JCJ－300型基板檢查裝置的檢測原理與設計思路

中國電子科技集團公司第二研究所 鄭 毅

1.前言

真空熒光顯示器件（VFD）的顯示對比度高、顏色醒目、工作溫度范圍寬，還有高可靠性和壽命長的特點。特別是由于具有自發光的特長，在環境光線暗處使用時，與需要背光的LCD比較，具有不可替代的優勢。從上世紀60年代至今，VFD已經在儀器儀表、消費電子和汽車電子裝置上廣泛應用。

2.整機的功能與構成

基板檢查裝置是VFD器件生產線上的關鍵設備。它的功能是測試玻璃板上的厚膜線路（印刷銀漿工藝）或薄膜線路（真空濺射工藝）的通斷和絕緣好壞。JCJ－300型檢查機可同時檢測256個線路端點的導通和絕緣狀況。檢測部用48V電壓測試工件上各個端子的絕緣與點子的導通情況，檢測結果通過RS-232串行通訊口發送給工控機。工控機根據檢測部的測試結果與預先設定的網絡表比較，判斷工件的好壞。再通過PLC控制步進電機和氣缸在打標臺上對不良品作出標記。由于工作臺的位置精度要做到50μm才能保證檢測部的眾多探針與工件接觸良好，所以使用了機器視覺對工作臺位置做偏差修正。整臺設備由微控制器（MCU）構成的檢測部、運行Windows操作系統和Visual Basic應用程序的工控機（PC）和中型可編程控制器（PLC）與F150圖像處理系統4部分構成。工控機管理協調整機各部分工作，PLC控制多臺精密伺服電機、步進電機，還通過電磁閥控制為數眾多的氣缸做機械運動控制。檢測部是由一個8位MCU為核心的，由14塊電路板構成的6U子架。

3.檢測部的設計原理

3.1 檢測部的技術指標

具有256個絕緣測試（DRV）端子和256個導通（RCV）測試端子；測試電壓48V；絕緣電阻下限1MΩ；導通電阻上限2kΩ。

3.2 測試方法

檢測部256個絕緣端子和256個導通端子的測試方法是順序測試：給某1個端子針加上48V電壓后讀取其余255個端子針的比較器的輸出狀態，如果讀取到的狀態都是都是低電平，說明沒有絕緣良好。如果從其他端子針的比較器讀取的電壓是高電平，說明這個端子與其他端子漏電。給某個端子針加電后，讀取對應的點子針的比較器輸出狀態，導通的點子比較器輸出應該是高電平，如果是低電平說明工件上的線路沒有導通。端子探針由接48V測試電壓的開關管和連接探針與基準電壓的比較器構成。

4.電路板的結構

4.1 端子針和點子針的電路結構

4.2 MCU板

MCU板是3U高210mm長的4層板。主要由AT89S52芯片、外部并行總線擴展芯片和RS－232接口芯片等組成。MCU板上的核心器件是C51架構的新型AT89S52芯片。芯片本身的4個8位I/O口實際只能使用30多個，無法直接滿足256個絕緣測試端子和256個導通測試端子的數目要求，所以用AT89S52芯片的P0口和P2口組成的外部并行總線做I/O口擴展。把DRV板上與開關管相連的鎖存器和比較器，與RCV板上的比較器通過緩沖器接入并行總線。用訪問外部數據存儲器的方式實現讀取比較器的輸出狀態和控制開關管的開閉。對于訪問外部數據存儲器，AT89S52芯片具有專門指令，使用非常方便。用“MOVX A,@Ri”指令讀取比較器的輸出。用“MOVX @Ri,A”指令，把要啟動或關閉的開關管的狀態寫入鎖存器，由鎖存器控制開關管的開閉。AT89S52芯片內部的16位定時器Timer2做發送接收波特率發生器，提高測試時的通訊速度就可以縮短工件在機器上停留的時間。所以為了提高產量，要盡量提高MUC與PC的通訊速度。為此選用115200bps的波特率。當選用11.0592MHz晶體，RCAP＝65533（0FFFDH）時，Timer2輸出的時鐘輸出頻率正好是115200，沒有計算誤差。也就是說波特率發生器的定時精度只和石英晶體的頻率飄移有關。通過向石英晶體的生產廠家定制的方式，選用精度為±30ppm的晶體。高質量的石英晶體產生了高度準確的波特率，有效的保證了串行口高速通訊的穩定性。檢查機的運行地點是具有強干擾的工業環境，即使采用多層PCB板布線，改善了接地效果并對電源加強濾波和隔離措施，也無法保證MCU連續運行幾個星期都不會死機，所以開啟了芯片內部的硬件WatchDog。在程序指令中穿插了對WatchDog的清零指令。在與PC機的通訊協議中，對于WatchDog定時溢出引起復位后如何恢復通訊，也做了周全的考慮。確保MCU偶爾復位不會對整機連續運行造成影響。

MCU板的電原理圖：

4.3 DRV板

每個DRV板有64個端子針，4塊DRV板組合成256個絕緣測試端子。每個端子由開關管和控制開關管的鎖存器和串接了降壓電阻的比較器組成。板上全部比較器的同相輸入端都連接到同一個基準電壓。64個開關管分成8組，由8片與總線相連的74AC564鎖存器控制。16個LM339比較器由8片74AHC540緩沖器接入總線。板上2片74ALS138譯碼器的輸出分別控制8片緩沖器的片選信號和8片鎖存器的片選信號。1片74ALS520地址比較器用來設定地址范圍。

DRV板電原理圖第1部分：

DRV板電原理圖第2部分：

DRV板端子針的結構：

DRV板是4層PCB板，片式元器件雙面貼裝。頂層和低層作為元件層和走信號線，5V電源與48V電源和基準電壓這3個最大的網絡用分隔平面層的方法放在第三層；地線在第二層，是一個完整的平面層。所有與地線連接的元件管腳都通過花孔與地線層連接。在設計PCB的過程中使用了最先進的“原理圖驅動”布局方式，最大限度的縮短了這個元件數量繁多的4層電路板的設計周期。“規則驅動”的布線方式確保最少人工干預，保障無差錯布線，降低了設計風險。

4.4 RCV板

每個RCV板具有128個端子針。2塊RCV板組合成256個導通測試端子。板上的128個針由獨立的降壓元件接入比較器。板上全部比較器的同相輸入端都連接到基準電壓。128個端子針連接到32片LM339比較器。比較器的輸出通過16片74HC540緩沖器接入總線。板上2片74ALS138譯碼器的輸出構成16片緩沖器的片選信號。1片74ALS520地址比較器用來設定地址范圍。

由于RCV板上探針線路比DRV板的結構簡單，而且沒有高電壓網絡，所以出于降低成本的目的，對RCV板采用雙面電路板設計。RCV板與DRV板一樣采用“原理圖驅動”布局。與DRV板不同的地方是：DRV板為保證視覺美觀，機器預布線完成后在規格約束下對布線做了較多人工調整。而RCV板由于工作電壓低，對絕緣距離要求不高，布線規則簡單，為加快設計速度，基本全部使用自動布線完成。

5.整機結構

檢測部由1塊背板、1塊MCU板、4塊端子（DRV）板、2塊點子（RCV）板和5V與48V電源構成，全部安裝在一個標準的19英寸6U子架內。每塊DRV板有600多個零件，每塊RCV板有1000多個零件，整機零件數量共計約4500個。DRV板和RCV板是6U高210毫米長的大板，MCU板是3U高210毫米長的小版。一塊3U高全長背板連接MCU板，全部DRV板和RCV板。6塊小轉接板分別連接到各個DRV和RCV板做測試端子的引出。由于MCU板和其它板子高度不同，所以在子架中安裝了分層架，把子架內部空間分隔成左右兩部分。左側分隔成上下兩層，每層3U高。MCU板安裝在子架的左側上層，DRV板和RCV板均勻排列安裝在子架中間偏右側。前面板上安裝電源開關和保險絲。背板上預留了RS-232串行口的插座和全部端子針和點子針的引出插座。為了提高整機抗電磁干擾的性能和防止異物掉落進子架損傷電路板，在子架的頂部和底部安裝了鋁屏蔽網罩。

6.結束語

整機要具有較強的抗干擾能力和提高電磁兼容性的設計思想，貫徹在設計過程的各個階段。自2004年9月完成安裝調試。投入使用后，在工業現場一直運行穩定可靠，沒有發生過故障，實現了高可靠性的設計目標。

[1]AT89S52 數據手冊[S].ATMEL公司.

[2]Standard Logic & Linear Selection Guide CD-ROM Texas Instruments.