梁鶴鳴

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等等新技術(shù)不斷地沖刷我們的認(rèn)知。如何利用新技術(shù)來構(gòu)建完善的測(cè)試生態(tài)系統(tǒng)中是測(cè)試技術(shù)行業(yè)發(fā)展的大方向。測(cè)試自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)該測(cè)試生態(tài)系統(tǒng)第一步。與制造業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)有所不同，自動(dòng)化測(cè)試注重測(cè)試過程的控制及數(shù)據(jù)的采集和處理，追求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可追溯。自動(dòng)化測(cè)試包括試驗(yàn)過程自動(dòng)化、結(jié)果判斷自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、報(bào)告生成自動(dòng)化等。本文從檢測(cè)工程師的視角出發(fā)，闡述從設(shè)計(jì)規(guī)劃到方案實(shí)施的全過程，為推廣測(cè)試自動(dòng)化提供一個(gè)參考。

1 自動(dòng)化測(cè)試的意義

此前，我國(guó)的制造業(yè)由勞動(dòng)密集型為主，憑借廉價(jià)的勞動(dòng)力賺取巨大的利潤(rùn)。而隨著人工成本的逐漸增加，利潤(rùn)空間逐漸縮小，企業(yè)慢慢通過自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備替代工人，以往幾百上千的車間現(xiàn)在可能只有幾個(gè)工人在值守。保證了利潤(rùn)的同時(shí)提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性，效率也有所提高。實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化，檢測(cè)行業(yè)同樣可以降低人力成本、提高測(cè)試準(zhǔn)確性。另外將測(cè)試數(shù)據(jù)全數(shù)字化管理，便于數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存及分析利用。

自動(dòng)化技術(shù)從10多年前就開始在制造業(yè)普及發(fā)展，為什么檢測(cè)行業(yè)中的自動(dòng)化程度還是那么低呢？首先有別于制造業(yè)的生產(chǎn)線，企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品比較單一，同一條生產(chǎn)線通常生產(chǎn)的是同一個(gè)規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品。而檢測(cè)行業(yè)本身對(duì)測(cè)試人員的要求較高，同時(shí)要檢測(cè)的產(chǎn)品則種類繁多，即使同類產(chǎn)品外觀參數(shù)上各式各樣五花八門。因此要針對(duì)某種產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)從設(shè)計(jì)上難度不小。而且，產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)是兩門獨(dú)立的學(xué)科，因此自動(dòng)化設(shè)備制造商往往不能很好地理解產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，或缺乏對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)制造出來的設(shè)備不一定能滿足檢測(cè)行業(yè)的需求。因此阻礙了自動(dòng)化測(cè)試的普及。

由檢測(cè)行業(yè)人員自行研究開發(fā)或主導(dǎo)開發(fā)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備可提高檢測(cè)行業(yè)的自動(dòng)化程度。我們可以將測(cè)試項(xiàng)目模塊化和將結(jié)構(gòu)檢查等人為主觀判斷的項(xiàng)目與序號(hào)通過考核量化數(shù)據(jù)的項(xiàng)目分開。前者可以將測(cè)試工程師判斷后的結(jié)果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為結(jié)果直接輸出及作為其它測(cè)試條款的參數(shù)條件使用。而后者則是自動(dòng)化測(cè)試的著重點(diǎn)，將測(cè)試過程控制、數(shù)據(jù)記錄及處理、條款的判定程式化，用電腦替代以往工程師的角色讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后判定結(jié)果。最后將數(shù)據(jù)及結(jié)果上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中，由數(shù)據(jù)庫(kù)匯總所有測(cè)試結(jié)果生成最終的測(cè)試報(bào)告。下文筆者以發(fā)熱管的測(cè)試為例子，從項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃、儀器選擇、控制電路、軟件程序、集成調(diào)試逐一介紹如何搭建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)規(guī)劃

以發(fā)熱管測(cè)試為例，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究以及平常試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)熱管的主要測(cè)試按照J(rèn)B/T 4088-2012《日用管狀電熱元件》標(biāo)準(zhǔn)中的表6試驗(yàn)進(jìn)行。這些試驗(yàn)中序號(hào)5、管體溫度測(cè)量；8、功率偏差測(cè)量；9、冷態(tài)下電氣強(qiáng)度試驗(yàn)；10、工作溫度下的泄漏電流試驗(yàn)；11、工作溫度下的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)；這幾個(gè)試驗(yàn)可通過電腦替代人工操作測(cè)試。而且這幾個(gè)測(cè)試的測(cè)試條件及主要設(shè)備大至相同，可將其整合在一個(gè)系統(tǒng)之中。因此將這幾個(gè)測(cè)試項(xiàng)目定為開發(fā)目標(biāo)。而后再深入地分析這5個(gè)試驗(yàn)需要測(cè)試的物理量、所需設(shè)備、測(cè)試條件。如表1所示的分析表將測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的條款要求進(jìn)行分解。

有測(cè)試對(duì)象目標(biāo)后，還需對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，使得整個(gè)測(cè)試流程能夠高效地執(zhí)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試順序要求，及根據(jù)試驗(yàn)條件排列出最優(yōu)化的項(xiàng)目的測(cè)試順序。5個(gè)測(cè)試中冷態(tài)電氣強(qiáng)度試驗(yàn)樣品是從初始狀態(tài)下進(jìn)行而其余的都需要達(dá)到熱穩(wěn)定因此應(yīng)排在第一個(gè)，而工作溫度下的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)則需熱穩(wěn)定后斷電測(cè)試，所以按樣品的通電順序應(yīng)排在最后。剩下的實(shí)驗(yàn)中工作溫度下的泄漏電流應(yīng)放在第2個(gè)進(jìn)行，因?yàn)樵摐y(cè)試電壓不是額定電壓而是使功率達(dá)到額定功率1.15倍時(shí)的電壓，其余試驗(yàn)的為額定電壓。較高的電壓也可以加速產(chǎn)品更快地達(dá)到熱穩(wěn)定，縮短測(cè)試的時(shí)間。那么整理一下得出表2測(cè)試順序。

圖1 JB/T 4088-2012日用管狀電熱元件標(biāo)準(zhǔn)形式試驗(yàn)要求

表1 發(fā)熱管試驗(yàn)分析表

表2 測(cè)試順序

再接下來繼續(xù)每個(gè)試驗(yàn)逐一細(xì)化，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試條件及要求，將文字條款轉(zhuǎn)換為流程圖以便后面的軟件程序的編程。下面就以功率偏差測(cè)試為例介紹如何將標(biāo)準(zhǔn)中的條款轉(zhuǎn)換為測(cè)試流程圖。

對(duì)圖2中標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品功率偏差的要求，分析解讀一下就是樣品通額定電壓，穩(wěn)定后測(cè)量產(chǎn)品的功率在計(jì)算其與額定功率的偏差，最后判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，我們將文字轉(zhuǎn)換為圖3所示的流程圖。

如此類推各個(gè)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)條款轉(zhuǎn)換為流程圖之后，項(xiàng)目前期的設(shè)計(jì)規(guī)劃就基本完成了。下面進(jìn)入下一個(gè)硬件的選擇工作。

3 儀器選擇

在構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)時(shí)選擇硬件設(shè)備應(yīng)遵循以下規(guī)則：功能滿足試驗(yàn)的需求；儀器規(guī)格滿足試驗(yàn)要求；儀器價(jià)格滿足成本要求。下面以功率偏差測(cè)試為例子介紹儀器選擇的過程。

在之前項(xiàng)目規(guī)劃中，已經(jīng)分析過了測(cè)試的需求，明確需要什么測(cè)試儀器，可以將設(shè)備選擇縮小到特定的設(shè)備儀器種類。在表1的分析表中我們需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量：電壓和功率。另外在整個(gè)測(cè)試過程中需要對(duì)測(cè)試進(jìn)行監(jiān)控如：樣品通電后要判斷樣品是否穩(wěn)定，需要根據(jù)產(chǎn)品外管發(fā)熱溫度來判斷的，因此還需要對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。此外，需要一個(gè)電源為測(cè)試供電。

圖2 JB/T 4088-2012日用管狀電熱元件標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于功率偏差試驗(yàn)內(nèi)容截圖

圖3 功率偏差測(cè)試流程圖

表3 各種通訊接口綜合比較

在將測(cè)量任務(wù)縮小到特定儀器類別之后，下一步是對(duì)該類別的設(shè)備進(jìn)行比較和權(quán)衡，選取合適的規(guī)格量程。在功率偏差實(shí)驗(yàn)中，輸出設(shè)備是電源，在發(fā)熱管標(biāo)準(zhǔn)適用范圍規(guī)定了產(chǎn)品額定電壓不超過440 V，單管的功率不超過6 000 W。因此我們電源在參數(shù)上應(yīng)該滿足產(chǎn)品的最大測(cè)試參數(shù)，并留有一定安全余量。一般在考慮成本的情況下余量系數(shù)約為1.3倍左右。即電源的最高輸出電壓應(yīng)不小于600 V，功率不小于11 KW。而輸入儀器有：電壓表、功率表、熱電偶采集器。在考慮其量程時(shí)同樣要以標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際應(yīng)用時(shí)的最大值來確定。例如電壓表和功率表則基本與電源的輸出范圍進(jìn)行匹配。而熱電偶則根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際最高發(fā)熱溫度來確定（同樣要預(yù)留一定余量系數(shù)約為1.5倍）。在量程選擇完成之后我們要根據(jù)我們?cè)囼?yàn)實(shí)際情況選擇儀器的帶寬/采樣率和分辨率/精度等參數(shù)。像功率測(cè)試屬于低速測(cè)試因此采樣率不需要太高一般的kHz等級(jí)設(shè)備即可，而儀器精度則滿足標(biāo)準(zhǔn)要求即可（見圖4）。除此在測(cè)試過程中有可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品擊穿、漏電等極端情況，因此儀器通道間及通道對(duì)地的隔離等級(jí)要滿足在出現(xiàn)極端情況下可以保護(hù)設(shè)備安全。

用電腦來控制儀器進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，儀器與電腦連接有各種各樣的接口如：串口，USB、以太網(wǎng)/LAN、GPIB。選擇合適的總線接口兩個(gè)條件：帶寬和延時(shí)。

表3及圖5是各種接口總線帶寬（分辨率）及延時(shí)的比較和性能比較，在選擇儀器設(shè)備時(shí)可以作為參考。當(dāng)然除了帶寬及延時(shí)的考慮之外還需要考慮成本。帶寬越寬延時(shí)越低的往往價(jià)格更高。因此我們根據(jù)實(shí)際，接口“夠用即可”。就如絕大多數(shù)常規(guī)家電產(chǎn)品檢測(cè)儀器設(shè)備，USB總線足以滿足。如通訊射頻波形的測(cè)量則最低至少要PCI/PXI總線的儀器。

圖4 JB/T 4088-2012日用管狀電熱元件標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于儀器設(shè)備精度要求的截圖

圖5 各通訊接口性能比較

4 控制電路

如果說流程圖是系統(tǒng)的骨架，儀器設(shè)備為器官，那么控制電路則是神經(jīng)。測(cè)試過程中電腦通過I/O控制模塊控制開關(guān)電路對(duì)電源、負(fù)載、樣品以及儀器等進(jìn)行切換。來實(shí)現(xiàn)樣品的通斷電、樣品測(cè)量、以及工位的切換。另外通過開關(guān)電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)儀器測(cè)量多個(gè)工位樣品從而減少設(shè)備的重復(fù)投入以及提高儀器的利用率。

以功率偏差試驗(yàn)為例子。圖6為3個(gè)工位的發(fā)熱管功率偏差的原理圖。當(dāng)閉合總開關(guān)S后，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)樣品各自回路上的S1、S2、S3開關(guān)初始狀態(tài)為常閉NC狀態(tài)。3個(gè)樣品都開始通電，并開始檢測(cè)管體溫度或倒數(shù)計(jì)時(shí)。當(dāng)樣品熱穩(wěn)定后，控制開關(guān)S1將它打到常開NO端。那么1號(hào)樣品的電流流過功率計(jì)的電流表，此時(shí)功率計(jì)的讀數(shù)為1號(hào)樣品的功率。當(dāng)1號(hào)樣品讀取完數(shù)據(jù)之后，開關(guān)S1重新恢復(fù)到常閉NC端，1號(hào)樣品與功率計(jì)斷開連接。緊接著控制開關(guān)S2將它打到常開NO端。那么1號(hào)樣品的電流流過功率計(jì)的電流表，此時(shí)功率計(jì)的讀數(shù)為2號(hào)樣品的功率。當(dāng)2號(hào)樣品讀取完數(shù)據(jù)之后，開關(guān)S2重新恢復(fù)到常閉NC端，2號(hào)樣品與功率計(jì)斷開連接。最后控制開關(guān)S3將它打到常開NO端。那么3號(hào)樣品的電流流過功率計(jì)的電流表，此時(shí)功率計(jì)的讀數(shù)為3號(hào)樣品的功率。當(dāng)3號(hào)樣品讀取完數(shù)據(jù)之后，開關(guān)S3重新恢復(fù)到常閉NC端，3號(hào)樣品與功率計(jì)斷開連接。當(dāng)所有完成后斷開總開關(guān)S。樣品斷電試驗(yàn)結(jié)束。

以上只是較為簡(jiǎn)單的功率測(cè)試電路，而要把5個(gè)試驗(yàn)整合到一個(gè)電路中去，還需要在這個(gè)電路基礎(chǔ)上增加更多的開關(guān)進(jìn)行切換。如：如果要在功率偏差試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加電氣強(qiáng)度測(cè)試，那么每個(gè)工位需要增加開關(guān)，用于切斷樣品與供電電路的連接，將樣品切換至耐壓機(jī)輸出的高壓端，而耐壓機(jī)的另一端則連接到樣品的外殼上（如圖7所示）。因篇幅有限其余測(cè)試的電路這里就不一一介紹了。

在一般的測(cè)試電路中，常用的開關(guān)控制元件有繼電器、接觸器、固態(tài)繼電器等。在選擇開關(guān)元件時(shí)，其分?jǐn)嗄芰拜d流能力一定要與系統(tǒng)匹配。另外還需考慮預(yù)留一定數(shù)量的I/O通道以便設(shè)備以后功能擴(kuò)展。

5 軟件程序

軟件程序時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的大腦。軟件程序擔(dān)負(fù)著各個(gè)設(shè)備的控制，樣品工作狀態(tài)的監(jiān)控，試驗(yàn)過程的控制及數(shù)據(jù)的采集處理。很多人都會(huì)覺得整個(gè)系統(tǒng)最難的就是軟件編程。實(shí)際上現(xiàn)在的編程軟件入門門檻并不高，簡(jiǎn)單地說會(huì)用電腦的基本就可以學(xué)會(huì)。例如筆者并不是軟件工程出身，但這并不妨礙筆者開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)程序。

我們的軟件系統(tǒng)大致分為：信息錄入、測(cè)試過程控制、數(shù)據(jù)采集及處理、結(jié)果輸出四個(gè)大模塊。

5.1 信息錄入

包括項(xiàng)目信息如：項(xiàng)目編號(hào)、制造商信息、產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格、產(chǎn)品額定參數(shù)等；測(cè)試參數(shù)、條件；測(cè)試人員信息；測(cè)試時(shí)間等。該部分主要為了后面測(cè)試條件設(shè)置和數(shù)據(jù)保存及報(bào)告生成作準(zhǔn)備。

5.2 測(cè)試過程控制

根據(jù)測(cè)試的控制流程圖，通過I/O口控制測(cè)試電路各開關(guān)元件，以及控制儀器的輸出輸入。

5.3 數(shù)據(jù)采集處理

通過設(shè)備儀器采集測(cè)試中的數(shù)據(jù)信心。如：電路中的電壓、電流、功率、產(chǎn)品的電阻、溫度等。并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。

5.4 結(jié)果輸出

包括根據(jù)測(cè)試得出的結(jié)果生成測(cè)試報(bào)表、數(shù)據(jù)錄入原始記錄報(bào)告、數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫(kù)等。

圖6 功率偏差測(cè)試電路原理圖

圖7 發(fā)熱管電氣強(qiáng)度測(cè)試電路原理圖

以功率偏差試驗(yàn)為例，列出功率偏差程序的基本架構(gòu)。

6 集成調(diào)試

當(dāng)各個(gè)試驗(yàn)的硬件及軟件部分都已經(jīng)就緒之后我們就可以進(jìn)行最后一步的集成調(diào)試工作。集成分為硬件集成和軟件集成，硬件集成主要是將儀器設(shè)備與我們的控制開關(guān)電路進(jìn)行連接，最終驗(yàn)證電路的可靠性及安全性（如其它儀器對(duì)耐壓試驗(yàn)高壓的隔離）。而軟件集成則是把多個(gè)測(cè)試的軟件模塊整合到一個(gè)程序中。因?yàn)橹败浖绦虻哪K化設(shè)計(jì)會(huì)使得該步驟相對(duì)簡(jiǎn)單。待整體調(diào)試完成后，我們的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)就基本完成了。最后需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，要對(duì)采用人工方法測(cè)試與系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證整個(gè)測(cè)試方法是否正確才能投入實(shí)際應(yīng)用。除此在實(shí)際運(yùn)作之后某些地方需要進(jìn)行修改或要增加新的功能。

7 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)規(guī)劃是自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的建造的整個(gè)過程最為關(guān)鍵一步，因?yàn)檫@個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的合理性、實(shí)用性都取決于設(shè)計(jì)。雖然設(shè)備制作并不是檢測(cè)行業(yè)工作人員的專業(yè)，但是他們熟悉標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品測(cè)試，因而檢測(cè)人員參與設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，可以使其更加符合測(cè)試要求。