在現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)試行業(yè)中，大量采用可程控儀器來(lái)搭建測(cè)試系統(tǒng)。早期的不同程控儀器采用不同的程控語(yǔ)言導(dǎo)致程控儀器與計(jì)算機(jī)之間的接口語(yǔ)言非標(biāo)準(zhǔn)化，使得如何控制每一臺(tái)儀器成為了第一要?jiǎng)?wù)，一體化測(cè)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(yùn)而生。SCPI確定了計(jì)算機(jī)與程控儀器之間接口語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化，縮短自動(dòng)測(cè)試儀器的開發(fā)時(shí)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(wàn)用表、示波器、可控電源、負(fù)載等，沒(méi)有涉及到功率半導(dǎo)體測(cè)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(jì)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到IGBT可靠性測(cè)試設(shè)備，針對(duì)該設(shè)備設(shè)計(jì)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(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備接收并且對(duì)其進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以識(shí)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(yùn)行過(guò)程中，被測(cè)器件(DUT)的所有測(cè)試參數(shù)也均通過(guò)以太網(wǎng)返回給主機(jī)，由主機(jī)對(duì)其分析處理。通過(guò)以太網(wǎng)傳輸SCPI命令及測(cè)量數(shù)據(jù)不僅有效節(jié)約了硬件資源，也使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能得以提升。
1 SCPI簡(jiǎn)介
    SCPI是測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)試程序編寫環(huán)境等均無(wú)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(yǔ)言，可以在LabVIEW、MATLAB、Visual Studio、Keil 等環(huán)境下使用。由于具有硬件獨(dú)立性，可以通過(guò)任何儀器接口發(fā)送，如RS232、GPIB、VXIbus、LAN口等。同時(shí)SCPI編程具有橫向一致性和縱向一致性。不同測(cè)試儀器的相同功能具有相同的命令形式，在橫向上使測(cè)試儀器兼容；同時(shí)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(yǔ)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(zhǎng)短型兩種。短型助記符由長(zhǎng)型助記符的前4個(gè)字符構(gòu)成，如CONFigure的短型為CONF。當(dāng)助記符長(zhǎng)度大于4，并且第4個(gè)字符為元音時(shí)，則取前3個(gè)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(yǔ)法格式為：‘*關(guān)鍵字’或‘*關(guān)鍵字?’。問(wèn)號(hào)表示查詢，主要用來(lái)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(duì)不同的儀器，命令不同。該命令包括關(guān)鍵字和可選的一個(gè)或多個(gè)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(hào)（:）用于分離關(guān)鍵字，方括號(hào)（[]）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(hào)（,）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(jí)關(guān)鍵字級(jí)別最高，后續(xù)的關(guān)鍵字級(jí)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(shí)際使用時(shí)，習(xí)慣將命令字符串逐個(gè)發(fā)送；也可以將多個(gè)命令組合成一個(gè)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(shì)，但針對(duì)特定儀器，對(duì)命令解析器的設(shè)計(jì)要求較高。
3 SCPI命令解析器設(shè)計(jì)
    測(cè)試儀器接收SCPI命令，能否準(zhǔn)確地識(shí)別并進(jìn)行下一步動(dòng)作關(guān)系列測(cè)試系統(tǒng)整體性能的好壞，因此SCPI命令解析器的設(shè)計(jì)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(diǎn)，可以對(duì)命令節(jié)點(diǎn)采用順序結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)等。本文針對(duì)該半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)的命令，采用較容易實(shí)現(xiàn)的單鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)命令節(jié)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)便于命令節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和擴(kuò)展。命令節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：
struct SCPIcmd {
       char Keyword[15];   //長(zhǎng)型助記符
       int  ShortNum;     //短型助記符字符個(gè)數(shù)
       int  CommandType; //命令類型
       char ParType;       //參數(shù)類型
       int  ParNum;      //期望的參數(shù)個(gè)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(diǎn)是否為默認(rèn)節(jié)點(diǎn)
       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(diǎn)可知， IEEE 488.2公共命令的深度為1，不需要進(jìn)行下一個(gè)關(guān)鍵字結(jié)點(diǎn)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(huì)隨之增大；如果存在下一級(jí)關(guān)鍵字結(jié)點(diǎn)，就必須對(duì)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(diǎn)，從時(shí)間上考慮，處理速度相對(duì)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(diǎn)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(jì)要求。
　    對(duì)于本文解析器的設(shè)計(jì),首先從整體上確定SCPI命令的解析過(guò)程，規(guī)定解析過(guò)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(shí)現(xiàn)解析，該數(shù)組中行表示由特殊連接符(冒號(hào)、分號(hào)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(hào)，數(shù)組中存儲(chǔ)的亦為將要執(zhí)行的函數(shù)標(biāo)號(hào)。針對(duì)公共命令和半導(dǎo)體測(cè)試儀器命令，規(guī)定的解析過(guò)程執(zhí)行函數(shù)如下：
char (*RoutineFunc[9])(int) = {
      ErrAlert,        //0錯(cuò)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(chǔ)當(dāng)前結(jié)點(diǎn)
      Quit,           //7退出解析
      ErrAlert         //8錯(cuò)誤提示
};
    存儲(chǔ)執(zhí)行函數(shù)標(biāo)號(hào)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(hào)、冒號(hào)或者字母，如果不是，提示輸入錯(cuò)誤；如果是，則結(jié)合二維數(shù)組，通過(guò)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(diǎn)提供入口地址)。然后存儲(chǔ)該函數(shù)標(biāo)號(hào)，該標(biāo)號(hào)同時(shí)也作為新的狀態(tài)量提供給下一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)定義的命令類型來(lái)執(zhí)行半導(dǎo)體測(cè)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(wú)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€(gè)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(hào)，則表明輸入的SCPI命令為組合命令，應(yīng)存儲(chǔ)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)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(guò)程。
4 IGBT可靠性測(cè)試中SCPI的應(yīng)用
    IGBT可靠性測(cè)試主要是結(jié)合IGBT額定的電參數(shù)值對(duì)其進(jìn)行失效分析，從而完成對(duì)它的評(píng)估和篩選。測(cè)試方法有多種，本文測(cè)試系統(tǒng)兼容兩種常用的測(cè)試，包括高溫反偏測(cè)試(HTRB)和高溫柵偏測(cè)試(HTGB)。
4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
　如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由溫度控制、測(cè)試模式選擇、DUT被測(cè)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(cè)試要求控制高溫箱溫度，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)保持DUT結(jié)溫恒定。DUT的測(cè)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(cè)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(duì)器件參數(shù)VCES和由分流器RSHRB產(chǎn)生的ICES進(jìn)行測(cè)試；為了保證系統(tǒng)支持測(cè)試3 kV高壓等級(jí)的IGBT器件，K1則采用能承受至少3 kV的高壓繼電器來(lái)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(duì)器件參數(shù)VGES和RSHGB由分流器產(chǎn)生的IGES進(jìn)行測(cè)試。

    由于器件被測(cè)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(guò)比例縮放電路,縮小到A/D參考電壓的范圍之內(nèi),再對(duì)其進(jìn)行采樣以及合理的校正。所有被測(cè)參數(shù)均對(duì)應(yīng)著不同的測(cè)試通道，由選通器決定哪個(gè)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(guò)A/D采樣得到的數(shù)據(jù)均通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。
4.2 系統(tǒng)解析功能測(cè)試
　    通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)硬件電路及器件參數(shù)基本測(cè)試過(guò)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(shí)別的目標(biāo)代碼。文中根據(jù)SCPI命令的語(yǔ)法要求創(chuàng)建幾條針對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的基本命令：
    (1)顯示測(cè)試系統(tǒng)信息
    <*IDN?>          
    (2)配置測(cè)試模式為HTRB或者HTGB
    <CONF:MODE HTRB|HTGB> 
    (3)配置為高壓或者低壓測(cè)試模式
    <CONF:HVPS ON|OFF>  
    (4)測(cè)量門極電流值
    <MEAS:GATE:CURR? >
    將這些命令進(jìn)行測(cè)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(jí)終端上顯示，如圖4所示，解析順序通過(guò)執(zhí)行函數(shù)標(biāo)號(hào)顯示。

    結(jié)果表明命令解析器設(shè)計(jì)成功，測(cè)試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，根據(jù)這一命令及時(shí)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(cè)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(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。測(cè)試實(shí)驗(yàn)充分表明將SCPI命令應(yīng)用到IGBT測(cè)試系統(tǒng)具有可行性。
    隨著自動(dòng)測(cè)試行業(yè)的逐步發(fā)展，可程控測(cè)試儀器越來(lái)越多，本文開拓半導(dǎo)體測(cè)試領(lǐng)域，成功實(shí)現(xiàn)了SCPI命令在功率半導(dǎo)體可靠性測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得儀器操作更便捷，測(cè)試效率更高。應(yīng)用中命令解析器的設(shè)計(jì)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(shí)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(shì)，實(shí)現(xiàn)SCPI命令遠(yuǎn)程控制測(cè)試儀器，也為多臺(tái)可程控半導(dǎo)體測(cè)試儀器組網(wǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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