賀養(yǎng)芬，張艷

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

隨著電子產品的不斷發(fā)展和應用領域的不斷拓展，電子工業(yè)對電子元器件的可靠性要求越來越高[1]。無論是在航空航天、醫(yī)療設備、汽車工業(yè)還是消費電子領域，電子元器件的可靠性都對產品的安全性、性能和壽命產生了深遠的影響[2]。在過去的幾十年中，電子元器件的制造工藝得到了巨大的改進，與此同時，電子元器件的集成度也在不斷提高，使得元器件內部的復雜性也隨之增加，導致其潛在的故障點也越來越多[3]。因此需要更加精密和全面的檢測方法來確保電子元器件的可靠性。本文介紹的電子元器件檢測系統(tǒng)旨在應對這一挑戰(zhàn)，系統(tǒng)結合先進的硬件和軟件技術，利用多種傳感器來監(jiān)測元器件的各種參數(shù)，從而能夠全面、實時地評估元器件的性能。此系統(tǒng)的設計和實驗結果將有望為電子工業(yè)提供一種有效的手段，幫助制造商和工程師更好地提高電子元器件的可靠性，以滿足不斷增長的市場需求。

1 電子元器件檢測系統(tǒng)框架設計

電子元器件檢測系統(tǒng)采用了一種分層的系統(tǒng)架構，由多個關鍵組件組成，彼此協(xié)同工作，以確保測試的全面性和可靠性，電子元器件檢測系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 電子元器件檢測系統(tǒng)框架圖

傳感器單元負責實時采集電子元器件的各種參數(shù)，系統(tǒng)選用多種高精度傳感器，包括溫度傳感器、電壓和電流傳感器、振動傳感器等，以涵蓋電子元器件的多個關鍵性能指標。各種傳感器通過RS485 總線與控制單元連接，控制單元主要負責協(xié)調傳感器單元的工作，接收傳感器采集到的數(shù)據(jù)并進行整合處理。同時控制單元與數(shù)據(jù)庫和用戶界面進行通信，確保數(shù)據(jù)的存儲和實時監(jiān)控。數(shù)據(jù)庫用于存儲歷史數(shù)據(jù)和測試結果，考慮數(shù)據(jù)的安全性和可擴展性，數(shù)據(jù)庫基于MySQL 語言開發(fā)，以應對大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲需求。用戶界面提供了一個直觀友好的圖形界面，使操作員能夠通過不同的外界設備實時監(jiān)控電子元器件狀態(tài)、查看檢測結果和配置測試參數(shù)。

2 硬件設計

參與本文所設計的電子元器件檢測系統(tǒng)的硬件部分主要包括各類傳感器，RS485 傳輸線，控制單元以及網絡設備，其中傳感器主要包括LM35 的溫度傳感器，其精度為±0.5℃，檢測工作范圍為-55℃～150℃。電壓和電流傳感器采用了型號為INA219 的電流傳感器，其精度可達±0.1%。此傳感器可以同時測量電壓和電流，用于監(jiān)測電子元器件的電源特性，其電壓的測量范圍為±26V，電流測量范圍為0～3.2A。振動傳感器采用型號為ADXL345的三軸加速度傳感器，測量范圍為±16g，頻率響應范圍0.1Hz～3.2kHz，可用于檢測電子元器件在振動環(huán)境下的性能。控制單元選用型號為Advantech UNO-2484G 的嵌入式工控計算機，其搭配Intel Core i7-8700T，6 核心，12線程，2.4GHz 主頻處理器，16 內存GB，Windows7 操作系統(tǒng)以及多個USB 端口、以太網接口和RS-232 串口，以支持數(shù)據(jù)采集和與其他設備的通信。

3 軟件設計

■3.1 檢測數(shù)據(jù)采集及整合

在電子元器件檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是關鍵步驟之一，需要精確地收集各種傳感器測量到的數(shù)據(jù)以供后續(xù)的分析和處理[4]。在該過程中，根據(jù)電子元器件的類型和測試需求，需要將各種傳感器部署到需要監(jiān)測的位置。舉例來說，在測試一個電子電路板時，將溫度傳感器附加到電路板的不同部位，以確保在運行過程中溫度分布的準確監(jiān)測；同時，電壓和電流傳感器會連接到電源輸入和輸出端口，以監(jiān)測電路板的電能變化；而振動傳感器則會被附加在電路板上，以便檢測振動情況，這有助于評估其在實際環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性。連接完成后，將傳感器與控制單元通過RS485 連接起來。在控制單元上，運行特定的數(shù)據(jù)采集軟件應用程序，這些應用程序專門設計用于對電子元器件進行檢測數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)將會通過控制單元進行初步整合處理。在本次設計的檢測系統(tǒng)中，主要關注的是溫度、電壓、電流以及振動參數(shù)?？刂茊卧獙⒉杉降臄?shù)據(jù)進行初步處理和整合，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供準備。在這個系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)更加精準地檢測，系統(tǒng)采用了將整合算法嵌入到控制單元的方式。這意味著采集到的數(shù)據(jù)將會受到算法的計算和整合，從而得到更為準確和可靠的結果。這種整合算法可以根據(jù)實際情況對不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行加權、修正或組合，以提高檢測的準確性和可信度?？紤]到數(shù)據(jù)類型的多樣性，數(shù)據(jù)計算整合的計算公式如式(1)所示：

式中，a表示數(shù)據(jù)類型平均值，ix表示第i 個數(shù)據(jù)，n表示數(shù)據(jù)總數(shù)?？刂茊卧獣⒉杉降臄?shù)據(jù)基于MQTT 協(xié)議格式進行打包處理，并通過WLAN 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。

■3.2 數(shù)據(jù)庫搭建

電子元器件檢測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫用于存儲和管理采集到的電子元器件參數(shù)數(shù)據(jù)以及相關信息的關鍵組成部分，本文基于MySQL 搭建電子元器件檢測信息的儲存數(shù)據(jù)庫，根據(jù)電子元器件的參數(shù)類型為每種參數(shù)搭建一個單獨的數(shù)據(jù)表，以數(shù)據(jù)類型的名稱為每個數(shù)據(jù)表定義字段，每個數(shù)據(jù)表的字段類型和長度會根據(jù)特定參數(shù)數(shù)據(jù)的類型進行定義，以確保數(shù)據(jù)的存儲和檢索的準確性和效率。時間戳使用DATETIME 類型，而數(shù)值字段則會根據(jù)實際情況選擇合適的數(shù)據(jù)類型，如FLOAT 或DECIMAL，并根據(jù)具體需求設置長度和精度，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄表如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄表

讀寫效率的提高可大幅度提升系統(tǒng)的應用性能，將電子元器件的名稱作為索引主鍵，以區(qū)別不同表的結構和字段屬性，同時在各類表中的主鍵上建立聚集索引，以此實現(xiàn)可搜索多項狀態(tài)數(shù)據(jù)的效果，提高數(shù)據(jù)讀寫的效率。

■3.3 檢測結果可視化

檢測結果可視化通過搭建數(shù)據(jù)查詢Web 端完成，這種方法基于前后端分離的方式，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口向外傳輸，以此為外界設備在數(shù)據(jù)接收上提供便利，同時確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性[5]。本文對檢測結果可視化的設計主要包括RESTful 設計、JWT 身份認證、HTTPS 加密以及使用Spring Boot 和Spring Cloud 框架的擴充。首先根據(jù)電子元器件檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將各種資源（如電子元器件參數(shù)、測試數(shù)據(jù)、用戶信息等）定義為RESTful資源，每個資源對應一個唯一的URL。使用HTTP 方法（GET、POST、PUT、DELETE 等）來操作這些資源，實現(xiàn)CRUD（創(chuàng)建、讀取、更新、刪除）操作。例如使用GET 方法來獲取電子元器件參數(shù)數(shù)據(jù)，使用POST 方法來創(chuàng)建新的測試數(shù)據(jù)記錄。按照HTTP 標準使用對應的狀態(tài)碼來表示每個請求的結果，包括200 表示成功、201 表示創(chuàng)建成功、404 表示資源未找到、500 表示服務器錯誤。

JWT 身份認證用于身份認證和授權的開放標準，將用戶信息以JSON 格式進行編碼，并使用數(shù)字簽名保證數(shù)據(jù)完整性。在系統(tǒng)中，用戶登錄后，服務器會頒發(fā)一個JWT令牌，客戶端將在每次請求中發(fā)送該令牌，服務器使用密鑰驗證令牌的有效性。之后采用集成Spring Security 框架，使其與JWT 配合使用，實現(xiàn)用戶認證和授權功能。HTTPS使用SSL/TLS 協(xié)議對數(shù)據(jù)進行加密，防止數(shù)據(jù)被竊聽或篡改，同時為Web 服務器配置SSL 證書，確保通信雙方的身份驗證和數(shù)據(jù)加密。Spring Boot 和Spring Cloud 提供了豐富的數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)庫集成功能，可以輕松連接MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和管理，為此本文采用以上技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與外界設備連接的搭建，數(shù)據(jù)查詢流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)查詢原理圖

在進行數(shù)據(jù)查詢時，用戶可以通過Web 端的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面輕松查看到電子元器件的各種實時數(shù)據(jù)，如溫度、電流、電壓和振動等。這種及時的數(shù)據(jù)反映了設備當前的運行狀態(tài)，為用戶提供了即時的監(jiān)測和分析能力。同時，用戶還可以選擇是否查詢同一電子元器件的歷史數(shù)據(jù)記錄，這使得用戶能夠深入了解電子元器件的運行歷史，從而更好地評估其性能和長期趨勢。歷史數(shù)據(jù)記錄是非常有價值的，其可以提供關于電子元器件在不同時間段內性能變化的重要信息。通過選擇特定的日期范圍，用戶可以分析過去的數(shù)據(jù)，識別是否存在異?；蛑芷谛宰兓＿@種分析有助于用戶提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取適當?shù)拇胧源_保電子元器件的穩(wěn)定運行。同時實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢的結合，為用戶提供了有效管理電子元器件的手段，不僅可以提高設備的運行可靠性，降低維護成本，還可以最大程度地延長設備的壽命。通過及時發(fā)現(xiàn)問題并采取預防性維護措施，用戶可以有效地減少設備停機時間，并確保生產或服務的連續(xù)性。因此，這種綜合的數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)測系統(tǒng)對于各種行業(yè)的用戶都具有重要的意義。

4 測試實驗

■4.1 實驗準備

為驗證系統(tǒng)的性能進行了一系列測試實驗，實驗中選擇了3 個不同類型的電子元器件，在相同的測試時間下進行檢測數(shù)據(jù)采集，包括溫度、電流電壓波動和機械振動的參數(shù)，其中溫度合格范圍為55℃～75℃，電壓合格范圍為3.2V～5.0V，電流合格范圍為0.1A～0.3A，振動頻率合格范圍為900Hz～1300Hz。

■4.2 實驗結果

經過測試后，對3 個電子元器件進行檢測實驗后得到的實驗結果如表2 所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)結果表

由表中的數(shù)據(jù)可知，3 個電子元器件中，1 號和3 號元器件的測試數(shù)據(jù)都處于合格范圍內，2 號元器件的振動頻率低于合格范圍，平均為800Hz，系統(tǒng)提示出該元器件檢測結果為不合格狀態(tài)，由此可見本文設計的檢測系統(tǒng)可以實時檢測出電子元器件的各項數(shù)據(jù)參數(shù)，給出對應的檢測結果，通過結果可使相關人員了解每個電子元器件的性能和是否符合規(guī)格要求，提高電子元器件的可靠性。

5 結束語

本文介紹了一種用于提高電子元器件可靠性的電子元器件檢測系統(tǒng)的設計方法，詳細介紹了該系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計內容，通過測試實驗的結果證明該系統(tǒng)可以有效地檢測出元器件的故障問題，從而提高產品質量和可靠性。這種系統(tǒng)的應用將對各個領域的電子設備制造產生積極影響，確保產品在各種條件下都能穩(wěn)定運行。未來可以進一步研究和改進這一系統(tǒng)，以滿足不斷增長的電子元器件可靠性要求。