趙雪松 謝倩嫻 尹仕紅 侯 婧 張日取 石金保

（1.深圳供電局有限公司計(jì)量管理所，廣東 深圳 430223；2.華立科技股份有限公司，浙江 杭州 310023）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，智能計(jì)量設(shè)備在運(yùn)行過程中的各類質(zhì)量問題逐漸顯現(xiàn)，故障率較高對(duì)能源計(jì)量及貿(mào)易結(jié)算造成了一定的不良影響[1]。全國(guó)各智能計(jì)量設(shè)備廠家在電能計(jì)量設(shè)備的質(zhì)控方面開展了一些研究工作，包括整機(jī)性能測(cè)試、可靠性試驗(yàn)及對(duì)標(biāo)測(cè)試等，相關(guān)研究包括以下3個(gè)方面：1） 從環(huán)境剖面和任務(wù)剖面入手，提出了可靠性評(píng)價(jià)建議方案。2） 開展了基于元器件應(yīng)力法的可靠性預(yù)計(jì)與基于加速壽命試驗(yàn)和加速退化試驗(yàn)相結(jié)合的可靠性試驗(yàn)。3） 提出了設(shè)計(jì)智能電能表電應(yīng)力可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于宿主的嵌入式軟件覆蓋測(cè)試系統(tǒng)。

目前行業(yè)內(nèi)暫時(shí)沒有以產(chǎn)品硬件測(cè)試技術(shù)為對(duì)象的研究和總結(jié)，該文嘗試對(duì)智能電能表在硬件設(shè)計(jì)過程中存在的易忽視和失效的問題進(jìn)行具體分析，結(jié)合可靠性領(lǐng)域、行業(yè)內(nèi)先進(jìn)研發(fā)流程和已有的物聯(lián)網(wǎng)配電系統(tǒng)檢測(cè)、測(cè)試等技術(shù)為智能電能表的測(cè)試提供參考。

1 硬件測(cè)試概述

該文以目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的智能電能表硬件測(cè)試為例，介紹智能電能表通用硬件測(cè)試概念和測(cè)試流程，同時(shí)結(jié)合智能電能表的特性和設(shè)計(jì)要求等進(jìn)行探討[2]。

1.1 硬件測(cè)試概念

硬件測(cè)試是為了發(fā)現(xiàn)問題而執(zhí)行操作的過程，其最終目的是為了證明設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是否存在問題且盡可能找出設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤或缺陷，并通過技術(shù)手段消除錯(cuò)誤與缺陷，達(dá)到提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。硬件測(cè)試分類較多，可將測(cè)試方法分為黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試[3-4]。

1.2 硬件黑盒測(cè)試

硬件黑盒測(cè)試是將產(chǎn)品當(dāng)成一個(gè)黑盒子，對(duì)其施加各種應(yīng)力，驗(yàn)證產(chǎn)品的應(yīng)力耐受度，同時(shí)，在應(yīng)力條件下暴露一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)的隱患或缺陷。

常見的黑盒測(cè)試內(nèi)容有機(jī)械性能試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、氣候影響試驗(yàn)、電氣性能試驗(yàn)、安規(guī)性能試驗(yàn)、防護(hù)試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)；包括靜電、浪涌、高溫、低溫、溫度循環(huán)、沖擊、濕度、振動(dòng)及振動(dòng)組合、跌落、輻射、粉塵、腐蝕、霉菌、阻燃、紫外線、鐵屑、軟壓、靜壓、機(jī)械沖擊、折彎、摩擦和老化等多項(xiàng)試驗(yàn)。

從上述測(cè)試項(xiàng)目可知，硬件黑盒測(cè)試對(duì)暴露智能電能表存在的隱患具有一定作用，但由于電表各種失效模式對(duì)各種應(yīng)力的響應(yīng)各不相同，而黑盒測(cè)試所施加的應(yīng)力種類有限，同時(shí)黑盒測(cè)試為抽樣測(cè)試，因此無法消除因批次間差異而造成的影響，通過目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，黑盒測(cè)試暴露產(chǎn)品隱患或缺陷的效率有限且投入巨大。

1.3 硬件白盒測(cè)試

硬件白盒測(cè)試是將產(chǎn)品打開，測(cè)試產(chǎn)品內(nèi)部每條線、每個(gè)電源、每個(gè)接口以及每個(gè)時(shí)序余量，除了觀察波形外，還對(duì)每個(gè)波形的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證波形參數(shù)是否滿足預(yù)期設(shè)計(jì)。

對(duì)于產(chǎn)品開展硬件白盒測(cè)試的復(fù)雜度來說，硬件白盒測(cè)試一般分為信號(hào)級(jí)（PI、SI）、器件級(jí)（應(yīng)力、多電源）、電路級(jí)（電源、復(fù)位和接口）、單板級(jí)（熱測(cè)試、故障注入/容錯(cuò)性測(cè)試和條件突變）以及系統(tǒng)級(jí)（超規(guī)格）等5個(gè)層級(jí)，每上升一層級(jí)，測(cè)試復(fù)雜度及應(yīng)力交叉呈幾何級(jí)數(shù)提高，對(duì)測(cè)試人員的專業(yè)知識(shí)能力有較高的要求。

1.4 硬件測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

硬件測(cè)試方法根據(jù)產(chǎn)品的階段、適用范圍及對(duì)測(cè)試人員要求的不同，硬件黑盒測(cè)試和硬件白盒測(cè)試方法的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1[5]。

表1 硬件測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

從表1可知，硬件白盒測(cè)試是把產(chǎn)品打開，切實(shí)地測(cè)試產(chǎn)品的每條電路、每個(gè)電源以及接口的信號(hào)和時(shí)序，除了常規(guī)的波形之外，對(duì)波形/時(shí)序的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，分析波形是否滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，并通過設(shè)置余量（降額），保證在抽樣測(cè)試時(shí)消除因批次間差異而造成的影響，保證長(zhǎng)期大量生產(chǎn)的穩(wěn)定性；同時(shí)，對(duì)智能電能表的可靠性進(jìn)行分配，以減少該方法的主觀程度。

1.5 目前行業(yè)內(nèi)硬件白盒開展情況

隨著智能電能表的日益發(fā)展和智能電網(wǎng)對(duì)產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量及可靠性的要求不斷提升，目前已有部分國(guó)際知名企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)部門出現(xiàn)測(cè)試人員多于開發(fā)人員的現(xiàn)象，各生產(chǎn)廠家也越來越重視對(duì)硬件的測(cè)試，近年來，在產(chǎn)品加工階段對(duì)硬件測(cè)試工作的投入也逐步加大，但仍處于發(fā)展階段，硬件白盒的測(cè)試流程、測(cè)試環(huán)境及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所存在的問題還未得到整體解決。同時(shí)由于硬件測(cè)試人員需要對(duì)產(chǎn)品物料選型、原理設(shè)計(jì)、PCB布局、環(huán)境適配性以及功能適宜性等設(shè)計(jì)過程進(jìn)行全局把控，因此硬件白盒測(cè)試對(duì)測(cè)試人員的技術(shù)能力水平有較高的要求，行業(yè)內(nèi)資深的硬件測(cè)試人員較少，主要為硬件研發(fā)人員自行調(diào)試、測(cè)試，未進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范地測(cè)試[6]。

2 基于遍歷原則的硬件白盒測(cè)試方法

遍歷原則是根據(jù)一定規(guī)律，不反復(fù)地訪問樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，其遍歷過程實(shí)質(zhì)上是將樹這樣的非線性結(jié)構(gòu)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)為線性結(jié)構(gòu)。通過構(gòu)建智能電能表硬件白盒測(cè)試樹（測(cè)試項(xiàng)目），基于遍歷原則開展硬件白盒測(cè)試，可盡早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的隱患及缺陷。

2.1 基于FTA構(gòu)建智能電能表的硬件白盒測(cè)試樹

2.1.1 硬件白盒測(cè)試樹

參考目前行業(yè)內(nèi)其他產(chǎn)品，對(duì)智能電能表進(jìn)行分析，基于FTA構(gòu)建硬件白盒測(cè)試樹，如圖1所示。

2.1.2 智能電能表硬件測(cè)試樹

智能電能表硬件設(shè)計(jì)一般為單板設(shè)計(jì)，按功能一般劃分為電源板、控制板（功能板）以及卡口板等3個(gè)單板。電源板為主電源、輔助電源、超級(jí)電容供電電源以及電池供電電源等。控制板（功能板）根據(jù)功能分為控制、計(jì)量、顯示、通信、存儲(chǔ)、負(fù)控、按鍵、檢測(cè)（磁檢測(cè)、電壓檢測(cè)等）、按鍵、報(bào)警以及多功能輸出等單元電路設(shè)計(jì)?？诎逡话銥镮C口電路設(shè)計(jì)，主要用于滿足預(yù)付費(fèi)等功能需求。硬件白盒測(cè)試還要進(jìn)行相應(yīng)的熱測(cè)試，熱敏感器件包括熱敏、電解電容、電池、MCU、存儲(chǔ)器以及晶振等。發(fā)熱器件包括穩(wěn)壓器、錳銅以及互感器等。

2.2 遍歷原則的智能電能表硬件測(cè)試樹

圖1給出了一般硬件白盒測(cè)試需要遍歷的測(cè)試樹，使用后根次序遍歷樹路徑如下。

圖1 智能電能表硬件白盒測(cè)試樹

S1S3S21S22S2S5S6SBWM1M2M3MTDPC1C2C3C4C5CELIK1K2K H1H2HZ

通過上述遍歷路徑對(duì)智能電能表硬件進(jìn)行全遍歷測(cè)試，確保智能電能表的所有硬件全部被測(cè)試，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的缺陷或隱患，以盡早對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。

3 硬件白盒測(cè)試

智能電能表包括電源、計(jì)量采樣、顯示、通信、存儲(chǔ)、負(fù)控、按鍵、磁檢測(cè)以及報(bào)警等多個(gè)單元，各單元的復(fù)雜程度不同，且部分元器件的性能缺乏一致性，因此通過有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員對(duì)各單元電路進(jìn)行遍歷測(cè)試、評(píng)價(jià)是保證硬件設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效方法。

基于產(chǎn)品實(shí)際及測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，智能電能表硬件白盒測(cè)試出來的設(shè)計(jì)隱患或缺陷一般分布于信號(hào)質(zhì)量、電源質(zhì)量及信號(hào)時(shí)序，為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)更改驗(yàn)證，硬件白盒測(cè)試主要測(cè)試項(xiàng)目為信號(hào)質(zhì)量測(cè)試、電源質(zhì)量測(cè)試、時(shí)序測(cè)試以及單元電路測(cè)試。

3.1 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

信號(hào)是表示消息的物理量、運(yùn)載消息的工具以及消息的載體。其中，電信號(hào)可以通過幅度、頻率以及相位的變化來表示不同的消息。其中某一因素的變化就會(huì)導(dǎo)致消息失真。

3.1.1 信號(hào)分類

對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類的方法很多，信號(hào)按數(shù)學(xué)關(guān)系、取值特征、能量功率、處理分析、所具有的時(shí)間函數(shù)特性以及取值是否為實(shí)數(shù)等進(jìn)行分類，可以分為確定性信號(hào)和非確定性信號(hào)（又稱隨機(jī)信號(hào)）、連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)（即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)）、能量信號(hào)和功率信號(hào)、時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)、時(shí)限信號(hào)和頻限信號(hào)以及實(shí)信號(hào)和復(fù)信號(hào)等，該文所描述的信號(hào)一般為數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)，如圖2所示。

圖2 信號(hào)分類

在智能電表的設(shè)計(jì)中，數(shù)字信號(hào)多為時(shí)鐘、總線及差分等各類信號(hào)，而模擬信號(hào)一般為RS 485通信信號(hào)。

3.1.2 單端數(shù)字信號(hào)測(cè)試指標(biāo)

智能電能表的大部分信號(hào)為單端信號(hào)，其信號(hào)質(zhì)量的高低將決定智能電能表運(yùn)行的穩(wěn)定性。對(duì)各信號(hào)進(jìn)行梳理歸納，得到的單端數(shù)字信號(hào)指標(biāo)如圖3所示。

一般智能電能表的信號(hào)均為單端信號(hào)，根據(jù)圖3可知，單端信號(hào)一般有幅值、時(shí)間以及邊沿等3個(gè)相關(guān)參數(shù)，由于產(chǎn)品所使用的不同型號(hào)規(guī)格器件具有差異性，因此信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)為一個(gè)范圍，不應(yīng)該為一個(gè)固定值。

圖3 單端數(shù)字信號(hào)參數(shù)

3.1.3 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試示例

該文以某型號(hào)智能電能表的某型號(hào)計(jì)量芯片的RST信號(hào)為例。在Ua1（芯片）復(fù)位信號(hào)RST質(zhì)量測(cè)試中，上電時(shí)RST有2.52 V、10 ms的脈沖，下電有0.88 V回溝，如圖4所示。

圖4 計(jì)量芯片RST信號(hào)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

3.1.3.1 問題分析

信號(hào)質(zhì)量問題較為嚴(yán)重，智能電能表上電時(shí)復(fù)位處于不定態(tài)，可能會(huì)使計(jì)量芯片產(chǎn)生不必要的計(jì)費(fèi)信號(hào)。

3.1.3.2 建議

參考電路設(shè)計(jì)，建議適當(dāng)加大電容值或者將光耦的上拉電阻改為下拉電阻。

3.2 電源質(zhì)量測(cè)試

智能電能表的電源設(shè)計(jì)一般為線性電源和開關(guān)電源，目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的智能電能表的電源絕大多數(shù)為線性電源，其對(duì)AC線路整流，生成DC，然后進(jìn)行濾波穩(wěn)壓，為后面各使用端供電。該文所描述的電源為各器件的電源，包括線性電源。

3.2.1 電源質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)

電源質(zhì)量指標(biāo)包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)2個(gè)部分，如圖5所示，其影響因素為負(fù)載及輸入電壓是否穩(wěn)定。

圖5 電源質(zhì)量指標(biāo)

3.2.2 電源質(zhì)量測(cè)試示例

以信號(hào)質(zhì)量測(cè)試示例中的某型號(hào)智能電能表為例，對(duì)住控制芯片的電源質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，MCU（主控制器）上電時(shí)的電壓曲線應(yīng)為線性上升，但測(cè)試某款智能電表MCU上電時(shí)的電壓曲線如圖6所示。

圖6 電源質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

3.2.2.1 問題分析

MCU電源存在臺(tái)階，造成該現(xiàn)象的原因如下：1） 可能因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)的容量不足，在施加重負(fù)載時(shí)拉低了電壓。2）MCU內(nèi)部負(fù)載開啟較快，將電源鉗位，此時(shí)主芯片可能處于臨界狀態(tài)，數(shù)據(jù)可能丟失。

3.2.2.2 建議

應(yīng)該調(diào)整電源芯片的緩啟功能，改善上電波形，穩(wěn)定MCU芯片的電源。

3.3 時(shí)序測(cè)試

因?yàn)楫a(chǎn)品在上下電過程中需要進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)保存/備份等操作，所以必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行適當(dāng)操作，如果操作時(shí)序出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，那么智能電能表的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)紊亂或死機(jī)。

3.3.1 時(shí)序測(cè)試電路對(duì)象

時(shí)序測(cè)試電路對(duì)象如圖7所示，時(shí)序測(cè)試對(duì)各種接口操作展開測(cè)試。

圖7 時(shí)序測(cè)試電路對(duì)象

信號(hào)時(shí)序測(cè)試主要用于測(cè)試器件輸入時(shí)序，例如串口、Flash接口、xRAM以及EEROM接口等IIC、SPI信號(hào)數(shù)據(jù)建立及保持的時(shí)間。該測(cè)試主要參考器件手冊(cè)AC時(shí)序參數(shù)，選擇測(cè)試時(shí)序所需要的信號(hào)，測(cè)量信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系，判斷是否滿足器件手冊(cè)要求。

3.3.2 時(shí)序測(cè)試示例

以信號(hào)質(zhì)量測(cè)試示例中的某型號(hào)智能電能表為例，對(duì)其進(jìn)行時(shí)序測(cè)試，在+5.7 V電源上/下電時(shí)間測(cè)試中，上電下電都有多個(gè)回溝，如圖8所示。

圖8 時(shí)序測(cè)試結(jié)果

問題分析：上電時(shí)，不斷地“打嗝”，可能會(huì)造成誤操作，需要結(jié)合MCU的復(fù)位信號(hào)對(duì)其進(jìn)行分析；下電時(shí)，MCU不斷切換開關(guān)狀態(tài)，也可能會(huì)造成誤操作。

建議：調(diào)整電源檢測(cè)信號(hào)，應(yīng)該關(guān)閉MCU，電表進(jìn)入低功耗狀態(tài)，如果MCU不能進(jìn)入低功耗狀態(tài)，那么需要對(duì)外部設(shè)計(jì)電路進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整電源芯片的緩啟功能 ，改善上電波形。

3.4 單元電路測(cè)試

根據(jù)產(chǎn)品的功能及硬件電路的歸類，可將單元電路分為上述智能電能表，例如電源、計(jì)量、顯示、存儲(chǔ)以及通信等共20多個(gè)單元電路，各單元電路的指標(biāo)與要求均不盡相同，需要各單元相互配合以構(gòu)成整機(jī)的性能、功能，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.1 單元電路測(cè)試內(nèi)容

單元電路測(cè)試內(nèi)容如圖9所示。

圖9 單元電路測(cè)試內(nèi)容

一般根據(jù)硬件測(cè)試要求，單元電路測(cè)試主要從電路和方法維度2個(gè)維度開展相關(guān)測(cè)試工作，從電路維度開展的測(cè)試項(xiàng)目有電源電路、復(fù)位電路、IGBT電路以及接口電路等，而從測(cè)試方法維度開展的測(cè)試項(xiàng)目有故障注入、條件突變、溫升測(cè)試以及最惡劣情況等。測(cè)試時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，可能將2種維度結(jié)合，以達(dá)到實(shí)際測(cè)試的效果。

3.4.2 單元電路測(cè)試示例

以信號(hào)質(zhì)量測(cè)試示例中的某型號(hào)智能電能表為例，對(duì)其液晶顯示單元進(jìn)行測(cè)試。

液晶顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試如圖10所示，按器件規(guī)格書及設(shè)計(jì)要求，液晶顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)順滑無毛刺，實(shí)際測(cè)得信號(hào)有毛刺，不滿足要求。

圖10 液晶顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試結(jié)果

問題分析：液晶顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)不滿足要求，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中存在液晶抖動(dòng)或不顯示的風(fēng)險(xiǎn)，還存在液晶黑屏的風(fēng)險(xiǎn)。

建議：重新對(duì)液晶進(jìn)行選型或調(diào)整液晶驅(qū)動(dòng)去偶電容量及匹配電阻，優(yōu)化液晶驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)質(zhì)量，使液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量滿足要求。

3.5 測(cè)試結(jié)論

由上述測(cè)試結(jié)果可知，該型號(hào)智能電能表通過硬件白盒測(cè)試發(fā)現(xiàn)存在較多設(shè)計(jì)問題，其電源、信號(hào)、時(shí)序及單元電路均存在隱患，性能、功能層面均存在較高風(fēng)險(xiǎn)，例如計(jì)量不正常、死機(jī)和不能正常拉合閘等異常，如果不對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，那么其實(shí)際運(yùn)行過程中將出現(xiàn)很多隱患。

4 結(jié)語

該文提出了一種基于遍歷原則的智能電能表硬件綜合測(cè)試方法，闡述了如何盡早發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)過程中可能存在的各類缺陷，同時(shí)提供了一種智能電能表硬件評(píng)估方法和指標(biāo)，為智能電能表的設(shè)計(jì)階段隱藏故障提供測(cè)試參考。

示例結(jié)果表明基于遍歷原則的硬件白盒測(cè)試方法能夠客觀完整地反應(yīng)智能電能表設(shè)計(jì)質(zhì)量所存在的缺陷，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)更改建議，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。