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        某型號譯碼輸出驅(qū)動電路自動測試系統(tǒng)的設(shè)計

        2024-03-04 05:11:04王偉達王笑怡
        微處理機 2024年1期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        王偉達,王笑怡

        (中國電子科技集團公司第四十七研究所,沈陽 110000)

        1 引言

        某型號雙冗余譯碼輸出驅(qū)動電路被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,其年供貨數(shù)量較大,現(xiàn)有手動測試已經(jīng)不能滿足產(chǎn)能需求。因此專門針對該電路設(shè)計一款自動測試系統(tǒng),滿足該電路電參數(shù)三溫測試需求。

        2 系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

        測試系統(tǒng)采用上位機與下位機相結(jié)合的工作方式。上位機使用工控機,用于人機交互、控制測試設(shè)備、讀取測試參數(shù)、保存測試數(shù)據(jù)等;下位機做成板卡形式,使用單片機C8051F500 作為控制器[1],使用RS232 接口或者USB 接口與工控機進行數(shù)據(jù)傳輸,用于響應(yīng)上位機發(fā)送的測試命令、控制繼電器陣列的切換,從而將被測對象接入測試電路中。

        整個系統(tǒng)以工控機為核心,外配具有遠程控制功能的可編程電源、數(shù)字多用表、電子負載等測試設(shè)備,可同時測量4 只被測模塊電路。測試操作人員可以通過工控機來選擇測試項,點擊自動測試選項后,系統(tǒng)便能夠自動完成相應(yīng)參數(shù)的測量并生成報表[2],供后續(xù)工作使用。測試系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

        圖1 測試系統(tǒng)組成框圖

        按照對詳細規(guī)范中電路參數(shù)要求的分析,對測試設(shè)備進行選取,具體情況如下:

        1)電源使用可控直流穩(wěn)壓電源,型號為GPD-3303S。工控機可以通過串口對電源輸出進行控制,滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

        2)數(shù)字多用表的型號為KEYSIGHT 34470A。該多用表既可以測量電壓,又可以測量電流,這樣可以減少測試設(shè)備的數(shù)量;工控機可以通過串口對數(shù)字多用表進行控制,比如電流模式、電壓模式、讀取數(shù)據(jù)等,滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

        3)多路電子負載的型號為IT8702。該電子負載也可以與工控機通過串口進行通訊,滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

        2.2 測試原理

        需要進行測量的參數(shù)有:輸出截止電流、輸出級漏電流、輸出負載電流、輸出級飽和壓降、靜態(tài)功耗電流。出于論述便利考慮,在此選取一只典型的被測電路,簡述系統(tǒng)如何實現(xiàn)對其電參數(shù)的測試。所有開關(guān)的動作都通過單片機控制繼電器實現(xiàn)[3],測試原理框圖如圖2 所示。

        圖2 測試原理框圖

        測試輸出截止電流時,開關(guān)K9、K10、K13、K5 閉合,K11、K12 撥到3 端,數(shù)字多用表選擇電流檔,K1 閉合,讀取數(shù)字多用表的電流值。此時為該模塊第一路輸出截止電流。然后斷開K1,閉合K2。其他路的測量與此同理。

        測試輸出級漏電流時,K9、K10、K13、K5 閉合,K11 撥到3 端,K12 撥到2 端,數(shù)字多用表選擇電流檔,K1 閉合,讀取數(shù)字多用表的電流值。此時為該模塊第一路輸出漏電流。然后斷開K1,閉合K2。其他路的測量與此同理。

        測試輸出負載電流時,K9、K10、K13、K5 閉合,K11、K12 撥到2 端,數(shù)字多用表選擇電流檔,K1 閉合,讀取數(shù)字多用表的電流值。此時為該模塊第一路輸出負載電流。然后斷開K1,閉合K2。其他路的測量與此同理。

        測試輸出級飽和壓降時,K9、K10、K1~K4、K7閉合,K11、K12、K6 撥到2 端,數(shù)字多用表選擇電壓檔,K38 閉合,讀取數(shù)字多用表的電壓值。此時為該模塊第一路輸出級飽和壓降,然后斷開K38,閉合K39。其他路的測量與此同理。

        測試靜態(tài)功耗電流時,K1~K4、K8、K9 閉合,K10、K6 撥到2 端,K11、K12 撥到3 端,數(shù)字多用表選擇電流檔,讀取數(shù)字多用表的電流值,所測即為該模塊靜態(tài)功耗電流。

        3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

        硬件電路主要包括:電源電路、控制通訊電路、開關(guān)電路。

        3.1 電源電路設(shè)計

        控制負載板上的芯片需要+5V 電源供電,而被測模塊需要+10V 電源和+28V 電源。為減少電源的使用數(shù)量,設(shè)計了+10V 轉(zhuǎn)+5V 電路。該電路由長晶科技公司的三端穩(wěn)壓集成電路CJ78M05 實現(xiàn)[4]。此款芯片輸入電壓范圍寬,最大輸入電壓可達35V,最大輸出電流可達500mA,具有短路保護和熱停機保護功能,工作溫度范圍為-40~125℃。為了方便觀測電源輸入輸出狀態(tài),在輸入輸出端分別增加LED指示燈,并使用100kΩ 電阻進行限流,減小不必要的損耗。為了防止電源正負極反接造成電路板上其他器件損壞,在10V 電源輸入端串接一個二極管。這樣在電源正負極接反的情況下,由于二極管反相截止,二極管后端的電路并沒有電流流過,便能很好地保護后級電路。在輸入端對地并聯(lián)了TVS 管,用于有效地吸收浪涌信號。由于CJ78M05 有LDO 屬性,輸入輸出壓差較大,長時間工作會產(chǎn)生較大的熱量,因此在實際電路中需要增加散熱片對其進行散熱處理。該部分電路的原理圖如圖3 所示。

        圖3 10V 轉(zhuǎn)5V 電路原理圖

        3.2 控制電路設(shè)計

        控制電路用于接收上位機的指令,對繼電器進行控制,因此控制板不需要進行復(fù)雜的運算。此處選擇Silicon Labs 公司生產(chǎn)的8 位單片機C8051F500。該單片機具有運行速度快、存儲容量大、集成度高等特點,具有64kB 的flash 和4kB 的RAM,完全滿足存儲功能需求,且具有片上看門狗功能,能夠在程序跑飛的情況下,對系統(tǒng)進行復(fù)位,保護被測模塊。片上的24MB 振蕩器能夠保證系統(tǒng)實現(xiàn)快速的響應(yīng)[5]。控制電路原理如圖4 所示。其中,由P5 為C8051F500提供程序下載接口。該接口接線簡單,僅需要C2CK、C2D 及GND 三根線,即可對程序進行在線仿真和調(diào)試[6]。

        圖4 控制電路原理圖

        通訊電路用于實現(xiàn)C8051F500 與上位機之間的數(shù)據(jù)傳送。由于C8051F500 單片機與上位機的信號電平不同,不能直接連接進行數(shù)據(jù)傳送,因此需要使用中間電平轉(zhuǎn)換電路。為了方便使用,在設(shè)計中增加跳線接口,使用者可根據(jù)實際情況選用RS232 通訊或USB 通訊[7]。通訊電路原理如圖5 所示。

        圖5 通訊電路原理圖

        RS232 通訊電路使用Maxim 公司的MAX232芯片。該芯片為+5V 單一供電,能夠?qū)8051F500輸出的TTL 電平轉(zhuǎn)換成上位機能夠識別的232 電平。USB 通訊電路使用USB 轉(zhuǎn)串口芯片CH340G,該芯片轉(zhuǎn)換速度快,穩(wěn)定可靠,可在電源處增加電容進行濾波處理[8]。

        3.3 開關(guān)電路設(shè)計

        開關(guān)電路使用繼電器進行切換,主要用于將儀器設(shè)備及被測通道切入測試電路中。繼電器選擇匯港HRS1。該繼電器尺寸小,靈敏度高(線圈功率為200mW),具有3A 觸點切換能力,一組轉(zhuǎn)換,直流5V線圈電壓。繼電器工作原理為:當(dāng)線圈兩端存在壓差且達到線圈的吸合電壓時,由于電磁力作用,觸點吸合。單片機IO 口驅(qū)動能力有限[9],故使用ULN2803芯片對繼電器進行驅(qū)動。ULN2803 還集成有續(xù)流二極管,當(dāng)繼電器斷開時,由于線圈電流不能突變,因此該續(xù)流二極管可以為線圈提供續(xù)流回路,保證電路安全。以其中典型的若干繼電器開關(guān)電路為例,開關(guān)電路原理圖如圖6 所示。

        圖6 開關(guān)電路原理圖

        4 軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件在設(shè)計上包括了上位機軟件與下位機軟件兩個部分。其中,上位機軟件用于負責(zé)人機交互界面、控制命令的發(fā)送、測試數(shù)據(jù)的讀取、顯示及保存等功能;下位機軟件則用于負責(zé)響應(yīng)上位機發(fā)送的命令,并控制相應(yīng)的繼電器,完成上傳軟件版本號等操作。

        上位機軟件采用VB 語言進行編寫,流程圖如圖7 所示。操作界面如圖8 所示。

        圖7 上位機軟件流程圖

        圖8 軟件操作界面

        上位機程序首先對各個儀器設(shè)備進行通訊檢測,顯示出通訊異常的設(shè)備。所有設(shè)備通訊正常后,等待使用者配置設(shè)備信息、選擇詳細規(guī)范號、一鍵連接所有設(shè)備,操作完成后,上位機程序會自動發(fā)送測試命令,讀取測試結(jié)果,并將結(jié)果保存在Excel 中。如果測試過程中出現(xiàn)指標(biāo)不合格的情況,上位機程序會將不合格產(chǎn)品的序號及指標(biāo)結(jié)果進行標(biāo)紅處理。上位機程序為使用者提供“超差退出”選項,如果使用者選擇“超差退出”,則上位機程序會停止發(fā)送測試命令,并初始化繼電器及設(shè)備狀態(tài),等待使用者處理。如果使用者未選擇“超差退出”,則上位機程序?qū)⒗^續(xù)不中斷地進行測試。

        下位機使用Keil 軟件進行C 程序編寫,串口波特率設(shè)置為115200。軟件流程圖如圖9 所示。

        圖9 下位機軟件流程圖

        程序首先對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置,包括系統(tǒng)時鐘、IO 口、定時器、串口及中斷等。然后進入while(1)循環(huán)[10]。在while(1)循環(huán)中,實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)判斷、接收數(shù)據(jù)、命令解析、輸出數(shù)據(jù)、接收反饋等功能。為了防止上位機數(shù)據(jù)發(fā)送意外中斷而導(dǎo)致接收錯誤,在下位機程序中使用定時器對兩個字節(jié)數(shù)據(jù)之間的時間間隔進行計時,如果超時則反饋給上位機接收錯誤信號,并舍棄接收的數(shù)據(jù),否則對接收的數(shù)據(jù)進行解析,并判斷上位機的命令要求,作出相應(yīng)的響應(yīng)[11]。

        上下位機通信數(shù)據(jù)格式由幀頭、指令、數(shù)據(jù)位長度、數(shù)據(jù)位、校驗位及幀尾組成,如圖10 所示。其中校驗位由幀頭、指令、數(shù)據(jù)位長度、數(shù)據(jù)位這些位進行異或而構(gòu)成。

        圖10 數(shù)據(jù)格式組成

        幀頭由一個字節(jié)組成。單片機用作發(fā)送時幀頭為AA,單片機用作接收時幀頭為BB。

        指令由一個字節(jié)組成,具體定義為:

        0x01:測量輸出截止電流;

        0x02:測量輸出漏電流;

        0x03:測量輸出負載電流;

        0x04:測量飽和壓降;

        0x05:功能測試;

        0x06:靜態(tài)功耗電流;

        0x07:讀取軟件版本號;

        0x08:所有開關(guān)恢復(fù)默認狀態(tài);

        0x09:接收錯誤,請重新發(fā)送。

        數(shù)據(jù)位長度由一個字節(jié)組成,規(guī)定了后面數(shù)據(jù)位所占字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)位為1 代表開關(guān)吸合動作;0 代表開關(guān)初始狀態(tài)。數(shù)據(jù)位從左開始為第一個字節(jié)。第一個字節(jié)低三位的組合控制K8、K13、K38、K39、K40、K41,第四位控制K5,第五位和第六位固定為0,第七位控制控K6,第八位控制K7;第二個字節(jié)(由低位到高位)代表開關(guān)K1~K4 和K9~K12;第三個字節(jié)代表K14~K21;第四個字節(jié)代表K22~K29;第五個字節(jié)代表K30~K37。當(dāng)命令為0x07 時,數(shù)據(jù)位第一個字節(jié)代表軟件版本號,其他位可忽略。

        此外,校驗位為從指令開始到校驗位之前的所有字節(jié)異或值。幀尾表示單片機的工作狀態(tài),用作發(fā)送時幀尾為EE;用作接收時幀尾為DD。

        5 系統(tǒng)測試

        在測試進行之前,需要先做好以下幾方面的選項設(shè)計:

        ①測試溫度,即當(dāng)前測試的環(huán)境溫度,如常溫、高溫、低溫;

        ②詳細規(guī)范號,即要為該產(chǎn)品的兩個不同等級選擇相應(yīng)的詳細規(guī)范號;

        ③測試項默認全部測量,如果想單獨測量某項指標(biāo),單獨勾選即可;

        ④參數(shù)設(shè)置,即將所用儀器設(shè)備的參數(shù)設(shè)置好。

        上述設(shè)置完成后,點擊建立連接,再點擊自動測試,系統(tǒng)便開始進入自動測試,每次四只產(chǎn)品。測試時,在當(dāng)前界面顯示實時顯示結(jié)果。如果遇到超過指標(biāo)要求的測試項,在設(shè)定“超差退出”的情況下,系統(tǒng)會將超差的測試項標(biāo)紅,并自動停止測試;如果未設(shè)定“超差退出”,則系統(tǒng)會將超差的測試項標(biāo)紅,但不會終止下一個模塊的測試。所有模塊測試完成后,系統(tǒng)會自動生成數(shù)據(jù)報表,超差的測試項在報表中仍然是紅色字體,以便測試人員快速定位不合格模塊。

        使用該測試系統(tǒng)對被測模塊進行上千次測試,測試結(jié)果滿足產(chǎn)品精度要求,且測試速度快。對其中120 次測試的時間取平均值,得出測試一塊電路所用的平均時間為22 秒,相比原手動測試系統(tǒng)的85秒大大節(jié)省了時間,且操作者由二人減少為一人。

        6 結(jié)束語

        該自動測試系統(tǒng)已經(jīng)在實際生產(chǎn)中用于某譯碼驅(qū)動電路的測試工作,運轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定可靠。由于不需要測試人員頻繁操作,且能夠自動生成數(shù)據(jù)報表,明顯節(jié)約了人力與時間,能夠勝任大批量的生產(chǎn)與科研測試任務(wù),為提高效率、降低成本發(fā)揮作用。

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