基于嵌入式和虛擬儀器的電路板可靠性測試系統(tǒng)

周海晶 撖韶峰

【摘要】針對某企業(yè)生產(chǎn)的電風(fēng)扇控制電路板質(zhì)量不穩(wěn)定問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Labview虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化多參數(shù)電風(fēng)扇電路板可靠性測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由三部分組成：測控節(jié)點(diǎn)、虛擬儀器上位機(jī)、干擾源。由嵌入式處理器組成的傳感網(wǎng)測控節(jié)點(diǎn)，控制測試模式、流程和電路干擾源干擾信號(hào)的電壓、頻率，實(shí)時(shí)在線采集電風(fēng)扇運(yùn)行過程時(shí)其控制電路板的關(guān)鍵元件的電壓和溫度等參數(shù)，并通過傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)Labview虛擬儀器。各參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)和分析運(yùn)算全靠Labview軟件實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)能準(zhǔn)確快速的采集電路板元器件參數(shù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題和改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)發(fā)揮了重要輔助作用。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；嵌入式處理器；電路板測試；數(shù)據(jù)采集

1.引言

因?yàn)殡娐钒宓馁|(zhì)量好壞直接影響產(chǎn)品的性能的高低，所以對電路板可靠性的測試是保障電子產(chǎn)品的質(zhì)量的必經(jīng)環(huán)節(jié)。對電路板的測試，其傳統(tǒng)方法就是人工借助一些測試儀表逐點(diǎn)測量，這種測試方法可靠性不高、效率低且不能實(shí)時(shí)在線測試，因而不適合產(chǎn)品快速生產(chǎn)、測試、出廠一體化的需要。為了克服此問題，本文以某企業(yè)電風(fēng)扇控制電路板為測試對象設(shè)計(jì)了基于傳感網(wǎng)和虛擬儀器的電路板可靠性測試系統(tǒng)，系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由三部分組成：測控節(jié)點(diǎn)、虛擬儀器上位機(jī)、干擾源。

2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們以嵌入式微處理器S3C2440為核心， 加上測控節(jié)點(diǎn)和干擾源組成硬件系統(tǒng)。測控節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線自動(dòng)完成電風(fēng)扇運(yùn)行過程時(shí)其控制電路板關(guān)鍵元件溫度和電壓信號(hào)的采集工作，將采集到的信號(hào)數(shù)字化處理后，經(jīng)過短暫存儲(chǔ)及初步處理，通過傳感網(wǎng)將信號(hào)傳遞至計(jì)算機(jī)，供虛擬儀器軟件Labview顯示、存儲(chǔ)，并進(jìn)行綜合分析。同時(shí)，還能夠接收Labview上位機(jī)發(fā)出的命令，及時(shí)對測試流程進(jìn)行總體上的控制。干擾源智能型脈沖群發(fā)生器可以高頻尖峰或脈沖信號(hào)，模擬現(xiàn)實(shí)中電路板可能遭遇的電磁干擾信號(hào)，在干擾信號(hào)作用下參數(shù)數(shù)據(jù)的變化情況是電路板可靠性判斷的重要指標(biāo)。

2.1 溫度采集

k型熱電偶可直接測量液體蒸汽、氣體介質(zhì)和固體表面溫度，測量范圍0℃至1300℃。在本系統(tǒng)中用k型熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)傳遞給溫度轉(zhuǎn)換芯片Max6675，然后Max6675把溫度值傳遞給S3C2440嵌入式微處理器處理，得到測試對象溫度。

MAX6675的特點(diǎn)如下：

（1）內(nèi)部集成有冷端補(bǔ)償電路；

（2）帶有簡單的3位串行接口；

（3）溫度信號(hào)可轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量，分辨率達(dá)0.25°；

（4）內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路。

2.2 電壓采集

S3C2440嵌入式微處理器內(nèi)含的10位A/D轉(zhuǎn)換器最大轉(zhuǎn)換速率是500KSPS，能夠滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間與精度要求，但是要注意的是輸入模擬電壓范圍是0-3.3V，所以被測電壓首先經(jīng)過互感器隔離、信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后保持在ADC允許范圍內(nèi)，然后經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并通過以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)。

3.系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在Iabview的軟件環(huán)境下完成了電路板可靠性測試的全部軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及人機(jī)交互界面等部分。

3.1 數(shù)據(jù)通信子程序

系統(tǒng)TCP通信兩端分別為Labview上位機(jī)（服務(wù)端）和測控節(jié)點(diǎn)（客戶端）。服務(wù)端先通過TCP Listen.VI對指定的端口監(jiān)聽，客戶端向服務(wù)器端被監(jiān)聽的端口發(fā)送請求，服務(wù)端接受到請求后便建立客戶端與服務(wù)器端的連接，然后就可以利用該連接進(jìn)行通信。通信完畢后，兩端通過關(guān)閉連接函數(shù)TCP Close.VI斷開連接。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序

本系統(tǒng)需要操作的數(shù)據(jù)量比較大，因而選擇Labview提供的TDMS文件。每一個(gè)文件可以有多個(gè)組，每一組可以有多個(gè)通道。在系統(tǒng)中需要管理的數(shù)據(jù)信息有溫度信息、電壓信息、電路板運(yùn)行狀態(tài)信息，分別歸類在Voltage、Temperature和property組中，其中Voltage、Temperature組都有八個(gè)通道，可以同時(shí)操作8路數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過程：首先用TDMS Open.vi創(chuàng)建并打開一個(gè)TDMS文件，然后用TDMS Write.vi按不同組別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)束后用TDMS Close.vi關(guān)閉TDMS文件。

3.3 主程序

從測控節(jié)點(diǎn)接受到數(shù)據(jù)是一些二進(jìn)制數(shù)據(jù)，主程序負(fù)責(zé)將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換換成十進(jìn)制數(shù)組，并根據(jù)通信協(xié)議從中分離出溫度數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)，再經(jīng)過信號(hào)處理得出有效值和極值等，最后將這些數(shù)據(jù)在波形圖中顯示出來并存入TDMS文件，同時(shí)主程序通過TCP通信可以向測控節(jié)點(diǎn)網(wǎng)傳遞信號(hào)以控測試流程和干擾源干擾信號(hào)的電壓、頻率。

4.系統(tǒng)應(yīng)用

圖1為某企業(yè)風(fēng)扇控制電路板電源部分的原理圖。因需節(jié)省成本，用電容和RX1電阻組成的降壓電路代替了變壓器降壓，由于設(shè)計(jì)上的缺陷，電路板在受到強(qiáng)電磁場干擾下，會(huì)引起RX1電阻燒黑，最終導(dǎo)致整個(gè)電路板損毀。為了查明原因，本系統(tǒng)以風(fēng)扇控制電流板為測試對象，在正常情況和有干擾情況下，對其RX1電阻參數(shù)進(jìn)行采集分析，由于篇幅所限，僅以RX1電阻電壓為例。在正常情況和有干擾情況下，RX1電阻的電壓曲線如圖2所示。

圖1 風(fēng)扇控制電路板電源部分的原理圖

圖2 正常情況（左）

和有干擾信號(hào)（右）RX1電阻的電壓曲線

從圖2中可以看出，在信號(hào)干擾下，RX1電阻電壓變的極不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)跳變，從而導(dǎo)致電壓有效值變大，其間接效果是導(dǎo)致RX1電阻單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量增大。如果風(fēng)扇電路板連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行，電路板RX1電阻會(huì)因溫度過高而燒毀。通過對比分析得出的原因是風(fēng)扇電路板抗高頻干擾性能比較差，通過不同條件下的測試比較，其理想的解決方法是在風(fēng)扇電路板電源輸入端串聯(lián)一個(gè)3.5m的電感以濾除高頻干擾。其改良電路板在兩種情況下RX1電阻的電壓曲線如圖3所示，可以看出，電路板RX1電阻的電壓幾乎不受干擾信號(hào)的影響。應(yīng)用結(jié)果表明，統(tǒng)能準(zhǔn)確快速的采集電路板元器件參數(shù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題和改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)發(fā)揮了重要輔助作用。

圖3 改良電路板正常情況（左）

和有干擾信號(hào)（右）RX1電阻的電壓曲線

5.結(jié)論

研究和開發(fā)了一種基于傳感網(wǎng)和虛擬儀器的電路板可靠性測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電路板8路電壓和溫度參數(shù)的在線實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、顯示、分析和存儲(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)使用低成本、低功耗、高性能的嵌入式處理器完成數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)以虛擬儀器Labview為開發(fā)平臺(tái)，使得該系統(tǒng)操作方便，開發(fā)周期短且易擴(kuò)展，大大降低了開發(fā)成本。

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