基于ATE的RS 485收发器差分端口BPMU递归算法

杜晓冬，王 鹏，陈 诚，李岱林，黄 健，张巍巍

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072）

0 引 言

现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一。现场总线既是连接到控制现场的仪器，又是控制设备多站通信网络的基础[1]。RS 485 总线是现场总线技术的代表产品之一。RS 485 总线技术采用均衡传输和差分接收，其双线通信通常采用半双工通信模式[2]。此外，在RS 485 通信网络中，一般采用主从通信方式，即一台主机有多个从端[3]。以RS 485 总线为代表的总线技术的出现，是自动控制系统实现智能化控制、数字化、信息化、网络化、分散化的基础[4]。在RS 485 总线通信过程中，RS 485 收发器容易受到各种电磁干扰[5]。因此，RS 485 收发器的可靠性测试成为生产过程中至关重要的一步，对其芯片参数的有效测试可以辅助设计人员完善芯片设计[5]。

RS 485 收发器测试方式主要有两种：一是面向总线差分端口芯片功能特性的测试，将RS 485 接口的发送器同相输出端和反相输出端短接，通过上位机检测输入输出端数据，从而实现RS 485 收发器端口的测试[6-7]；二是面向总线收发器芯片结构的测试，利用ATE（Auto Test Equipment）自动化测试系统为被测收发器芯片提供电源和时钟信号，通过施加测试向量[8]，同时检测RS 485 收发器端口的模拟和数字输出信号，从而实现RS 485 收发器的参数测试。常规的测试方法一般模拟产品与外联设备的实际工作过程，无法对RS 485 总线收发器的性能进行有效评估[9]。基于ATE 的测试方法能准确测试RS 485 收发器的端口性能参数，因此基于ATE 测试系统的芯片测试方法成为RS 485 收发器芯片量产中测试的重要技术手段[10]。

ATE 测试系统在半导体制造中具有广泛的应用，很多厂商投入到自动测试设备的研发中，如Teradyne、Verigy 和CTA 等。Teradyne 新 一 代 的ATE 测 试 设 备 具有丰富的数字通道资源[9，11]，如电路精密测量单元（Board Percision Measurement Unit, BPMU）。在软件方面，Teradyne ATE 可以通过Visual Basic 语言实现复杂的逻辑[9，11]。递归算法是在函数运行中调用了自身的一种算法[12]，基于Teradyne ATE 软硬件设计的BPMU 递归算法理论上可实现电路的精密测量，在RS 485 收发器的差分端口参数测试中具有显著优势。

本文基于Teradyne ATE 测试系统对RS 485 收发器芯片的可靠性测试进行了详细研究，设计的BPMU 递归算法实现了RS 485 收发器差分端口参数的准确及稳定测试。本文的目的是优化RS 485 收发器差分端口参数的测试方法，主要在基于Teradyne ATE 的测试硬件和程序算法上进行了一些改进。还测试了两款RS 485 收发器芯片，对实验结果进行了验证，对比分析了常规实装测试和无BPMU 递归算法的ATE 机台测试结果。测试结果表明，基于ATE 的BPMU 递归算法满足RS 485收发器的测试可靠性要求，解决了其差分端口参数在测试中的难点，该方法可以推广到其他差分芯片的参数测试。

1 方法与设计

选用一款RS 485 低功率高速收发器，该收发器通过单一的3.3 V 电源工作。该芯片结构包括两个差分输入输出端口A、B，输入端口DI、DE、-----RE 以及输出端口RO[13]。输出电平保证在1.5 V，其标准负载为54 Ω，符合RS 485 规范[14]。该RS 485 收发器是为多点总线传输线上的双向数据通信而设计的，其芯片结构及典型应用电路网络如图1 所示。

图1 RS 485 收发器典型结构及工作电路

RS 485 收发器被设计用于半双工通信，具有1 8 单元负载接收器输入阻抗，为覆盖其收发端选取研究的差分端口参数，如表1所示，分别为发送器状态下差分端口共模输入电压ΔVOC和接收器状态下差分阈值电压VTH。

表1 RS 485 收发器差分端口参数（一）

RS 485 收发器差分端口参数在Teradyne ATE 测试系统上的测试原理图如图2 所示。考虑到Teradyne ATE 设备上数字通道支持的电平范围与该RS 485 芯片发送器和发送器工作时差分端口的负载情况。在两个差分端口分别选用负载电流和驱动电压更大的BPMU通道[15]，基于此通道可以实现BPMU 递归算法。此外，还增加了普通通道便于发送器共模输出电压（ΔVOC）的测量。

图2 RS 485 收发器在Teradyne ATE 设备上的测试原理图

RS 485 收发器的发送器和接收器是独立启用的，当禁用时，输出进入高阻抗状态。该收发器可保证高达20 Mb/s 的数据传输速率，这种低输出倾斜时间使其非常适合多数据分发应用[16]。根据以上功能描述，在Teradyne ATE 测试系统上设置相应的测试向量，其状态的切换顺序与功能表中保持一致。

基于RS 485 收发器测试原理图和差分端口参数表，在Teradyne ATE 测试系统的表格中编写测试程序，分别定义程序中各个sheet，将编写的测试向量加载。对于表1 中差分端口的参数按照BPMU 递归算法逻辑，采用Visual Basic 编程，测试时配合测试板卡同时调用A、B 端口的高压驱动通道资源进行BPMU 递归运算，ΔVOC采用单独端口采样进行电压运算[13]，程序中的运算公式如下：

式中：V为测定电压；a为主体权重因子；b为批次测试的权重因子；x为首批测试的定值；y为后批次测试值。

此外，测试程序中测试频率设置为1 MHz，电源电压为3.3 V，其余电流及端口电压根据芯片手册设置。

2 结果和分析

表2 显示了本文的BPMU 递归算法差分端口参数ATE测试结果。其中ΔVOC1和VTH1为一个电路测试100遍的数据，ΔVOC2和VTH2为100 个电路的测试数据。为推广到其他RS 485 电路，还增加了另一款RS 485 收发器的BPMU 递归算法端口参数测试结果ΔVOC3和VTH3，发现所有测试结果均在手册规定值内并接近典型值，且ΔVOC1和VTH1的标准差最小。为更直观地显示测试结果分布情况，将每组ΔVOC和VTH取lg 并绘制散点图，如图3 所示。图3a）中测试100遍数据分布趋势最为集中；图3b）中100个电路数据对比图3a）中数据分布中心位置相同，但是较为分散；图3c）中另一款RS 485 收发器的测试数据分布集中度与图3b）基本相同，但是分布位置略有不同。这是由不同器件的参数差异导致的。同时，对照表2中测试数据及标准差可得，基于Teradyne ATE 测试系统所设计的测试硬件和BPMU 递归算法程序可对RS 485总线电路的差分端口参数作出有效评估，且测试稳定性良好。

图3 RS 485 收发器的端口参数Teradyne ATE测试结果散点图

同时还对比了常规的模拟实装电路测试方法，采用直流电源与信号源模拟该RS 485收发器电路工作，同时用示波器读取信号并记录ΔVOC4和VTH4，将测试结果取lg后绘制成散点图如图4 所示。可以发现，对比图3b）中BPMU 递归算法的测试结果，图4 中测试数据的分布趋势更离散。同时考虑批量测试的时间差异[14]，基于BPMU 递归算法测试的RS 485 收发器的差分端口参数测试在准确性、稳定性和测试速度上都优于常规的外联设备测试方法。其优势主要取决于基于ATE 测试系统设计的逻辑算法和硬件上的优势[15]，也可推广于其他RS 485 总线电路。

图4 常规的模拟实装电路测试结果散点图

为了体现BPMU 递归算法测试RS 485 总线差分参数的优越性，还同时用ATE 测试系统去掉BPMU 递归算法对该款RS 485 总线电路的差分端口参数进行评估。测试结果ΔVOC5和VTH5取lg 后绘制散点图如图5 所示。对比发现，两种ATE 测试系统的测试数据散点分布中心位置大致相同，图3b）中的BPMU 递归算法得到的数据分布趋势更为集中，而图5 中的点在横坐标分布范围较广。因此，基于Teradyne ATE 系统的BPMU 递归算法对RS 485 总线差分参数测试稳定性明显优于无BPMU递归算法的ATE 测试。基于ATE 的BPMU 递归算法在RS 485 总线差分端口测试中同时兼备经济性、覆盖率和稳定性[17]。

图5 RS 485 收发器的端口参数CTA ATE测试结果散点图

3 结 语

综上所述，本文基于Teradyne ATE 测试系统结合RS 485 收发器原理，设计了测试硬件及BPMU 递归算法程序，实现了对其差分端口参数的精确测试。通过绘制基于BPMU 递归算法多遍数测试及多数量测试的ΔVOC和VTH测试结果散点图，再结合分析另一款RS 485 收发器芯片的BPMU 递归算法测试数据可得，本文的测试结果分布趋势集中，且测试稳定性良好。文中还加入了模拟实装电路测试和无BPMU 递归算法的ATE 机台测试方法作为对照，并对比了测试结果散点图，发现基于BPMU 递归算法的ATE 系统测试结果分布趋势和稳定性相较上述两种测试方法更优。基于BPMU 递归算法的RS 485 总线电路差分端口ATE 测试技术具有应用潜力，期待同类型的测试原理可推广到其他芯片的差分参数测试中。