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EEPROM的功能测试-基于I2C总线技术

时间:2015-09-05 15:05来源:www.kanwoda.com 作者:Jerry Gao 点击:

本文在分析了I2C总线的工作原理及其特点后,通过对台湾旭星公司生产的2Kbits的串行EEPROM芯片24LC02的功能部分测试实例分析,提出了I2C总线应用下的EEPROM的一般功能测试方法。

I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。I2C 总线产生于在80年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系 统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。

  1  I2C总线特点   I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上,因此I2C总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺,并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是,它支持多主控(multimastering), 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然,在任何时间点上只能有一个主控。

  2  I2C总线工作原理  

  2.1 总线的构成及信号类型   I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的 串行总线,可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上,但 就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一模块 电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码用来选址,即接 通需要控制的电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互 不相关。   I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号, 它们分别是:开始信号、结束信号和应答信号。   开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据。   结束信号:SCL为低电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。   应答信号:接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单 元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。   目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有:CYGNAL的 C8051F0XX系列,PHILIPSP87LPC7XX系列,MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。

  3  总线基本操作   I2C规程运用主/从 双向通讯。器件发送数据到总线上,则定义为发送器,器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件(通常为微控制器)控制,主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低 电平的期间才能改变,SCL为高电平的期间,SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。参见图1。

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  3.1 控制字节   在起始条件之后,必须是器件的控制字节,其中高四位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义,EEPROM一般应为1010),接着三位为片选,最后一位为读写位,当为1时为读操作,为0时为写操作。如图2所示。

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  3.2 写操作   写操作分为字节写和页面写两种操作,对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于字节写、页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3。

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  3.3 读操作   读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是:最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作,主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

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  4 I2C总线应用下的EEPROM的测试方法

这里以常见的24LC02容量为2K的EEPROM芯片为例详细介绍该总线方式下工作的EEPROM测试方法。

  4.1 24LC02芯片特点

24LC02是容量为2Kbit的应用于I2C总线工作方式的EEPROM芯片,其芯片管脚定义如图5。 (5G`OP(PW0`NXGD350D[M`8

 

图中,A0、A1、A3为片选端,因为I2C总线最多可以挂接16Kbit的EEPROM,也就是说可以挂接8个24LC02芯片,其硬件地址就这 三个片选端决定;WP是写保护端,在发送Word Address之前起作用。    24LC02在写入数据的时候有两种模式:Byte write 和 Page write。 由此可知,在Byte write模式下,一次可写入8bit数据,而在Page write模式下一次可写入8bytes的数据。  

  4.2 24LC02的测试

以V7100 TESTER作为Master对24LC02写入数据,然后读取其数据验证与写入的数据是否一致。

对于24LC02的命令格式等细节,上面已经介绍过,这里不再赘述,下面我们来介绍一下24LC02的BLOCK DIAGRAM。

芯片中的Start/stop Logic单元处理Start/Stop信号,控制芯片是否开始工作;Slave address register&comparator单元译码Master发送的Slave address,完成与片选信号的比较,并设定write/read模式;Word address counter单元管理要写入或读取的地址,地址由xdec和ydec单元译码成行地址和列地址,24LC02的EEprom Array分为64行×4列字节单元。 根据以上分析,我们提出如下功能测试方法:

对芯片写入各种不同的字节数据来验证读取到的数据是否和写入的一致: (1)每个字节写入随机码数据,这里随机码我们选择00~FF,共256 bytes,读取看与写入的是否一致

如果该项测试通过,说明芯片基本上工作正常,但不能保证EEprom Array(2Kbit)所有bit位都能正常写入数据。

这里每个字节写入00~FF保证了写入每个word address的数据都不一样,其目的是验证Word address counter、xdec、ydec等单元是否能正常工作。 假设我们这里每个字节写入相同的数据(如00或FF等),那么在这种情况下,要是Word address counter无法正常工作,那么我们写入或读取的可能是部分地址所指向的EEprom Array中的bit位,而且无法保证xdec和ydec能正常解码行地址和列地址,譬如说我们对“10101010” word address所指向的字节写入00,如果读取“10101010”这个地址数据时,Word address counter、xdec、ydec任意单元发生了错误,那么最终我们读取到的数据就不是“10101010”这个地址所指向的字节数据,也就是说因为每 个字节数据是一样的,所以即使写入和读取的地址发生了错位,我们也会认为测试是通过的。

由此可见,要保证Word address counter、xdec、ydec等单元正常工作,我们写入的数据必须满足下列三个条件:

① 写入EEprom Array的每一行数据不一样(验证xdec单元);

② 写入EEprom Array的每一列数据不一样(验证ydec单元);

③ 写入EEprom Array的每一个字节数据不一样(验证Word address counter单元);

这就是我们选择写入00~FF的理由(当然也可以选择写入其他数据,只要符合上述最后一个条件即可)。

(2)每个字节写入数据00,读取看是否与写入的一致 通过上述第一项测试,其实已经可以基本保证芯片各单元能正常工作,接下来只需测试验证EEprom Array(2Kbit)中的每个bit位是否良好,这里写入数据00,可排除EEprom Array(2Kbit)中恒为“1”的bit位。

(3)每个字节写入数据FF,读取看是否与写入的一致

可排除EEprom Array(2Kbit)中恒为“0”的bit位。

(4)从00H地址开始写入4个字节55,接着写入4个字节AA,如此重复,直至写满256个字节,读取看是否与写入的一致。

EEprom Array中相邻bit位(包括行相邻、列相邻、对角线相邻)会互相影响。

而24LC02的EEprom Array分为4列×64行×8bit,所以我们写入上述的数据使得每个相邻bit位的数据都不一样,经过该项测试可排除相邻bit位的数据窜扰。最好是再测试一下写入4个字节AA,写入4个字节55……,看读取与写入的是否一致。

到此我们完成了全部的功能测试。24LC02读写时有page write、byte write、random read、sequential read等各种工作模式以及write protect 功能,这些测试都比较简单,这里就不再一一赘述了。

由此,我们概括出EEprom的一般测试方法:

  1. 每个字节写入random code,读取验证是否与写入时一致,从而测试Word address counter、xdec、ydec等单元是否能正常工作;Random code需要满足下面这个条件:写入EEprom Array的每一个字节数据不一样。
  2. 每个字节写入数据00或FF,读取验证是否与写入时一致,排除EEprom Array中恒“0”或恒“1”的bit位。

对EEprom Array写入相邻bit位(包括行相邻、列相邻、对角线相邻)都不一样的数据,读取验证是否与写入时一致,排除相邻bit位的数据窜扰。
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