某型DSP芯片指标测试设计与实现

聂聪聪，李永红，岳凤英

（1.中北大学 仪器与电子学院，太原 030051；2.中北大学 电气与控制工程学院，太原 030051）

随着科技飞速的创新，各类集成芯片的制造工艺也越来越高，各种高集成度、性能强大、结构复杂的DSP 芯片的生产也不是十分的困难，但接踵而来的便是芯片生产制造过程中各项性能指标测试变得越来越麻烦，且成本也逐渐升高[1]。芯片测试的目的是在较短的时间内发现该款芯片更多的不足之处或者证明没有缺陷，市场上芯片测试的方法有scan、BIST、端口测试模式，以及基于FPGA、Linux 系统、LabVIEW 等设计的测试系统，目前常用的是ATE测试平台，对待测芯片的对应端口施加激励，观察输出端口的值，与理想值进行比较来判断芯片的各项功能是否正常[2]。但是这种ATE 测试机价格昂贵、不方便移动，而且芯片测试过程中无法使用传统的软件调试手段[3-4]。所以，一套高效、低成本和配置可调的测试方法来检测DSP 芯片成为了亟待解决的问题。本文基于美国NI 公司设计的一种虚拟以及软件（LabVIEW）作为上位机对DSP 芯片进行总体的测试，使用CCStudio v3.3 软件进行数字处理芯片各项算法的测试。在保证测试结果准确的前提下，很好地降低了芯片测试所需时间和成本[5-7]。

1 测试系统的总体结构

待测DSP 芯片的指标测试系统的总体结构框图如图1所示，整个系统由被测芯片、上位机软件、程控电源、电子负载、实际负载、六位半万用表、示波器、信号源、驱动板、热电偶、环境测试试验箱等组成。通过上位机对这些仪器设备进行控制，仪器设备通过GPIB 总线或者RS485 与上位机进行通信。

图1 测试系统结构图Fig.1 Test system structure diagram

芯片指标测试系统需要产生的直流电源电压为28 V、5 V 和3.3 V，28 V 和3.3 V 电压由程控电源提供，5 V 由28 V 经驱动板上的降压模块提供，5 V 是为驱动板上的继电器模块提供参考电压。这些硬件设施负责产生测试信号，采集待测芯片施加相应激励后的响应信号，接收软件测试平台的测试向量，完成通信协议的分析和处理然后向上位机发送测试得到数据[8]。

2 DSP 芯片简介和各项指标测试方法

2.1 芯片简介

本次测试的是一款兼容SMJ320C6701-SP 的DSP 芯片。该款兼容芯片工作电源电压I/O 为3.3 V，内核1.9 V；工作频率160 MHz；温度范围-55 ℃～125 ℃；典型功耗小于1.5 W；片内存储器大于1 Mbit；峰值运算能力1280 MIPS，960MFLOPS[9]。该款兼容DSP 芯片包含程序存储器和数据存储器，片内存储一方面为DSP 内核提供指令，也能提供CPU 的内核与外部的接口功能，其程序存储器的总容量为64 KB。该款兼容芯片的片内还有许多的集成外设，例如四通道DMA 控制器、2 个32 位通用定时器等。

2.2 芯片指标测试方法

该款SMJ320C6701-SP 的兼容芯片主要待测指标有运算能力测试、电流闭环性能测试、速度闭环性能测试、位置闭环性能测试和读写时序特性、器件温升测试[10]。

2.2.1 FOC 浮点运算性能验证

DSP 外接编码器和两路AD 转换器，DSP 在不同工作主频下运行浮点FOC 算法，每次运算前和完成后都将GPIO 进行反相，利用示波器测量GPIO 输出波形的宽度，算法中包含速度计算、park 变换、逆park 变换、PID 控制器、空间矢量发生器等模块，结构如图2所示。测试方法为加载测试DSP 微处理器测试程序，连续运行程序。利用示波器表笔监测测试点上T1NP0_Z 信号的间隔周期。

图2 电机控制FOC 算法框图Fig.2 Motor control FOC algorithm block diagram

2.2.2 电流闭环性能测试、速度闭环性能测试、位置闭环性能测试

加载对应项的测试程序，连续运行程序，利用示波器表笔监测TX2 测试点上信号的间隔周期。电流闭环频率性能测试，监测TX2 测试点上信号的间隔周期，并判断测试点上T1NP0_Z 信号的间隔周期125 μs，留一定裕度，判断电流环闭环控制频率是否大于8 kHz；速度闭环频率测试，利用示波器表笔监测TX2 测试点上信号的间隔周期，判断速度环闭环控制频率是否大于2 kHz；位置闭环频率性能测试，利用示波器表笔监测TX2 测试点上信号的间隔周期，判断测试点上T1NP0_Z 信号间隔周期2 ms，且预留一定裕度，判断位置环闭环控制频率是否大于500 Hz。部分试验测试程序如图3所示。

图3 位置闭环和速度闭环部分程序Fig.3 Position closed loop and velocity closed loop part of the program

2.2.3 DSP 读写时序特性测试

EMIF 接口测试，在相应位宽模式下进行读写，对读写时序参数进行修改后，进行数据读写测试；对外部存储空间分别进行多次随机地址读写；然后进行连续全地址扫描读写等操作。内存存储器测试是对内部SRAM 空间进行读写操作，通过多个随机地址读写、连续地址读写等操作测试内嵌存储功能。DMA 测试在100 MHz 频率点进行测试。方法为DMA 主要功能就是进行数据的搬移，配置DMA 相关寄存器，设置源地址、目的地址、数据传输方式等，在源地址先预写数据，之后开启DMA 操作，在DMA 操作完成之后，读取目的地址的数据并与源地址数据比较，通过判断数据是否一致，证明DMA 工作是否正常。

2.2.4 环境适应性指标测试

环境稳定性包括热循环和热真空，主要测量芯片温升，主要目的是为提高芯片在恶劣环境下运行的可靠性。热循环试验是在正常环境压力，温度为-30 ℃～65 ℃，温变速率为3 ℃/min～5 ℃/min。热真空试验是在真空环境下压力优于6.65×10-3Pa，试验温度为-30 ℃～65 ℃；温变速率不小于1 ℃/min，最低不应低于0.5 ℃/min。一个完整的热循环试验工况图如图4所示。

图4 一个完整热循环工况图Fig.4 A complete thermal cycle diagram

3 测试系统软件设计与硬件设计

3.1 软件设计

LabVIEW 是一款基于图像化的编程软件，其程序的编写类似于流程图的构建，具有很好的逻辑性。本文采用其进行系统总体控制程序的编写，利用实验室常见的仪器设备搭建了一个完备的测试系统。使用LabVIEW 编写温升测试主程序，控制面板如图6所示。热循环和热真空芯片温升的上位机设置有16 通路，其可以同时测量16 款芯片的温升，可通过改变上位机程序增加测量通路。在基于LabVIEW的上位机中文本语言的优势，本文基于C 语言的程序设计规范开发了特定功能程序数据储存模块。将采到的数据以Excel 文件的形式存放在上位机设定的文件夹中，实现实时自动记录。对于DSP 芯片算法部分的测试代码是基于CCStudio 编写的，它是针对芯片测试开发的全面IDE，能够很好的满足各项复杂的需求。

图5 芯片温升主程序Fig.5 Chip temperature rise main program

图6 芯片温升上位机界面Fig.6 Chip temperature rise upper computer interface

3.2 硬件设计

该款兼容SMJ320C6701-SP 的DSP 芯片，是已经集成在一张板卡上，本次试验是测多个不同的芯片，本文只把DSP 芯片测试拿出来做单独的介绍，该款芯片与外围芯片的连接电路结构图如图7所示。待测芯片为DSP，其余的如FPGA、SRAM、两块H 桥驱动芯片等为外围芯片。该系列DSP 芯片的最小系统连接电路图如图8所示。在板卡设计之初便留有引出的引脚可供测试使用。

图7 芯片外围结构图Fig.7 Chip peripheral structure diagram

图8 DSP 芯片最小系统连接框图Fig.8 DSP chip minimum system connection block diagram

4 试验结果

通过对DSP 芯片的FOC 浮点运算性能验证，得到其闭环频率为947 Hz 对应的周期为1.055 ms满足指标要求。电流闭环（频率）性能验证，测试得到其闭环频率为160 kHz 对应时间周期为62.2 μs满足该款芯片的指标要求。速度闭环（频率）性能验证，测试得到其闭环频率为3.87 kHz 对应时间周期为258 μs 满足该款芯片的指标要求。位置闭环（频率）性能验证，测试得到其闭环频率为974 Hz 对应时间周期为1.055 ms 满足该款芯片的指标要求。

DSP 读写时序特性测试，测试得到该款器件的读写时序特性测试结果如表1所示，其DMA 测试图如图9所示，内存测试图如图10所示，经测试该款DSP 芯片的DMA 和内存达到了理想指标要求。热循环的芯片温升曲线如图11所示，热真空的芯片温升如图12所示。芯片温升波形中的凸起或凹陷是芯片试验过程中上电和断电的点，进行了3 次低温启动和3 次高温启动，在开始的一个和倒数的两个循环应进行低温和高温启动，同时进行数据的采集和记录。热循环试验如图13所示，热真空试验如图14所示，常态进行各项指标测试的试验图如图15所示。

表1 DSP 读写时序特性测试表Tab.1 Test table of DSP read and write timing sequence characteristics

图9 DMA 测试图Fig.9 DMA test pattern

图10 内存测试图Fig.10 Memory test diagram

图11 热循环芯片温升曲线Fig.11 Thermal cycle chip temperature rise curve

图12 热真空芯片温升曲线Fig.12 Temperature rise curve of thermal vacuum chip

图13 热循环试验图Fig.13 Thermal cycle test diagram

图14 热真空实验图Fig.14 Diagram of a thermal vacuum experiment

5 结语

芯片性能指标测试是保证芯片质量的关键步骤，提高芯片测试的准确性、大大地减少了测试过程中的成本消耗、减少芯片指标测试所需时间是该套系统设计的主要目标。本文根据实际项目需求，设计了一款兼容SMJ320C6701-SP 的DSP 芯片的测试系统。完成芯片硬件测试平台的设计与制作，采用虚拟仪器开发平台LabVIEW 完成了上位机搭建，使用CCStudio v3.3 进行相关算法程序的编写。经实际应用其测试精度达到芯片数据手册的要求，满足此次芯片测试的需求。此系统经相应的修改可以使用到类似芯片的指标测试中。