摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信模組檢測(cè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一種能夠檢測(cè)模組的多功能測(cè)試夾具。該夾具基于STM32單片機(jī)，并運(yùn)用了各類傳感器、4G模組通信及3D打印等技術(shù)，能夠?qū)δ＝M進(jìn)行全功能檢測(cè)、識(shí)別模組軟硬件版本和生產(chǎn)日期等信息、快速定位故障部件，并能將測(cè)試情況保存在云端，方便工程技術(shù)人員查看，適用于中移物聯(lián)網(wǎng)MN316/M5310-E/ML302/ML305等或市面上其他與其封裝兼容的各類型模組。該夾具可用于故障模組診斷或生產(chǎn)來(lái)料檢驗(yàn)，能夠提升售后工程師的檢測(cè)效率，幫助模組采購(gòu)商確認(rèn)模組來(lái)料信息，適用于各類模組生產(chǎn)工廠。

關(guān)鍵詞：通信模組；3D打印；4G數(shù)傳；阻抗檢測(cè)；電流檢測(cè)；故障診斷；來(lái)料檢驗(yàn)；OneNET云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.023

0 引 言

無(wú)線通信模組是物聯(lián)網(wǎng)智能終端的核心部件，是智能終端與物聯(lián)網(wǎng)之間的連接紐帶[1]，在萬(wàn)物互聯(lián)的大趨勢(shì)下扮演著重要角色，是獲取“物”、大數(shù)據(jù)中最關(guān)鍵、最核心的基礎(chǔ)通信單元，是新基建領(lǐng)域的核心通信器件，正加速滲透到生產(chǎn)、消費(fèi)、安防和社會(huì)管理等各層面、各領(lǐng)域[2]。而隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各類終端產(chǎn)品也呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。物聯(lián)網(wǎng)終端廠商在對(duì)模組進(jìn)行二次生產(chǎn)貼片、測(cè)試過(guò)程中，存在如下問(wèn)題：版本管理混亂，易導(dǎo)致產(chǎn)品功能或性能出現(xiàn)兼容性異常，引發(fā)批次售后問(wèn)題；產(chǎn)線測(cè)試人員缺乏模組基礎(chǔ)知識(shí)，簡(jiǎn)單模組故障無(wú)法排除和甄別；部分廠商通過(guò)定制模組夾具的方式進(jìn)行測(cè)試，但定制夾具功能單一，且需搭配PC端操作，測(cè)試步驟復(fù)雜。

文獻(xiàn)[3]提出了一種模組通信測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信模組的自動(dòng)化測(cè)試。文獻(xiàn)[4]提出了一種可以提高通信模組測(cè)試效率的通信模組測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)提供了一種通信模組測(cè)試方法。但上述測(cè)試裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)模組的工作電流監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵引腳的阻抗檢測(cè)，且體積大，不便于攜帶，無(wú)法兼容多款模組產(chǎn)品。

本文設(shè)計(jì)了一種能夠檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)通信模組的多功能測(cè)試夾具，通過(guò)采集模組在開(kāi)機(jī)、駐網(wǎng)、數(shù)據(jù)交互等不同工作狀態(tài)下的電流相關(guān)特征參數(shù)（如峰值/谷值/平均值等）、關(guān)鍵引腳阻抗參數(shù)、AT指令交互結(jié)果，依據(jù)特定的算法，綜合判斷樣品損壞情況，快速定位損壞部件，并將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行智能顯示。該夾具小巧輕便，便于攜帶，并采用兼容性設(shè)計(jì)，能夠測(cè)試多款模組。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本夾具系統(tǒng)具有對(duì)模組進(jìn)行軟硬件版本/生產(chǎn)信息查詢與確認(rèn)、測(cè)試數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)和查看、AT指令（終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信指令）交互測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)試、功耗測(cè)試、關(guān)鍵引腳阻抗測(cè)試、自動(dòng)識(shí)別故障問(wèn)題等功能。

當(dāng)夾具內(nèi)放入待測(cè)模組后，在LCD觸摸屏上選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)模組的腳本，并選擇測(cè)試類型，可分為來(lái)料檢測(cè)和故障診斷兩種模式。來(lái)料檢測(cè)模式下會(huì)查詢模組的軟/硬件版本和生產(chǎn)信息，并與服務(wù)器端的封樣信息進(jìn)行對(duì)比，若版本信息不一致，會(huì)通知來(lái)料檢測(cè)工程師進(jìn)行確認(rèn)，也可將新的軟硬件版本和生產(chǎn)信息上傳到服務(wù)器，對(duì)原始封樣信息進(jìn)行更新。故障診斷模式下會(huì)對(duì)模組進(jìn)行AT指令交互測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)試、功耗測(cè)試、關(guān)鍵引腳阻抗測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)將故障問(wèn)題類型及可能原因顯示在LCD屏。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本夾具系統(tǒng)采用STM32 M3內(nèi)核MCU，搭載3.5寸電阻觸摸屏，合理設(shè)計(jì)電源管理邏輯，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的基本功能框架。硬件部分包含控制器模塊、LCD顯示模塊、電流檢測(cè)模塊、阻抗檢測(cè)模塊、4G數(shù)傳模塊和夾具檢測(cè)殼體。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

2.1 控制器模塊

控制器模塊主要包含MCU和電子開(kāi)關(guān)。MCU選用STM32F103VCT6，主要負(fù)責(zé)電源管理、電子開(kāi)關(guān)的切換、LCD觸摸屏交互式管理以及各輸入輸出接口的控制。電子開(kāi)關(guān)分為繼電器和模擬開(kāi)關(guān)。

由于不同封裝類型的模組供電電源要求不同，因此夾具系統(tǒng)需根據(jù)放入模組的類型進(jìn)行電源切換。繼電器選用JZC-32F/5-ZS3，其為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，可以切換3.3 V和3.8 V

電源，當(dāng)在LCD觸摸屏選擇模組腳本后，夾具系統(tǒng)將自動(dòng)切換為合適的電源。模擬開(kāi)關(guān)選擇TMUX1108RSVR和TMUX1204DQAR，分別為8路和4路復(fù)用開(kāi)關(guān)，前者主要用于切換模組測(cè)試引腳，后者用于切換阻抗測(cè)試的檔位，不同檔位對(duì)應(yīng)不同的量程和精度。

2.2 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊選用3.5寸電阻觸摸屏，技術(shù)人員可通過(guò)觸摸屏選擇不同的測(cè)試模式及測(cè)試腳本，也可選擇是否將測(cè)試信息上傳到服務(wù)器。在各個(gè)測(cè)試模式結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)將測(cè)試結(jié)果顯示到觸摸屏，測(cè)試人員可根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行下一步分析與處理。

2.3 電流檢測(cè)模塊

電流檢測(cè)模塊的核心元器件為INA190A1精密電流感應(yīng)放大器，它是一款低功耗、電壓輸出的電流檢測(cè)放大器。通過(guò)選擇不同的采樣電阻以及增益倍數(shù)，可以獲得不同的量程和精度、較寬的共模電壓輸入范圍，使其適用于不同的測(cè)量需求。本系統(tǒng)中電路采樣電阻選擇0.08 Ω，增益選擇

25倍，量程為0～2 A，精度為1 mA，可以滿足模組的基本測(cè)試需求。將采樣放大后的輸出信號(hào)傳輸給后端AD采集模塊ADC122S021進(jìn)行模擬采樣。同時(shí)，為了防止電路中工作電流過(guò)大，超出測(cè)試量程，如電源引腳對(duì)地短路的模組會(huì)產(chǎn)生超過(guò)2 A的短路電流，因此在電流檢測(cè)模塊前端增加

一個(gè)電子保險(xiǎn)絲FUSB120F。

2.4 阻抗檢測(cè)模塊

阻抗檢測(cè)模塊主要根據(jù)電阻分壓的原理，將阻抗轉(zhuǎn)換成電壓值，并使用OPA189IDR運(yùn)放進(jìn)行電壓跟隨采集，傳輸給后端AD采集模塊ADC122S021進(jìn)行模擬采樣。電路中通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換不同的采樣電阻，用以切換測(cè)試量程和精度。本夾具系統(tǒng)測(cè)試量程為0～20 MΩ。

2.5 4G數(shù)傳模塊

4G數(shù)傳模塊[5]的核心部件為中移物聯(lián)網(wǎng)公司出品的LTE CAT1模塊ML302，其支持TD-LTE/FDD-LTE通信制式，擁有豐富的Internet協(xié)議、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口和功能，可廣泛應(yīng)用于M2M領(lǐng)域中，如共享、金融支付、POC、工業(yè)控制等。本夾具系統(tǒng)將需要上傳的數(shù)據(jù)通過(guò)4G數(shù)傳模塊上傳至中移物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)。

2.6 夾具檢測(cè)殼體

夾具檢測(cè)殼體采用國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂3D打印[6]，主要用來(lái)放置各種硬件模塊，結(jié)構(gòu)上采用兼容性設(shè)計(jì)，適用于中移物聯(lián)網(wǎng)MN316/M5310-E/ML302/ML305等或市面上其他與其封裝兼容的各類型模組。實(shí)物模型如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本夾具系統(tǒng)的功能需求及硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含無(wú)線通信模塊程序設(shè)計(jì)、LCD觸摸屏模塊程序設(shè)計(jì)、故障診斷模塊程序設(shè)計(jì)。

3.1 無(wú)線通信模塊程序設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊主要用于無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。系統(tǒng)可將測(cè)試數(shù)據(jù)，如故障診斷數(shù)據(jù)、來(lái)料檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)MQTT協(xié)議上傳至OneNET云平臺(tái)[7]。工程技術(shù)人員也可通過(guò)云平臺(tái)將云端保存的數(shù)據(jù)下發(fā)給無(wú)線通信模塊，如封樣信息，用于對(duì)比校準(zhǔn)來(lái)料檢測(cè)過(guò)程中的樣品信息。通信流程如圖3

所示。

同時(shí)，無(wú)線通信模塊集成了在線FOTA升級(jí)功能[8]，可通過(guò)OneNET云平臺(tái)將完整固件包或差分包下載到本地，進(jìn)行OTA遠(yuǎn)程升級(jí)操作。升級(jí)示意圖如圖4所示。

3.2 LCD觸摸屏模塊程序設(shè)計(jì)

LCD觸摸屏作為與用戶之間的重要交互界面，負(fù)責(zé)檢測(cè)用戶的輸入，執(zhí)行相關(guān)操作指令，并顯示相關(guān)檢測(cè)狀態(tài)和提示信息。LCD初始化完成后，提示用戶選擇測(cè)試模式及對(duì)應(yīng)模塊腳本。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到樣品模塊放入時(shí)，啟動(dòng)測(cè)試流程，并顯示相關(guān)狀態(tài)信息，用戶可以根據(jù)提示信息對(duì)模組進(jìn)行故障診斷，也可進(jìn)一步排查故障原因。LCD觸摸屏模塊工作流程如圖5所示。

3.3 故障診斷模塊程序設(shè)計(jì)

故障診斷模塊主要用于對(duì)模組進(jìn)行功能測(cè)試和故障檢驗(yàn)。當(dāng)MCU啟動(dòng)故障診斷模式后，系統(tǒng)將會(huì)按照預(yù)設(shè)的腳本對(duì)模塊發(fā)起AT指令測(cè)試，依次檢測(cè)模組的開(kāi)機(jī)、讀卡、駐網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)參數(shù)、數(shù)據(jù)交互是否正常，同時(shí)記錄每個(gè)狀態(tài)的工作電流數(shù)據(jù)。若工作狀態(tài)存在異常大電流，則對(duì)模組相關(guān)引腳進(jìn)行阻抗檢測(cè)，最終確定問(wèn)題類型及可能損壞部件。故障診斷流程如圖6所示。

電流特征數(shù)據(jù)[9]可用來(lái)表征模組的工作狀態(tài)。通常模組上電后會(huì)經(jīng)過(guò)內(nèi)部初始化、各GPIO引腳供電、讀卡、駐網(wǎng)、業(yè)務(wù)交互、網(wǎng)絡(luò)資源釋放等階段，不同階段下電流特征數(shù)據(jù)不一致。因此通過(guò)設(shè)定特定的檢測(cè)規(guī)則，對(duì)不同階段特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，可將其作為模組故障診斷的

依據(jù)。

本系統(tǒng)在故障診斷過(guò)程中會(huì)提取不同階段的特征值，并根據(jù)該特征的重要性設(shè)置不同的分值與專家評(píng)價(jià)規(guī)則[10]，符合規(guī)則得滿分，否則得0分，最后將分值相加，低于9分（總分值為10分）的模組為不良品。若需對(duì)模組進(jìn)一步分析，也可將某幾項(xiàng)特征值單獨(dú)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)差異性對(duì)比綜合判定故障類型及可能損壞的部件。特征值主要選取峰值、谷值、平均值、待機(jī)值等。故障診斷評(píng)價(jià)見(jiàn)表1

所列。

4 系統(tǒng)測(cè)試

當(dāng)用戶將模組放入本系統(tǒng)相應(yīng)工裝位置后，可根據(jù)需求選擇來(lái)料檢測(cè)模式或故障診斷模式，系統(tǒng)實(shí)物如圖7

所示。

如圖8所示，來(lái)料檢測(cè)模式中系統(tǒng)將更新后的封樣信息通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到OneNET云平臺(tái)，用戶可在線查看。圖9是故障診斷模式中上傳的故障診斷結(jié)果。圖10是模組故障診斷后LCD屏的顯示結(jié)果，用戶可根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模組進(jìn)行故障分類，也可進(jìn)一步進(jìn)行根因排查。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合傳感器技術(shù)、3D打印技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能夠檢測(cè)通信模組的多功能夾具。該夾具可對(duì)模組進(jìn)行來(lái)料檢驗(yàn)，幫助來(lái)料檢測(cè)工程師進(jìn)行版本驗(yàn)證、生產(chǎn)信息確認(rèn)；也可對(duì)模組進(jìn)行故障診斷，篩選不良品并判定異常原因。本文設(shè)計(jì)的裝置小巧便攜、測(cè)試效率高、測(cè)試功能豐富、兼容多款主流封裝類型模組、操作簡(jiǎn)單，特別適用于從事模組生產(chǎn)及檢測(cè)的相關(guān)人員。

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收稿日期：2023-09-08 修回日期：2023-10-10

作者簡(jiǎn)介：王恩明（1991—），男，中級(jí)通信工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。

王 超（1984—），男，中級(jí)通信工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。

李 鑫（1992—），男，中級(jí)通信工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。

何 旋（1990—），男，中級(jí)通信工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。

王雙超（1989—），男，中級(jí)通信工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。