中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所 鄭 毅

1.前言

真空熒光顯示器件（VFD）的顯示對(duì)比度高、顏色醒目、工作溫度范圍寬，還有高可靠性和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。特別是由于具有自發(fā)光的特長(zhǎng)，在環(huán)境光線暗處使用時(shí)，與需要背光的LCD比較，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。從上世紀(jì)60年代至今，VFD已經(jīng)在儀器儀表、消費(fèi)電子和汽車電子裝置上廣泛應(yīng)用。

2.整機(jī)的功能與構(gòu)成

基板檢查裝置是VFD器件生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備。它的功能是測(cè)試玻璃板上的厚膜線路（印刷銀漿工藝）或薄膜線路（真空濺射工藝）的通斷和絕緣好壞。JCJ－300型檢查機(jī)可同時(shí)檢測(cè)256個(gè)線路端點(diǎn)的導(dǎo)通和絕緣狀況。檢測(cè)部用48V電壓測(cè)試工件上各個(gè)端子的絕緣與點(diǎn)子的導(dǎo)通情況，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)RS-232串行通訊口發(fā)送給工控機(jī)。工控機(jī)根據(jù)檢測(cè)部的測(cè)試結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)表比較，判斷工件的好壞。再通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸在打標(biāo)臺(tái)上對(duì)不良品作出標(biāo)記。由于工作臺(tái)的位置精度要做到50μm才能保證檢測(cè)部的眾多探針與工件接觸良好，所以使用了機(jī)器視覺(jué)對(duì)工作臺(tái)位置做偏差修正。整臺(tái)設(shè)備由微控制器（MCU）構(gòu)成的檢測(cè)部、運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)和Visual Basic應(yīng)用程序的工控機(jī)（PC）和中型可編程控制器（PLC）與F150圖像處理系統(tǒng)4部分構(gòu)成。工控機(jī)管理協(xié)調(diào)整機(jī)各部分工作，PLC控制多臺(tái)精密伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，還通過(guò)電磁閥控制為數(shù)眾多的氣缸做機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制。檢測(cè)部是由一個(gè)8位MCU為核心的，由14塊電路板構(gòu)成的6U子架。

3.檢測(cè)部的設(shè)計(jì)原理

3.1 檢測(cè)部的技術(shù)指標(biāo)

具有256個(gè)絕緣測(cè)試（DRV）端子和256個(gè)導(dǎo)通（RCV）測(cè)試端子；測(cè)試電壓48V；絕緣電阻下限1MΩ；導(dǎo)通電阻上限2kΩ。

3.2 測(cè)試方法

檢測(cè)部256個(gè)絕緣端子和256個(gè)導(dǎo)通端子的測(cè)試方法是順序測(cè)試：給某1個(gè)端子針加上48V電壓后讀取其余255個(gè)端子針的比較器的輸出狀態(tài)，如果讀取到的狀態(tài)都是都是低電平，說(shuō)明沒(méi)有絕緣良好。如果從其他端子針的比較器讀取的電壓是高電平，說(shuō)明這個(gè)端子與其他端子漏電。給某個(gè)端子針加電后，讀取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)子針的比較器輸出狀態(tài)，導(dǎo)通的點(diǎn)子比較器輸出應(yīng)該是高電平，如果是低電平說(shuō)明工件上的線路沒(méi)有導(dǎo)通。端子探針由接48V測(cè)試電壓的開關(guān)管和連接探針與基準(zhǔn)電壓的比較器構(gòu)成。

4.電路板的結(jié)構(gòu)

4.1 端子針和點(diǎn)子針的電路結(jié)構(gòu)

4.2 MCU板

MCU板是3U高210mm長(zhǎng)的4層板。主要由AT89S52芯片、外部并行總線擴(kuò)展芯片和RS－232接口芯片等組成。MCU板上的核心器件是C51架構(gòu)的新型AT89S52芯片。芯片本身的4個(gè)8位I/O口實(shí)際只能使用30多個(gè)，無(wú)法直接滿足256個(gè)絕緣測(cè)試端子和256個(gè)導(dǎo)通測(cè)試端子的數(shù)目要求，所以用AT89S52芯片的P0口和P2口組成的外部并行總線做I/O口擴(kuò)展。把DRV板上與開關(guān)管相連的鎖存器和比較器，與RCV板上的比較器通過(guò)緩沖器接入并行總線。用訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的方式實(shí)現(xiàn)讀取比較器的輸出狀態(tài)和控制開關(guān)管的開閉。對(duì)于訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，AT89S52芯片具有專門指令，使用非常方便。用“MOVX A,@Ri”指令讀取比較器的輸出。用“MOVX @Ri,A”指令，把要啟動(dòng)或關(guān)閉的開關(guān)管的狀態(tài)寫入鎖存器，由鎖存器控制開關(guān)管的開閉。AT89S52芯片內(nèi)部的16位定時(shí)器Timer2做發(fā)送接收波特率發(fā)生器，提高測(cè)試時(shí)的通訊速度就可以縮短工件在機(jī)器上停留的時(shí)間。所以為了提高產(chǎn)量，要盡量提高M(jìn)UC與PC的通訊速度。為此選用115200bps的波特率。當(dāng)選用11.0592MHz晶體，RCAP＝65533（0FFFDH）時(shí)，Timer2輸出的時(shí)鐘輸出頻率正好是115200，沒(méi)有計(jì)算誤差。也就是說(shuō)波特率發(fā)生器的定時(shí)精度只和石英晶體的頻率飄移有關(guān)。通過(guò)向石英晶體的生產(chǎn)廠家定制的方式，選用精度為±30ppm的晶體。高質(zhì)量的石英晶體產(chǎn)生了高度準(zhǔn)確的波特率，有效的保證了串行口高速通訊的穩(wěn)定性。檢查機(jī)的運(yùn)行地點(diǎn)是具有強(qiáng)干擾的工業(yè)環(huán)境，即使采用多層PCB板布線，改善了接地效果并對(duì)電源加強(qiáng)濾波和隔離措施，也無(wú)法保證MCU連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)星期都不會(huì)死機(jī)，所以開啟了芯片內(nèi)部的硬件WatchDog。在程序指令中穿插了對(duì)WatchDog的清零指令。在與PC機(jī)的通訊協(xié)議中，對(duì)于WatchDog定時(shí)溢出引起復(fù)位后如何恢復(fù)通訊，也做了周全的考慮。確保MCU偶爾復(fù)位不會(huì)對(duì)整機(jī)連續(xù)運(yùn)行造成影響。

MCU板的電原理圖：

4.3 DRV板

每個(gè)DRV板有64個(gè)端子針，4塊DRV板組合成256個(gè)絕緣測(cè)試端子。每個(gè)端子由開關(guān)管和控制開關(guān)管的鎖存器和串接了降壓電阻的比較器組成。板上全部比較器的同相輸入端都連接到同一個(gè)基準(zhǔn)電壓。64個(gè)開關(guān)管分成8組，由8片與總線相連的74AC564鎖存器控制。16個(gè)LM339比較器由8片74AHC540緩沖器接入總線。板上2片74ALS138譯碼器的輸出分別控制8片緩沖器的片選信號(hào)和8片鎖存器的片選信號(hào)。1片74ALS520地址比較器用來(lái)設(shè)定地址范圍。

DRV板電原理圖第1部分：

DRV板電原理圖第2部分：

DRV板端子針的結(jié)構(gòu)：

DRV板是4層PCB板，片式元器件雙面貼裝。頂層和低層作為元件層和走信號(hào)線，5V電源與48V電源和基準(zhǔn)電壓這3個(gè)最大的網(wǎng)絡(luò)用分隔平面層的方法放在第三層；地線在第二層，是一個(gè)完整的平面層。所有與地線連接的元件管腳都通過(guò)花孔與地線層連接。在設(shè)計(jì)PCB的過(guò)程中使用了最先進(jìn)的“原理圖驅(qū)動(dòng)”布局方式，最大限度的縮短了這個(gè)元件數(shù)量繁多的4層電路板的設(shè)計(jì)周期?！耙?guī)則驅(qū)動(dòng)”的布線方式確保最少人工干預(yù)，保障無(wú)差錯(cuò)布線，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 RCV板

每個(gè)RCV板具有128個(gè)端子針。2塊RCV板組合成256個(gè)導(dǎo)通測(cè)試端子。板上的128個(gè)針由獨(dú)立的降壓元件接入比較器。板上全部比較器的同相輸入端都連接到基準(zhǔn)電壓。128個(gè)端子針連接到32片LM339比較器。比較器的輸出通過(guò)16片74HC540緩沖器接入總線。板上2片74ALS138譯碼器的輸出構(gòu)成16片緩沖器的片選信號(hào)。1片74ALS520地址比較器用來(lái)設(shè)定地址范圍。

由于RCV板上探針線路比DRV板的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且沒(méi)有高電壓網(wǎng)絡(luò)，所以出于降低成本的目的，對(duì)RCV板采用雙面電路板設(shè)計(jì)。RCV板與DRV板一樣采用“原理圖驅(qū)動(dòng)”布局。與DRV板不同的地方是：DRV板為保證視覺(jué)美觀，機(jī)器預(yù)布線完成后在規(guī)格約束下對(duì)布線做了較多人工調(diào)整。而RCV板由于工作電壓低，對(duì)絕緣距離要求不高，布線規(guī)則簡(jiǎn)單，為加快設(shè)計(jì)速度，基本全部使用自動(dòng)布線完成。

5.整機(jī)結(jié)構(gòu)

檢測(cè)部由1塊背板、1塊MCU板、4塊端子（DRV）板、2塊點(diǎn)子（RCV）板和5V與48V電源構(gòu)成，全部安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的19英寸6U子架內(nèi)。每塊DRV板有600多個(gè)零件，每塊RCV板有1000多個(gè)零件，整機(jī)零件數(shù)量共計(jì)約4500個(gè)。DRV板和RCV板是6U高210毫米長(zhǎng)的大板，MCU板是3U高210毫米長(zhǎng)的小版。一塊3U高全長(zhǎng)背板連接MCU板，全部DRV板和RCV板。6塊小轉(zhuǎn)接板分別連接到各個(gè)DRV和RCV板做測(cè)試端子的引出。由于MCU板和其它板子高度不同，所以在子架中安裝了分層架，把子架內(nèi)部空間分隔成左右兩部分。左側(cè)分隔成上下兩層，每層3U高。MCU板安裝在子架的左側(cè)上層，DRV板和RCV板均勻排列安裝在子架中間偏右側(cè)。前面板上安裝電源開關(guān)和保險(xiǎn)絲。背板上預(yù)留了RS-232串行口的插座和全部端子針和點(diǎn)子針的引出插座。為了提高整機(jī)抗電磁干擾的性能和防止異物掉落進(jìn)子架損傷電路板，在子架的頂部和底部安裝了鋁屏蔽網(wǎng)罩。

6.結(jié)束語(yǔ)

整機(jī)要具有較強(qiáng)的抗干擾能力和提高電磁兼容性的設(shè)計(jì)思想，貫徹在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段。自2004年9月完成安裝調(diào)試。投入使用后，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一直運(yùn)行穩(wěn)定可靠，沒(méi)有發(fā)生過(guò)故障，實(shí)現(xiàn)了高可靠性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]AT89S52 數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].ATMEL公司.

[2]Standard Logic & Linear Selection Guide CD-ROM Texas Instruments.