姜 曉，胡少英，曹 曲，景波云

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 210003）

數(shù)據(jù)采集器電路板自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜 曉，胡少英，曹 曲，景波云

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 210003）

數(shù)據(jù)采集器電路板自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)利用夾具固定被測(cè)電路板，該文通過測(cè)試探針接觸需要檢測(cè)的信號(hào)通道，一次性將被測(cè)板件的功能和性能測(cè)試完畢，通過面板上的指示燈顯示測(cè)試結(jié)果和故障類型。該測(cè)試平臺(tái)操作簡單可靠，既降低了測(cè)試成本，又提高了測(cè)試效率，可有效地避免人為誤差，保證測(cè)試精度。

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)；數(shù)據(jù)采集器電路板；工裝夾具；功耗測(cè)量；流程控制

在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，為了保證電路板在裝入外殼后能夠正常工作，通常需要提前對(duì)電路板進(jìn)行功能和性能的測(cè)試。在目前的生產(chǎn)工序中，通常需要調(diào)試檢驗(yàn)人員，借助大量的調(diào)試設(shè)備如電壓源、電流源、示波器等進(jìn)行測(cè)試。這種方式成本高、效率低、易產(chǎn)生人為誤差，隨著技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，已經(jīng)不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需求。因此流程化的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)成為亟待解決的問題。

水情數(shù)據(jù)采集器廣泛應(yīng)用于水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中[1]，產(chǎn)量較大，之前的生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)采用人工調(diào)試的方式，其調(diào)試檢驗(yàn)效率已無法滿足需求。在此針對(duì)該電路板設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)[2]。

數(shù)據(jù)采集器除了普通I/O接口之外，還擁有RS485，RS232，SDI-12等多種通訊接口。其自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，是包括夾具、機(jī)箱及集成在機(jī)箱內(nèi)的整套測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)測(cè)試裝置利用夾具將被測(cè)電路板固定，通過測(cè)試探針接觸需要檢測(cè)的信號(hào)通道，一次性將被測(cè)板件的通訊接口、I/O接口、電源拉偏、板件功耗等項(xiàng)目測(cè)試完畢，最后通過面板上的指示燈顯示測(cè)試結(jié)果和故障類型。解決現(xiàn)有技術(shù)所需，利用自動(dòng)測(cè)試裝置對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行功能和性能的測(cè)試，無需外接萬用表、示波器等測(cè)量設(shè)備，由單片機(jī)控制測(cè)試流程，操作簡單可靠[3]。

1 設(shè)計(jì)方案概要

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的外觀設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)外觀示意Fig.1 Appearance sketch map of automatic test platform

圖1的上半部分為平臺(tái)的結(jié)果顯示區(qū)域。按照需測(cè)試的功能分為若干個(gè)故障指示燈，當(dāng)對(duì)應(yīng)功能測(cè)試不通過時(shí)點(diǎn)亮；測(cè)試功能全部通過時(shí)，點(diǎn)亮最后的OK燈。故障燈采用紅色，OK燈采用綠色，以示區(qū)分。在內(nèi)部另設(shè)蜂鳴器，出現(xiàn)故障退出時(shí)，以聲音提示告警。圖1的下半部分為測(cè)試區(qū)域。該區(qū)域包括工裝夾具、串口通訊端口、總電源按鍵、船型開關(guān)。測(cè)試板和電源模件放置在平臺(tái)內(nèi)部。

測(cè)試過程如下：①開始時(shí)，將外部串口連接PC機(jī)，打開總電源；②測(cè)試人員將被測(cè)電路板放置在夾具上，以四角的定位螺柱固定方向，按下壓板使測(cè)試探針接觸測(cè)試點(diǎn)；③將船型開關(guān)撥至OFF位置，此時(shí)為程序下載狀態(tài)，通過上位機(jī)下載測(cè)試程序至被測(cè)電路板；④下載完成，將船型開關(guān)撥至ON位置，此時(shí)為測(cè)試狀態(tài)，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)按順序執(zhí)行各個(gè)功能和性能的測(cè)試；⑤等待告警蜂鳴器響或OK燈點(diǎn)亮，測(cè)試結(jié)束。

2 工裝夾具

測(cè)試平臺(tái)的整體工裝部分如圖2所示。使用時(shí)，電路板四角的定位孔對(duì)準(zhǔn)定位螺柱放入卡槽；扳動(dòng)快速夾，使壓板下壓，通過壓針抵住電路板使其下降，下壓至針板，下部的測(cè)試探針與測(cè)試點(diǎn)相接觸，將信號(hào)引出。工裝夾具還包括軸承、彈簧、浮板、壓棒、立柱等部件。

圖2 工裝示意Fig.2 Sketch map of fixture

測(cè)試探針是用于電子測(cè)試中，測(cè)試電路板的一種測(cè)試連接電子元件。探針主要由3部分組裝而成：針管，為銅合金鍍金；彈簧，為琴鋼線和彈簧鋼鍍金；針頭，為工具鋼（SK）鍍鎳或鍍金。探針的外套管可以連焊接線。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械力學(xué)中的死點(diǎn)夾緊原理，當(dāng)連桿與連架桿的兩鉸接點(diǎn)和其中一連架桿與機(jī)架的鉸接點(diǎn)，三點(diǎn)同在一直線時(shí)，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，如圖3所示。這時(shí)，被壓緊的電路板，無論有多大的反力（除破壞性反力），也無法使機(jī)構(gòu)變動(dòng)。于是壓頭也就不會(huì)松開，此時(shí)彈簧針完全壓緊在測(cè)試點(diǎn)上，測(cè)試信號(hào)通過彈簧針輸入輸出到被測(cè)試板上，完成測(cè)試。

圖3 夾具原理示意Fig.3 Schematic of fixture

3 測(cè)試電路

測(cè)試電路選擇以STM32F103系列微控制器作為CPU，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）通訊接口測(cè)試。分別設(shè)置RS232接口、RS485接口、SDI12接口，與被測(cè)板連接，通過收、發(fā)數(shù)據(jù)測(cè)試端口功能是否正常。任意一個(gè)通訊端口功能正常，則可用于測(cè)試命令發(fā)送端口。

2）GPIO接口測(cè)試。配置單片機(jī)GPIO端口，部分用于接收被測(cè)板的開關(guān)量輸出信號(hào)，部分用于輸出高電平供被測(cè)板采集。同時(shí)，設(shè)計(jì)A/D采集電路，用于采集被測(cè)板模擬量信號(hào)，計(jì)算誤差。被測(cè)板信號(hào)的輸出和采集均通過功能正常的通訊端口發(fā)送命令控制[4]。

圖4 測(cè)試電路總體框圖Fig.4 Overall block diagram of test circuit

3）時(shí)鐘校準(zhǔn)。配置單片機(jī)定時(shí)器，采集被測(cè)板時(shí)鐘頻率信號(hào)，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)命令通過功能正常的通訊端口進(jìn)行發(fā)送。

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4）電源切換。被測(cè)板電路由12 V直流供電，要求拉偏范圍為9～16 V。另外設(shè)計(jì)一路3.3 V供電，用于被測(cè)板電源回路短路測(cè)試。因此，定制可調(diào)電源，并由繼電器控制切換，提供3.3 V/9 V/12 V/16 V 4種供電電壓。電源切換原理如圖5所示，VDDS為被測(cè)板供電正極，4路供電切換由CPU的4個(gè)GPIO口控制。

圖5 電源切換原理Fig.5 Power switching schematic

5）短路及功耗測(cè)量。在被測(cè)板電源回路中串接電阻，采集電阻上的電壓判斷被測(cè)板電流消耗是否正常。與電源切換模塊配合使用。被測(cè)板為低功耗設(shè)備，需要保證休眠及喚醒時(shí)，功耗都保持在一定范圍內(nèi)。測(cè)試時(shí)，通過功能正常的通訊端口發(fā)送休眠指令，測(cè)試休眠功耗，然后通過外部中斷喚醒，測(cè)試喚醒功耗。另外，還需進(jìn)行3.3 V供電狀態(tài)下的短路測(cè)試，此時(shí)被測(cè)板應(yīng)無法正常啟動(dòng)，其阻抗非常大，判斷其電流應(yīng)小于某個(gè)閾值。

由于被測(cè)板休眠時(shí)電流為微安級(jí)，而喚醒時(shí)達(dá)到100 mA，相差近1000倍。為了測(cè)量精度和A/D采集的匹配，設(shè)計(jì)2種不同阻值的串聯(lián)電阻，分別為0.1 Ω和100 Ω。其電路原理如圖6所示。

圖6 功耗測(cè)量原理Fig.6 Power measurement schematic

圖6中，RB為串接在被測(cè)板電源回路中的電阻，RB=100 Ω，在休眠狀態(tài)下，通過運(yùn)放 AD623，將其電壓放大100倍后，進(jìn)入A/D采樣。在喚醒狀態(tài)時(shí)，控制繼電器 K5，使 RA（RA=0.1 Ω）與 RB并聯(lián)，并聯(lián)后電阻接近0.1 Ω，再通過運(yùn)放，同樣放大100倍后進(jìn)入A/D采樣。通過這種方式，可以使A/D的采樣電壓在休眠和喚醒2種狀態(tài)下，均在一個(gè)近似的范圍內(nèi)，很好地解決了范圍跨度較大的電流測(cè)量問題，同時(shí)也保證了采樣精度。

4 控制流程

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)由單片機(jī)控制流程，獨(dú)立完成測(cè)試，并輸出結(jié)果。整體流程如7所示。

（1）測(cè)試開始首先進(jìn)行短路判斷，繼電器切換至3.3 V供電，采集串聯(lián)電阻的電壓，判斷電流是否滿足要求。若超限則蜂鳴告警，并斷電退出；若合格則繼續(xù)。

（2）判斷船型開關(guān)狀態(tài)，若在OFF，則等待測(cè)試人員下載測(cè)試程序；若在ON則繼續(xù)。

圖7 測(cè)試流程Fig.7 Test flow chart

（3）連接被測(cè)板RS232端口，根據(jù)事先定義的通訊協(xié)議進(jìn)行收發(fā)測(cè)試。若端口故障，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能故障燈，并繼續(xù)；若端口正常則繼續(xù)。

（4）連接被測(cè)板RS485端口，根據(jù)事先定義的通訊協(xié)議進(jìn)行收發(fā)測(cè)試。若端口故障，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能故障燈，并繼續(xù)；若端口正常則繼續(xù)。

（6）分別切換9 V/12 V/16 V電源供電，并在每種電平下發(fā)送休眠指令，使被測(cè)板進(jìn)入休眠狀態(tài)并采集功耗，然后使能外部中斷，喚醒被測(cè)板并采集功耗。有任一情況下功耗超限，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能故障燈，并斷電退出；在各個(gè)情況下的功耗均滿足要求，即視為功能正常，繼續(xù)。

（7）通過功能正常的通訊端口，向被測(cè)板發(fā)送開關(guān)量輸出指令，并采集對(duì)應(yīng)端口電平是否滿足要求。然后，向被測(cè)板開入端口輸出高電平，并命令被測(cè)板進(jìn)行采集，通過通訊協(xié)議告知測(cè)試平臺(tái)是否采集成功。若出現(xiàn)故障，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能故障燈，并繼續(xù)；若正常則繼續(xù)。

（8）通過功能正常的通訊端口，向被測(cè)板發(fā)送模擬量輸出指令，并通過A/D采樣電路采集對(duì)應(yīng)端口是否滿足要求。若出現(xiàn)故障，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能故障燈，并繼續(xù)；若正常則繼續(xù)。

（9）通過定時(shí)器采集被測(cè)板時(shí)鐘頻率，根據(jù)固定時(shí)間段內(nèi)累計(jì)的上升沿?cái)?shù)量，計(jì)算時(shí)鐘頻率的偏差值，通過功能正常的通訊端口，向被測(cè)板發(fā)送校準(zhǔn)參數(shù)，由被測(cè)板進(jìn)行軟件校準(zhǔn)。操作完成后繼續(xù)。

（10）全部功能和性能測(cè)試完畢，判斷是否有故障燈被點(diǎn)亮，若有則蜂鳴報(bào)警并斷電退出；若全部正常，則點(diǎn)亮OK燈并斷電退出。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集器電路板的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。使用該測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行電路板的功能和性能測(cè)試，整個(gè)測(cè)試流程由單片機(jī)控制獨(dú)立完成，杜絕人工干預(yù)，避免了人為誤差；無需外接測(cè)量儀器儀表，大大降低了測(cè)試成本。完成1個(gè)電路板的測(cè)試，由原來人工的10 min以上縮短至1 min，顯著地提高了生產(chǎn)效率，也極大地減少了測(cè)試人員的工作量。使用工裝夾具進(jìn)行被測(cè)板的固定，并通過測(cè)試探針接觸測(cè)試點(diǎn)的方式，去除了原來人工測(cè)試時(shí)被測(cè)板的機(jī)械磨損，提升了生產(chǎn)測(cè)試環(huán)節(jié)的安全性，也提高了信號(hào)連接的可靠性。

[1] 曹年紅.ACS系列微功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[C]//全面建設(shè)小康社會(huì)：中國科技工作者的歷史責(zé)任——中國科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上）.北京：中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2003.

[2] 叢書全，蔣志華，陳劍濤.基于計(jì)算機(jī)控制的無人機(jī)裝備自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2014，34（3）：19-21.

[3] 溫東旭，楊輝，王旭寧.電力保護(hù)裝置保障性自動(dòng)測(cè)試方案研究與實(shí)踐[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（10）：23-25.

[4] 于勁松，李行善.下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13（1）：42-44.

Design and Application of Automatic Test Platform for Data Acquisition Circuit Board

JIANG Xiao，HU Shao-ying，CAO Qu，JING Bo-yun

（Nari Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

Automatic test platform fixs the circuit board with the fixture，the test probe contact signal channel that need to be detected.Automatic test platform test the function and performance of the tested panel at one time，display the test result and the fault type through the indicator light on the panel.The test platform is simple and reliable，which can not only reduce the test cost，but also improve the testing efficiency.It can effectively avoid human error and guarantee test accuracy.

automatic test platform；data acquisition circuit board；fixture；power measurement；flow control

TP311

B

1001-9944（2017）08-0021-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.006

2017-02-24；

2017-05-31

姜曉（1983—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗娬径卧O(shè)備研發(fā)；胡少英（1979—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗姀S自動(dòng)化；曹曲（1988—），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樗姀S自動(dòng)化；景波云（1982—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)。