0，FF2存在stuck-at-0故障，其数据输出与response相同，R=0，其计数器将不会计数，如虚线框2所示；在第3次访问时，应用测试数据1，其stuck-at-0故障将导致R为1，因此计数器会计数一次，从而ccarry为1，如虚线框3所示；ccarry=1之后的访问中，该单元将会被旁路，如虚线框4所示。

Figure 8 Defects on multiple New MCs图8 多个MC产生故障容错仿真结果

第5个New MC的FF1存在stuck-at-1故障，而FF2为正确单元。第1次访问时，应用测试数据0，因此可检测出FF1的stuck-at-1故障，R=1，计数器计数一次，Qout从FF1转到FF2，如虚线框1所示；在第2次访问时应用测试数据0，第2个单元为正确单元，R=0，计数器不计数，如虚线框2所示；第3次访问时，应用测试数据1，该数据输出与response相同，R=0，计数器不计数，如虚线框3所示；第4次访问时，应用测试数据1，DFF为无故障单元，R=0，计数器不计数，如第4个虚线框所示。

从仿真结果来看，该结构能对MEDA芯片的菊花链进行测试、诊断和修复，并在修复不成功时，将该单元旁路。另外，New MC总的综合面积为2 012.34 μm2,小于微阵列单元的面积(2 500 μm2)[9]，因此是满足设计要求的。

5 结束语

本文针对点阵数字微流控芯片的菊花链提出可自测试、诊断和容错的结构，该结构可实现对菊花链故障进行测试，有故障出现时，可进行自修复，修复失败时会将该单元旁路。本文还给出了电脑端的实时监测测试修复过程，通过该过程可以友好地在电脑端对菊花链的状态进行实时观测。仿真结果表明了该结构的有效性。