MEDA芯片菊花鏈的自動容錯設計

張 玲

(江西財經大學軟件與物聯網工程學院,江西 南昌 330013)

1 引言

MEDA芯片(Micro-Electrode-Dot-Array biochip)是新出現的一種基于微單元陣列的數字微流控芯片[1]。與傳統數字微流控芯片不同，MEDA的每個微單元MC(Micro-electrode Cell)都包含驅動電極和傳感檢測電路，這些MC可動態分組驅動不同質量、不同形狀的液滴，靈活地實現各類生化實驗[2,3]。基于MEDA的原型結構已由3.3 V電平，TSMC 0.35 μm的工藝實現[3]。

隨著生化協議復雜度的提高，其對MEDA芯片規模的要求也不斷增加。MEDA芯片的結構涉及流體領域和電子領域，導致其更易出現多類型、高復雜性的故障。按故障發生的位置，可將MEDA芯片的故障分為2大類，即MC之間的故障和MC之內的故障[4]；按故障發生的持久性，MEDA芯片的故障可分為永久性故障和間歇性故障。不同類型的故障均可能導致錯誤，影響整個實驗結果[2]。MEDA芯片通常用于生命科學領域，必須進行全面的在線和離線測試，離線測試主要發生在制作階段，用于測試芯片在制作完成后的正確性，而在線測試一般與生物協議實驗同時進行，用于進一步提高生化實驗的準確性[5,6]。

由于MEDA芯片在每個MC中嵌入了傳感檢測單元，因此它可在驅動液滴的同時，實現對每個液滴運行情況的實時監測。由于外部引腳面積代價較大，為減少外部引腳和增加控制能力，MEDA結構的所有微單元(MC)的一位寄存器被一個菊花鏈(也稱為數據掃描鏈)串接，這個鏈可用最少的外部引腳100%地控制所有的陣列單元。在將驅動數據移入到每個微陣列的同時，菊花鏈也以同樣的方式移出所有微單元的檢測結果。菊花鏈用極少的端口實現了對所有MC的控制，但這也正是MEDA芯片的問題所在，菊花鏈的串接使得其故障具有全局效應，即使只有一個故障存在于菊花鏈上，也會帶來災難性的后果。

文獻[7]首次提到了菊花鏈故障，并進行了故障測試，但沒有給出相應的測試和診斷方法；文獻[8]針對MEDA芯片設計了相對可靠的微單元系統，提高了MEDA芯片的有效性。文獻[9]首次對菊花鏈進行初步容錯設計，但未給出具體的實現過程。對MEDA結構來說，故障不僅出現在流體領域而且還會出現在電子領域，而絕大多數的電子故障會導致流體移動的異常。可靠性是MEDA芯片的重要指標之一，為保證MEDA芯片結果的準確性，不僅需要對菊花鏈進行全面的測試和診斷，而且需要有效的容錯策略。

本文為MEDA芯片設計有效的菊花鏈容錯結構。該結構將具有整體性的菊花鏈分成單個微單元，打破菊花鏈故障的全局性，利用測試響應自動觸發容錯過程，實時對故障單元進行修復，若修復失敗則將其旁路，實現對菊花鏈中微單元的自動容錯。該結構為每個微單元增加一個二選一選擇器和一個與門電路，不會增加額外的外部引腳，硬件代價合理。另外，通過與電腦的接口控制診斷容錯過程，可在電腦端以友好的方式監測整個測試診斷及運行過程。

2 菊花鏈故障全局性分析

MEDA芯片基于微單元陣列結構，每個微陣列單元由驅動電路和傳感監測電路組成，其示意圖在圖1[10]中給出，每個微陣列單元的驅動數據和檢測數據被存儲在其一位寄存器中，這些一位寄存器被串成可移動的數據通路，即菊花鏈。菊花鏈通過一個外部入口實現了對所有微陣列單元的完全控制，具有較高的效率，但這同時也是其問題所在。

Figure 1 Diagram of MEDA architecture圖1 MEDA結構示意圖

Figure 2 Daisy chain of MEDA architecture圖2 MEDA結構的菊花鏈結構示意圖

圖2給出了MEDA結構的菊花鏈結構(用來移入微單元的驅動數據和移出檢測數據)。如圖2所示，在每個驅動周期，每個微陣列單元的驅動數據都通過菊花鏈移入到對應的一位寄存器，用來表示是否驅動相應的微單元，而檢測電路檢測到的數據也會存入其一位寄存器中，并通過菊花鏈移出。由此可見，菊花鏈串行移入微陣列單元的驅動數據，并移出相應的檢測數據，其操作的串行性會導致其故障的全局效應。如圖2所示，若FF2上出現故障，則其用來驅動微電極陣列的數據將不能串行正確地移入到FF2～FFn,此時雖然FF2的傳感監測電路可能捕獲到相應液滴的異常，但相應的檢測結果卻無法從菊花鏈移出，這就導致了整個微陣列的失效。MEDA芯片常用于生命科學領域，其可靠性至關重要，因此必須對菊花鏈進行測試診斷，并進行有效的容錯設計。

3 測試響應觸發的菊花鏈容錯設計

MEDA結構的菊花鏈與傳統CMOS電路的掃描鏈類似，但由于其固有屬性，多數用于傳統掃描鏈的測試和容錯結構并不能直接用于MEDA結構的菊花鏈上。

Figure 3 Illustration of the New MC architecture圖3 New MC結構示意圖

它們的區別主要存在于3個方面：功能不同、結構不同、對可靠性的要求也不同。功能上，傳統掃描鏈將電路中的觸發器串成用于測試的通路，其主要功能是為測試服務，而MEDA結構的菊花鏈是功能性的，用來傳輸的是功能數據；結構上，傳統電路掃描鏈的單元之間具有其他功能路徑，而MEDA結構的菊花鏈在未運行生化協議之前不存在任何其他功能路徑；對可靠性的要求上，傳統掃描鏈是用來傳輸測試數據，而MEDA結構的菊花鏈傳輸的是功能數據，且是對精確度要求非常高的實驗數據，因此，它對可靠性的要求更高。

MEDA結構菊花鏈測試不難實現，只需用鏈測試模式(Chain Pattern，也稱Flush Pattern，用來測試掃描鏈的完整性)[11]來對其進行測試，Chain Pattern本身就足以確定掃描鏈存不存在故障，但它不能定位故障，也不具有容錯功能。而對于MEDA芯片的容錯設計來說，其外部引腳的面積要比內部單元大得多，因此容錯設計要以不增加外部引腳為原則。

3.1 自診斷容錯的New MC結構

相對于圖2中的原始掃描單元，本文稱具有自診斷和容錯功能的單元為New MC。如圖3所示，圖中較小的虛線框內為原始MC，為實現容錯功能，New MC在原始MC的基礎上增加了一個冗余DFF(D Flip-Flop)FF2，一個一位計數器和若干與門，如外圍虛線框所示。scan_in、scan_out和CLOCK分別為掃描輸入、掃描輸出和時鐘信號；R為scan_out與正確響應比較的結果(此處僅給出New MC結構，scan_out與正確響應的比較部分電路未畫出)，若相同則表示該單元不存在故障，該值為0，否則為1；ctli為該單元的訪問信號，該值為1時，該單元被訪問，否則該單元被旁路。其他內部信號還包括計數器時鐘counterclk，計數器輸出counterout，計數器使能信號counteren，計數器溢出信號ccarry，該New MC的旁路信號passbyline。

該New MC單元通過比較其輸出與正確響應來確定FF1是否在在故障，若存在故障，則響應的比較結果信號R會控制Counter計數一次，從而控制MUX1的輸出信號Qout從Q1轉到Q2，實現容錯功能。Qout=Q2會以同樣的方式測試、診斷，若FF2也存在故障，則Counter會溢出，其溢出信號ccarry會控制passbyline=0，該單元被永久旁路。該New MC的具體工作過程如下所示：

初始化：

1ctli=1;

2R=0;

3counterout=0;

診斷過程：

4counterout=0;

5Qout=Q1;

6response=Qout?

7 Yes,R=0;counteren=0;goto 4;

8 No,goto 7;

Figure 4 Data scan chain composed of New MC圖4 由New MC組成的菊花鏈

修復過程：

9R=1;

10counteren=1;

11 falling edge ofcounterclk;

12counterout=counterout+1;

檢查FF2:

10counterout=1;

11Qout=Q2;

12reponse=Qout?

13 Yes,R=0,counteren=0;goto 10;

14 No,goto 13;

旁邊過程：

15R=1;

16counteren=1;

17 falling edge ofcounterclk;

18counterout=counterout+1;

19counteroverflows;

20ccarry=1;

counterkeeps holding;

The MC is bypassed.

初始ctli=1，R=0，counterout=0，如第1～2行所示；由于counterout=0，因此Qout=Q1，response為正確響應，與Qout進行比較，若正確，則R=0，該單元無故障，正常工作如第4～6行所示；若存在故障，則啟動修復過程，R=1(ccarry=0，ctli=1)，使能Counter，它會在時鐘下降沿做一次計數操作，如第7～9行所示；Counter的計數操作使counterout=1，從而使Qout從存在故障的FF1轉到FF2，即Qout=Q2，此時Qout再以同樣的方式比較response與Qout，若無故障，則R=0，counteren=0；否則啟動旁路過程，如第10～12行所示；此時R=1表示FF2也存在故障，Counter會在時鐘下降沿計數一次，Counter溢出，ccarry=1，從而Counter的使能信號Counteren=0，該counter不會再計數，而passbyline=0，該New MC被永久旁路。

3.2 由New MC組成的菊花鏈

由該New MC組成的菊花鏈如圖4所示，相對于原始菊花鏈，為每個New MC增加一個二選一選擇器，通過控制其ctl信號可實現對每個單元的測試和診斷。其具體測試診斷過程可描述如下:

(1)i=n。

(2)第i個New MC的控制信號ctli為1，其他New MC的控制信號為0，則此時 New MCi被訪問，其他被旁路。通過與FFr輸出值進行比較，測試診斷New MCi。

(3)i=i-1,若i≠0，則轉(2)；否則退出。

其控制信號的時序圖如圖5所示。如圖5所示，由ctl控制New MC的輪詢訪問，第1個時鐘周期，ctln=1，而ctl1,ctl2,…,ctln-1均為0，因此只有第n個New MC接收時鐘信號，其他New MC 被旁路，此時其測試數據在送入New MCn的同時也被送入FFr，通過異或邏輯，比較兩者的輸出，若結果相同，表示無故障，則R=0，否則R=1，啟動New MC的修復過程。第2個時鐘周期，ctln-1=1，其他ctl為0，ctln-1將以同樣的方式進行測試、診斷和修復。依次為ctln-2,ctln-3,…,ctl1進行測試、診斷和修復。如圖5所示，ctl信號為一組相同的、時間相差1個時鐘周期的信號，它們可以從CLOCK信號獲得，不需要增加額外的外部信號。

Figure 5 Time sequence of the control signals of ctl圖5 ctl信號時序圖

3.3 容錯診斷的實時監測

MEDA結構一般通過電腦端控制其運行，并通過其集成的傳感檢測電路實時將測試數據送到電腦端，因此實現了實時數據的監測[12]。但是，這些運行過程均依賴不存在故障的菊花鏈，因此必須提高菊花鏈的可靠性。

基于New MC的菊花鏈對每個單元進行分時訪問，并在訪問過程中實現自測試和容錯過程，可用于離線和在線測試。本結構中，本文還可以在電腦端設計監聽端口，實時檢測每個New MC的故障、修復和旁路情況。在芯片測試診斷過程中，電腦端接收scan_out的信號，并與正確的響應進行比較，與芯片同步更新故障、容錯和旁路信號，并可用不同標識在電腦端顯示，從而實現對每個New MC的實時容錯監測。

電腦端的測試診斷過程如下所示：

Ftj用于記錄每個MC產生故障的次數；每個單元包含2個DFF;Flag用來標識是否存在故障MC。

1 初始化：所有的Fti=0;//i=1,2,…,n

2 測試遍歷New MC;

3forj=0 ton

4 應用測試激勵0；

5if(存在struck-at-1故障，且Ftj!=-1)

6 則Ftj=Ftj+1;

7 修復一次；

8else應用測試激勵1

9if(存在stuck-at-0故障，且Ftj!=-1)

10 則Ftj=Ftj+1;

11 修復一次；

12elseif(Ftj==1)

標記該單元為修復成功單元；

13 endif

14endif

15endfor

16Flag=0;

17forj=0 ton

18if(Ftj==0)

19 標記該單元為無故障單元；

20elseif(Ftj==1)

21Flag=1;//啟動下一次遍歷修復

22break;

23elseif(Ftj≥2)//該單元被旁路

24Ftj=-1;

標記該單元為修復失敗被旁路單元；

25endif

26endfor

27if(Flag)

28 轉2；

29endif

其中，Fti用來記錄第i個New MC產生故障的次數，Flag用來標識菊花鏈中是否存在有故障的MC。其具體過程可描述如下：初始化，所有Ft=0，如第1行所示。利用分時方法測試遍歷菊花鏈，應用測試激勵0，用來檢測stuck-at-1故障，若scan_out的比較結果與正確響應不同，則對應的Ftj加1，如第4～7行所示；而若不存在stuck-at-1故障，則檢測是否存在stuck-at-0故障，若存在，則相應的Ftj加1，如第8～11行所示；若既不存在stuck-at-0故障，也不存在stuck-at-1故障，則檢查該單元是否已被修復一次，若被修復一次，即Ftj==1，則標記該單元為修復成功單元，如第12行所示。完成遍歷后，設置標識Flag為0，檢查所有New MC的Ft，若Fti=0，標記該i單元為無故障單元，如第18～19行所示；若Fti==1，則表明其對應的Qout已從Q1轉向Q2，完成修復，則設置Flag=1，表示需要進行第2次測試診斷，以完成FF2是否存在故障的測試，如第20～22行所示(即只要存在1個被修復FF1，就會跳出循環，進行第2次修復)。而若Fti≥2,則表明第i個單元修復失敗，已被旁路，因此設Fti為-1，標記該單元為修復失敗被旁路單元，將不能再被使用，如第23～24行所示。檢查Flag，若為1，則表明存在需要檢查FF2的單元，啟動第2次修復，否則表明該菊花鏈測試診斷修復完成，如26～29行所示。

4 實驗結果和分析

為驗證本結構的有效性，本文對30×30[12]的MEDA芯片進行實驗，Multisim[13]被用來對本自診斷和容錯的菊花鏈進行仿真，其時鐘設為1 MHZ[14]，高電平為3.3 V，低電平設為0 V。本文對單故障、多故障、單個New MC和多個New MC進行仿真。

首先對出現在單個New MC上的單故障和多故障進行仿真，其仿真結果如圖6和圖7所示。

Figure 6 stuck-at-1 defects on single New MC圖6 stuck-at-1故障出現在單個New MC上

Figure 7 Stuck-at-0 defects on signal New MC圖7 stuck-at-0故障出現在單個New MC上

圖6給出了New MC上出現單個故障和多個故障的仿真結果。如圖6所示，圖中左側給出了所對應的信號，它們分別為時鐘信號CLOCK、掃描輸出scan_out、正確的響應response、故障信號R、FF1輸出Q1、FF2輸出Q2、該New MC的輸出Qout、控制信號ctl、計數器時鐘信號counterclk、計數器清零信號counterclr、計數器輸出counterout、計數器使能信號counteren、旁路信號passbyline、計數器溢出信號ccarry，這些信號與圖3和New MC具體工作過程中的信號對應，圖6中橫坐標為時間。圖6表示的是New MC的FF1和FF2均存在stuck-at-1故障(仿真中FF1、FF2初始值為0，插入故障為stuck-at-1)，第1次訪問該New MC時，由于stuck-at-1故障與response的值不同，因此R=1,Counteren被使能，在counterclk下降沿，Counter計數一次，counterout由0變1，Qout從Q1轉向Q2，該過程如圖6中虛線框1所示，可見若FF2不存在故障，則修復成功。但是，FF2同樣被插入了stuck-at-1故障，因此在第2次訪問期間，R=1，counteren=1，使能計數器，在counterclk的下降沿，計數器又計數一次，導致該計數器溢出，ccarry=1，該過程如虛線框2所示。由于ccarry為1，導致passbyline=0，計數器的使能信號counteren=0，因此該單元被旁路，在第2次之后的訪問中，該單元被永久旁路，即passbyline永久為0，如虛線框3所示。

圖7給出了FF1和FF2上均出現stuck-at-0故障的仿真結果，與圖6類似，在第1次訪問期間，由于故障的存在使R為1，因此使能Counter計數一次，使Qout從Q1移到Q2，如圖7中虛線框1所示；在第2次訪問期間，FF2仍存在故障，因此R仍為1，Counter作第2次計數，造成passbyline永久為0，該單元被旁路。

圖8給出了相鄰5個單元的仿真結果，其左側仍為每個New MC對應其結構中的信號，右側為其電壓，橫坐標為時間。如圖8所示，最上側的5個公共信號分別為時鐘信號CLOCK、測試數據信號scan_in、正確響應信號response、數據輸出信號scan_out，故障信號R。在第1個時鐘周期，New MC 1被訪問一次，該單元不存在故障，scan-out與response相同，因此R=0，Counter不作加法，Qout=Q1，該過程在虛線框1中給出；在第2次訪問時，測試數據為1，該單元無故障，因此Counter保持為0，如虛線框2所示；可見該單元為無故障單元，因此在第3次和第4次訪問中，scan_out總是與response相等，R保持為0。

第2個New MC的FF1存在stuck-at-1故障，而其FF2也存在stuck-at-1故障，因此在第1次訪問時，其故障信號R=1，在counterclk下降沿，Counter計數一次，Qout轉向FF2，如虛線框1所示；FF2同樣存在stuck-at-1故障，因此在其第2次的訪問中(如虛線框2)，其數據輸出與正確響應不同，故障信號R=1，計數器在counterclk的作用下第2次計數，因此導致其溢出信號ccarry為1，從而使得passbyline永久為0，該單元在之后的訪問中將被永久旁路，如虛線框3和4所示。

第3個New MC的FF1存在stuck-at-0故障，FF2存在stuck-at-1故障，在其第1次訪問時，應用的測試數據為0，因為其輸出與response相同，因此R=0，Counter未做加法操作，如虛線框1所示；在第2次訪問時，應用測試數據1，由于FF1存在stuck-at-0故障，因此其輸出與response不同，R=1，Counter會在其時鐘下降沿計數一次，從而其Qout從FF1轉向FF2；在第3次訪問中，測試數據為0，而FF2存在stuck-at-1故障，因此數據與響應不同，R為1，計數器會計數一次，溢出信號ccarry為1，如虛線框3所示；在之后的訪問中，該單元將會被旁路，如虛線框4所示。

第4個New MC的FF1存在stuck-at-1故障，FF2存在stuck-at-0故障。在第1次訪問時應用測試數據0，FF1的stuck-at-1故障與response不同，R為1，Counter計數一次，Qout轉向FF2，如虛線框1所示；在第2次訪問時，應用測試數據0，FF2存在stuck-at-0故障，其數據輸出與response相同，R=0，其計數器將不會計數，如虛線框2所示；在第3次訪問時，應用測試數據1，其stuck-at-0故障將導致R為1，因此計數器會計數一次，從而ccarry為1，如虛線框3所示；ccarry=1之后的訪問中，該單元將會被旁路，如虛線框4所示。

Figure 8 Defects on multiple New MCs圖8 多個MC產生故障容錯仿真結果

第5個New MC的FF1存在stuck-at-1故障，而FF2為正確單元。第1次訪問時，應用測試數據0，因此可檢測出FF1的stuck-at-1故障，R=1，計數器計數一次，Qout從FF1轉到FF2，如虛線框1所示；在第2次訪問時應用測試數據0，第2個單元為正確單元，R=0，計數器不計數，如虛線框2所示；第3次訪問時，應用測試數據1，該數據輸出與response相同，R=0，計數器不計數，如虛線框3所示；第4次訪問時，應用測試數據1，DFF為無故障單元，R=0，計數器不計數，如第4個虛線框所示。

從仿真結果來看，該結構能對MEDA芯片的菊花鏈進行測試、診斷和修復，并在修復不成功時，將該單元旁路。另外，New MC總的綜合面積為2 012.34 μm2,小于微陣列單元的面積(2 500 μm2)[9]，因此是滿足設計要求的。

5 結束語

本文針對點陣數字微流控芯片的菊花鏈提出可自測試、診斷和容錯的結構，該結構可實現對菊花鏈故障進行測試，有故障出現時，可進行自修復，修復失敗時會將該單元旁路。本文還給出了電腦端的實時監測測試修復過程，通過該過程可以友好地在電腦端對菊花鏈的狀態進行實時觀測。仿真結果表明了該結構的有效性。