在現(xiàn)代自動測試行業(yè)中,，大量采用可程控儀器來搭建測試系統(tǒng),。早期的不同程控儀器采用不同的程控語言導(dǎo)致程控儀器與計算機(jī)之間的接口語言非標(biāo)準(zhǔn)化，使得如何控制每一臺儀器成為了第一要務(wù),，一體化測試系統(tǒng)難以短期搭建,。因此，建立在IEEE 488.2規(guī)范基礎(chǔ)上的SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) 應(yīng)運而生,。SCPI確定了計算機(jī)與程控儀器之間接口語言標(biāo)準(zhǔn)化,，縮短自動測試儀器的開發(fā)時間，并提高了集成系統(tǒng)的效率,。目前SCPI應(yīng)用的領(lǐng)域包括數(shù)字萬用表,、示波器、可控電源,、負(fù)載等,，沒有涉及到功率半導(dǎo)體測試行業(yè)。
    本文在探討SCPI命令的創(chuàng)建和命令解析器設(shè)計的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到IGBT可靠性測試設(shè)備,，針對該設(shè)備設(shè)計符合要求的程控命令以及擴(kuò)展性好的解析器,。該應(yīng)用下，程控命令由主機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送給測試設(shè)備,，測試設(shè)備接收并且對其進(jìn)行解析,，轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以識別的目標(biāo)代碼，從而完成主機(jī)所要求的操作,；在設(shè)備運行過程中,，被測器件(DUT)的所有測試參數(shù)也均通過以太網(wǎng)返回給主機(jī)，由主機(jī)對其分析處理,。通過以太網(wǎng)傳輸SCPI命令及測量數(shù)據(jù)不僅有效節(jié)約了硬件資源,，也使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性能得以提升。
1 SCPI簡介
    SCPI是測量儀器程控命令的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),，定義標(biāo)準(zhǔn)化的SCPI命令只與測試儀器的功能及其性能,、精度有關(guān)，而與儀器硬件組成,、制造廠家,、通信物理連接硬件環(huán)境和測試程序編寫環(huán)境等均無關(guān)。它是建立在IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)代碼和格式基礎(chǔ)之上的,，基于ASCII碼,，依附BASIC、C,、C++等編程語言，可以在LabVIEW,、MATLAB,、Visual Studio、Keil 等環(huán)境下使用,。由于具有硬件獨立性,，可以通過任何儀器接口發(fā)送，如RS232,、GPIB,、VXIbus、LAN口等,。同時SCPI編程具有橫向一致性和縱向一致性,。不同測試儀器的相同功能具有相同的命令形式，在橫向上使測試儀器兼容,；同時使用相同的命令可以控制同一類儀器中的相同功能,，使得儀器在縱向上兼容。
2 SCPI語法分析
    SCPI命令關(guān)鍵字通常是有意義的英文單詞，也稱助記符,，分長短型兩種,。短型助記符由長型助記符的前4個字符構(gòu)成，如CONFigure的短型為CONF,。當(dāng)助記符長度大于4,，并且第4個字符為元音時，則取前3個字符表示為短格式,，如POWer的短型為POW,，而FREE的短型為FREE。
　SCPI可以分為兩類,，一是IEEE 488.2公共命令,，另一部分是儀器特定命令。公共命令是IEEE 488.2規(guī)定的必須要執(zhí)行的命令,，一般不涉及到具體操作,，但是有整體控制功能，如復(fù)位,、狀態(tài)和同步,，其語法格式為：‘*關(guān)鍵字’或‘*關(guān)鍵字?’。問號表示查詢,，主要用來獲取儀器的設(shè)置或狀態(tài),。常用的公共命令有 *RST、*IDN?,、*CLS等,。儀器特定命令是與儀器相關(guān)的，針對不同的儀器,，命令不同,。該命令包括關(guān)鍵字和可選的一個或多個參數(shù)，格式如下：
    <關(guān)鍵字>[:<關(guān)鍵字>[&hellip;] <空格> [<參數(shù) 1>[, <參數(shù)2>[&hellip;]]]
其中,，冒號（:）用于分離關(guān)鍵字,，方括號（[]）用于包含可選關(guān)鍵字。關(guān)鍵字之后是參數(shù),，由空格符隔開,，不同參數(shù)之間使用逗號（,）進(jìn)行隔開。儀器命令關(guān)鍵字具有分層結(jié)構(gòu),，其中第一級關(guān)鍵字級別最高,，后續(xù)的關(guān)鍵字級別較低；儀器特定執(zhí)行命令通常后帶參數(shù),，參數(shù)類型包括數(shù)值型,、布爾型,、字符型、字符串等,。
    SCPI命令實際使用時,，習(xí)慣將命令字符串逐個發(fā)送；也可以將多個命令組合成一個命令串發(fā)送,。SCPI命令組合使用,，其具有模塊化強(qiáng)、使用更便捷等優(yōu)勢,，但針對特定儀器,，對命令解析器的設(shè)計要求較高。
3 SCPI命令解析器設(shè)計
    測試儀器接收SCPI命令,，能否準(zhǔn)確地識別并進(jìn)行下一步動作關(guān)系列測試系統(tǒng)整體性能的好壞,，因此SCPI命令解析器的設(shè)計至關(guān)重要。
3.1 SCPI命令的創(chuàng)建
    根據(jù)SCPI命令層次結(jié)構(gòu)的特點,，可以對命令節(jié)點采用順序結(jié)構(gòu)存儲和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲等,。本文針對該半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的命令，采用較容易實現(xiàn)的單鏈表結(jié)構(gòu)來存儲命令節(jié)點,，該結(jié)構(gòu)便于命令節(jié)點的存儲和擴(kuò)展,。命令節(jié)點關(guān)鍵字的存儲結(jié)構(gòu)如下：
struct SCPIcmd {
       char Keyword[15];   //長型助記符
       int  ShortNum;     //短型助記符字符個數(shù)
       int  CommandType; //命令類型
       char ParType;       //參數(shù)類型
       int  ParNum;      //期望的參數(shù)個數(shù)
       struct StrPar *SzStr;  //參數(shù)結(jié)構(gòu)體
       int (*CmdFunc)();    //執(zhí)行儀器功能函數(shù)
       int (*QueFunc)();    //執(zhí)行查詢功能
       bool DefNode;      //該結(jié)點是否為默認(rèn)節(jié)點
       struct SCPIcmd *Next;   //指針指向下一關(guān)鍵字
       };
3.2 SCPI命令的解析
　由SCPI命令樹形結(jié)構(gòu)的特點可知， IEEE 488.2公共命令的深度為1,，不需要進(jìn)行下一個關(guān)鍵字結(jié)點的查找,；而儀器特定命令的深度具有不確定性，隨著系統(tǒng)逐漸龐大,，深度值也會隨之增大,；如果存在下一級關(guān)鍵字結(jié)點，就必須對其進(jìn)行查找,。本文采用單鏈表算法順序查找關(guān)鍵字結(jié)點,，從時間上考慮，處理速度相對較慢,，不適合大量數(shù)據(jù)的操作；但是由于程控儀器的可程控命令關(guān)鍵字結(jié)點數(shù)有限,并且儀器采用的處理器的速度很快,，單鏈表算法完全可以滿足解析器的設(shè)計要求,。
　    對于本文解析器的設(shè)計,首先從整體上確定SCPI命令的解析過程，規(guī)定解析過程中相應(yīng)的執(zhí)行函數(shù),，然后結(jié)合二維數(shù)組共同實現(xiàn)解析,，該數(shù)組中行表示由特殊連接符(冒號、分號等)分解出字符串的不同的首字符,，列表示執(zhí)行函數(shù)的標(biāo)號,，數(shù)組中存儲的亦為將要執(zhí)行的函數(shù)標(biāo)號,。針對公共命令和半導(dǎo)體測試儀器命令，規(guī)定的解析過程執(zhí)行函數(shù)如下：
char (*RoutineFunc[9])(int) = {
      ErrAlert,        //0錯誤提示
      CurCommRoot,  //1公共命令關(guān)鍵字賦入口地址
      CurDevRoot,    //2儀器命令關(guān)鍵字賦入口地址
      Common488,    //3 公共命令關(guān)鍵字查找
      DevCmdSearch,  //4 儀器命令關(guān)鍵字查找
      CurDevNext,    //5儀器命令下一關(guān)鍵字查詢
      SaveCurNode,    //6存儲當(dāng)前結(jié)點
      Quit,           //7退出解析
      ErrAlert         //8錯誤提示
};
    存儲執(zhí)行函數(shù)標(biāo)號的二維數(shù)組如下：
int StateTable[7][6]=
    {        /*0  1   2    3    4     5 */
    /*STATE    *:   alpha  ;  EOM  unknown */
    /* 0 */    {1,  2,  2,   8,    0,    8},
    &hellip;         &hellip;  &hellip;  &hellip;   &hellip;   &hellip;    &hellip;        
    /* 6 */    {1,    2,  2,   0,    0,    8}
    };
    SCPI命令整體的解析流程如圖1所示,。解析器收到SCPI命令字符串后,，首先判斷首字符是否為星號、冒號或者字母,，如果不是,，提示輸入錯誤；如果是,，則結(jié)合二維數(shù)組,，通過初始狀態(tài)零和首字符判定將要執(zhí)行的函數(shù)(其中首次執(zhí)行的函數(shù)是為命令根節(jié)點提供入口地址)。然后存儲該函數(shù)標(biāo)號,，該標(biāo)號同時也作為新的狀態(tài)量提供給下一個關(guān)鍵字查找使用,。查找關(guān)鍵字并判斷該關(guān)鍵字節(jié)點是否存在指向下一關(guān)鍵字的指針，如果存在,，保存當(dāng)前的節(jié)點信息并繼續(xù)查找余下字符串的首字符,；如果不存在，則表明關(guān)鍵字查找結(jié)束,，根據(jù)該節(jié)點定義的命令類型來執(zhí)行半導(dǎo)體測試系統(tǒng)相應(yīng)的功能函數(shù),；若該命令為查詢類型，則返回狀態(tài)值,；若為功能執(zhí)行類型,，則根據(jù)命令有無參數(shù)作進(jìn)一步處理。

    本文解析器在功能上進(jìn)一步加強(qiáng),，使得組合命令能夠有效地得到解析,。當(dāng)?shù)谝粋€關(guān)鍵字功能函數(shù)執(zhí)行完畢后繼續(xù)查找字符，若遇到分號,，則表明輸入的SCPI命令為組合命令,，應(yīng)存儲當(dāng)前節(jié)點并重復(fù)該命令關(guān)鍵字查找函數(shù)；若遇到結(jié)束符,，則解析結(jié)束,，退出解析過程。
4 IGBT可靠性測試中SCPI的應(yīng)用
    IGBT可靠性測試主要是結(jié)合IGBT額定的電參數(shù)值對其進(jìn)行失效分析,，從而完成對它的評估和篩選,。測試方法有多種，本文測試系統(tǒng)兼容兩種常用的測試,，包括高溫反偏測試(HTRB)和高溫柵偏測試(HTGB),。
4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
　如圖2所示，測試系統(tǒng)主要由溫度控制,、測試模式選擇,、DUT被測參數(shù)采集和通信四部分電路構(gòu)成,。溫度控制部分為閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)，DUT置于高溫箱中,，根據(jù)測試要求控制高溫箱溫度,，通過反饋網(wǎng)絡(luò)來保持DUT結(jié)溫恒定。DUT的測試模式由繼電器進(jìn)行控制選擇(如圖3所示),，HTRB模式下短接?xùn)艠O-發(fā)射極,，繼電器K1、K4,、K5閉合,，K2、K3打開,根據(jù)測試需求由直流電壓源向DUT的集電極-發(fā)射極兩端提供最高3 kV的電壓,。系統(tǒng)對器件參數(shù)VCES和由分流器RSHRB產(chǎn)生的ICES進(jìn)行測試,；為了保證系統(tǒng)支持測試3 kV高壓等級的IGBT器件，K1則采用能承受至少3 kV的高壓繼電器來導(dǎo)通大電壓,。HTGB模式短接集電極和發(fā)射極,，繼電器K2、K3閉合,，K1,、K4、K5打開,，根據(jù)要求向柵極-發(fā)射極兩端施加最高100 V的電壓,，K3采用能承受電壓最高100 V的繼電器即可。該模式下系統(tǒng)對器件參數(shù)VGES和RSHGB由分流器產(chǎn)生的IGES進(jìn)行測試,。

    由于器件被測參數(shù)值VCES,、VGES很大,為滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求，將其通過比例縮放電路,縮小到A/D參考電壓的范圍之內(nèi),再對其進(jìn)行采樣以及合理的校正,。所有被測參數(shù)均對應(yīng)著不同的測試通道,，由選通器決定哪個通道與A/D轉(zhuǎn)換器輸入端相連。系統(tǒng)通信部分采用以太網(wǎng)總線替代廣泛使用的RS232,、GPIB和VXI總線,，上位機(jī)發(fā)送的命令和經(jīng)過A/D采樣得到的數(shù)據(jù)均通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。
4.2 系統(tǒng)解析功能測試
　    通過對測試系統(tǒng)硬件電路及器件參數(shù)基本測試過程的分析,，制定一系列與該系統(tǒng)相關(guān)的程控命令,，并使用Keil開發(fā)工具編寫命令解析程序，使命令轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以識別的目標(biāo)代碼,。文中根據(jù)SCPI命令的語法要求創(chuàng)建幾條針對該測試系統(tǒng)的基本命令：
    (1)顯示測試系統(tǒng)信息
    <*IDN?>          
    (2)配置測試模式為HTRB或者HTGB
    <CONF:MODE HTRB|HTGB> 
    (3)配置為高壓或者低壓測試模式
    <CONF:HVPS ON|OFF>  
    (4)測量門極電流值
    <MEAS:GATE:CURR? >
    將這些命令進(jìn)行測試，由主機(jī)依次發(fā)送,，解析器接收并處理,解析結(jié)果借助串口打印到超級終端上顯示,，如圖4所示,，解析順序通過執(zhí)行函數(shù)標(biāo)號顯示。

    結(jié)果表明命令解析器設(shè)計成功,，測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別主機(jī)發(fā)送過來的命令,，根據(jù)這一命令及時執(zhí)行相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)，完成主機(jī)所要求的操作,。解析器中單鏈表算法與數(shù)組的結(jié)合使用不僅使解析順序清晰可見,，而且增強(qiáng)解析器的可擴(kuò)展性。若測試系統(tǒng)接收到的命令為CONF:MODE HTRB,系統(tǒng)繼電器K1,、K4,、K5閉合，K2,、K3打開,；若命令為MEAS:GATE:VOLT，采樣的柵極電壓值通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行實時顯示,。測試實驗充分表明將SCPI命令應(yīng)用到IGBT測試系統(tǒng)具有可行性,。
    隨著自動測試行業(yè)的逐步發(fā)展，可程控測試儀器越來越多,，本文開拓半導(dǎo)體測試領(lǐng)域,，成功實現(xiàn)了SCPI命令在功率半導(dǎo)體可靠性測試系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得儀器操作更便捷,，測試效率更高,。應(yīng)用中命令解析器的設(shè)計完全適用于該系統(tǒng)，并且具有很好的可讀性與擴(kuò)展性,；同時該應(yīng)用還成功采用以太網(wǎng)總線進(jìn)行通信,，充分利用以太網(wǎng)的高性能及成本低廉的優(yōu)勢，實現(xiàn)SCPI命令遠(yuǎn)程控制測試儀器,，也為多臺可程控半導(dǎo)體測試儀器組網(wǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ),。
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