【芯片测试篇】：93K测试机I2C的设置和调试

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I2C 总线配置

• I2C 是一种双向，两线串行通讯接口，分别是串行数据线 SDA 和串行时钟线 SCL 。两根线都必须通过一个上拉电阻接到电源。

• 总线上发送数据的器件被称作发送器，接收数据的器件被称作接收器。控制信息交换的器件被称作主器件，受主器件控制的器件则被称作从器件。主器件产生串行时钟 SCL，控制总线的访问状态，产生 START 和 STOP 条件。

• 只有当总线处于空闲状态时才可以启动数据传输。每次数据传输均开始于 START 条件，结束于 STOP 条件，二者之间的数据字节数是没有限制的，由总线上的主器件决定。信息以字节（8位）为单位传输，第9位时由接收器产生应答。

起始和停止条件

• 数据和时钟线都为高则称总线处在空闲状态，当 SCL 为高电平时 SDA 的下降沿（高到低）叫做起始条件（START，简写为S），SDA 的上升沿（低到高）则叫做停止条件（STOP，简写为P）。

位传输

• 每个时钟脉冲传送一位数据。SCL 为高时 SDA 必须保持稳定，因为此时 SDA 的改变被认为是控制信号。

数据格式/应答

• I2C 的数据字节定义为 8 位长度，每次数据传输的字节数没有限制。每个传输的字节后必须跟随一个应答（ACK）信号：应答信号的时钟由主设备生成，而接收方通过拉低 SDA 线，并在应答时钟脉冲的高电平阶段保持其低电平，来产生实际的应答信号。

• 若从设备处于忙状态（需先完成其他任务，才能发送或接收下一个数据字节），它可将 SCL 保持在低电平，从而迫使主设备进入等待状态。当从设备准备好并释放时钟线时，正常的数据传输将恢复。

完整的 I2C 数据传输

1. 在以起始条件（S）开始通信后，主机先发送一个7位的从机地址，随后紧跟第8位 — 读/写位。读/写位用于指示主机是从从机接收数据，还是向从机写入数据。

2. 接着，主机释放 SDA 线，并等待从机的应答信号（ACK）。每个传输的字节后都必须跟随一个应答位：为了应答，从机需将 SDA 线拉低，并在 SCL 线的高电平周期内保持低电平。

3. 数据传输始终由主机以停止条件（P）终止，以此释放通信线路。不过，主机也可产生重复起始条件（Sr），无需先发送停止条件（P）就能寻址另一个从机。

4. 停止条件的定义是：当 SCL 为高电平时，SDA 线发生从低到高的跳变 。除起始和停止条件外，SDA 线的所有电平变化都应在 SCL 为低电平时进行。

PE 结构

1. 驱动（输入）

   • 驱动单元为被测器件（DUT）提供输入信号，从向量存储单元获取格式化逻辑信号 FDATA（仅 0 或 1 ），从参考电压源（RVS）获取 VIL/VIH 参考电平，将电平与逻辑信号结合：
     • 若 FDATA 为逻辑0，施加 VIL（DUT 识别为逻辑0的最大电压）到DUT输入引脚。
     • 若 FDATA 为逻辑1，施加 VIH（DUT 识别为逻辑1的最低电压）到DUT输入引脚。

2. 动态负载

   • 动态负载（Active Load，又称电流负载），在功能测试时连接到 DUT 输出端充当负载，由测试程序控制提供拉电流（IOH — DUT 输出逻辑 1时，其输出引脚必须向外提供的电流，测试系统从 DUT 引脚 “拉取” 电流）和灌电流（IOL — DUT 输出逻辑 0时，其输出引脚必须接纳的电流，测试系统向 DUT 引脚 “灌入” 电流）。
   • 参考电压（Voltage Reference，表示为Vref）决定是 IOH 起作用还是 IOL 起作用；当待测器件的输出电压高于 Vref 时，ATE从被测器件引脚拉取电流 IOH；当待测器件的输出电压低于 Vref 时，ATE向被测器件引脚灌入电流 IOL。

3. 电压接收

   • 若DUT输出电压 ≤ VOL → 判定为逻辑0。
   • 若DUT输出电压 ≥ VOH → 判定为逻辑1。
   • 若DUT输出电压 介于 VOL 和 VOH 之间（VOL < 电压 < VOH）→ 判定为 三态电平（高阻态）或无效输出。

93K setup

• I2C 总线上的所有设备都使用开漏输出，并且使用时需要连接上拉1.5K，2.2K 或者 4.7K 的电阻，在 93K 测试机上可使用 vt = VCC 和 iol = VCC / pull-up_resistor 配置 Active Load 用来代替实际的电阻，term = load。

• I2C 总线上数据的传输速率有 100kbit/s 和 400kbit/s，在 spec 文件 set timing 中的 period 可以设置为 10us 或者 2.5us。

• 将 vth = VCC / 2.0 用来比较高低电平。

• 按照 Topic 360281 — 定义 I2C 协议，参考 Topic 0482073425 — 标准I2C接口，写I2C class method。

I2C 调试

• 硬件连接：

  • 检查电源 pin 和复位 pin 是否供电稳定，检查 dcVI 是否连接并且上电 VCC，可以用万用表确认，instrument 视图测量或者 profiling()。
  • 检查 DUT 的 SDA/SCL 引脚是否正确连接到机台的 pogo pin，loadboard 上是否存在虚焊。
  • 上拉电阻：根据 VCC 和 pull-up_resistor 求 iol。

• 总线配置：

  • 设备地址 + 读/写位 发送是否正确。
  • 时钟频率是 100kbit/s 还是 400kbit/s，修改 period 为 10us 或者 2.5us。
  • ​起始信号和停止信号时序是否正确。
  • 第9个周期的 ack 是否为低电平。
  • MCU 烧录的固件是否正确，在跑 I2C 时序前是否要加延时，有时会加到几十ms。

• 必要时通过示波器抓取波形查看：在使用示波器连接 DUT pin 时，机台要先断开连接，也就是数字pin和电源pin的 disconnect = true; ，如果不断开的话 DUT pin 上是有电压的，而如果此时示波器设置上升沿 VCC / 2.0 电压触发，示波器探头接触到 DUT pin 时就会直接抓到波形，而这个并不是想要的。

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