基于多機通信的高效PTCR耐電壓自動測試系統(tǒng)

黎步銀，龔道遠，羅元政，余思源

(華中科技大學，光學與電子信息學院，湖北武漢 430074)

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基于多機通信的高效PTCR耐電壓自動測試系統(tǒng)

黎步銀，龔道遠，羅元政，余思源

(華中科技大學，光學與電子信息學院，湖北武漢 430074)

PTC熱敏電阻的廣泛應用，對PTCR元件出廠效率和耐電壓可靠性提出了很高的要求。為了提高PTCR耐電壓測試效率和可靠性，設計了一套基于PC機和多單片機主從多機通信的高效PTCR耐電壓自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對48～256工位的PTCR樣品進行耐電壓測試，同時設有過流過零模塊實時監(jiān)測測試回路。實際應用表明，相比實驗室和工廠中應用的PTCR耐電壓儀器，該系統(tǒng)測試方法合理，測試結果穩(wěn)定可靠，測試工位擴展性強，能直觀的顯示和記錄通電和過流情況并在過流時及時斷開測試回路，避免了樣品漏檢和過流時儀器損壞導致的系統(tǒng)停機，極大地提高了測試效率，降低了測試成本。

熱敏電阻；單片機；耐電壓測試；高效；過流保護；可靠性

0 引言

PTC(Positive Temperature Coefficient)熱敏電阻是一種具有正溫度系數(shù)特性的半導體陶瓷熱敏電阻。由于其特有的阻溫特性，已被廣泛運用于通信保護、馬達啟動、彩電消磁、溫度傳感等領域[1]。PTCR元件的大量應用，對元件自身的可靠性提出了更高的要求，在出廠前，需對PTCR元件進行耐電壓測試。目前實驗室和一些工廠中實際使用的PTCR耐電壓儀器，部分只有30工位和42工位，需人工上料，容易損壞樣品電極，測試效率低，測試工位無擴展性，采用空氣開關作為過流保護，在樣品擊穿發(fā)生過流時不能及時地斷開，設備長期處于電流過大的運行狀態(tài)，功耗大，而且會對設備產(chǎn)生永久性損壞。國內生產(chǎn)的鏈式傳動PTCR耐電壓測試儀，傳動帶自動上料，采用彈簧片夾持樣品，這種夾持方式散熱較快，很難達到耐電壓測試要求，且在測試過程中一旦出現(xiàn)彈簧片松動，加低壓時漏檢后直接切換至高壓的情況，整條測試系統(tǒng)會因電流過大而保護停機，需要把在傳送帶上的樣品取出之后重啟系統(tǒng)、重新開始測試，這種頻繁的保護停機極大地降低了測試效率。為了解決上述問題，研制了基于PC機和單片機主從多機通信的高效PTCR耐電壓自動測試系統(tǒng)。

1 測試原理

PTCR是一種熱開關型元件，其阻溫特性曲線如圖1所示。從圖中可以看出，在常溫下電阻較低，當溫度大于居里點tb時，在一個很窄的溫區(qū)內，電阻率可增加幾個數(shù)量級[2]。在加壓瞬間，通過樣品的沖擊電流大，最大達幾十A，容易損壞設備。加壓后幾百ms到幾s內，元件由于電流熱效應發(fā)熱，阻值迅速上升，電流急劇下降。根據(jù)這一原理，采用順序逐一加壓或者少量樣品同時加壓的測試方式，避免了加壓瞬間電流過大對設備造成的影響。

圖1 PTC電阻-溫度曲線

按照通信行業(yè)標準，PTCR元件耐壓特性的考核，主要包括：一是耐電壓沖擊性，即直接加上略高于元件額定工作電壓的電壓，觀察元件的工作情況；二是當元件處于正常開關狀態(tài)下時，突然加上比額定的工作電壓高的多的電壓，觀察其承受段時間耐過電壓的能力，以考核PTCR元件的好壞[3]。因此，耐壓儀通常具備低壓和高壓兩級電壓，先加低壓，再切換到高壓，且能設置加壓時間。測試原理如圖2所示。

圖2 PTCR耐壓測試原理

圖3 測試系統(tǒng)原理框圖

測試系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。為了提高測試效率和穩(wěn)定性，采用樣品模板放置被測樣品，控制電路控制氣缸，使探針板動作夾持樣品來替代人工操作，同時，每一測試回路均設置了過流過零模塊，實時監(jiān)測回路電流，當樣品損壞導致回路中電流過大時，過流保護電路迅速做出反應，切斷當前回路繼電器，并反饋給MCU，MCU在每一輪測試完成之后將存儲的反饋數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，對樣品進行分選。

2 硬件實現(xiàn)

根據(jù)測試原理，整個測試系統(tǒng)由測試平臺、主控單元、過流過零監(jiān)測單元、上位機組成。

2．1 測試平臺

測試平臺由高壓和低壓兩個單相隔離變壓器、測試臺、上下探針板、氣缸和樣品模板組成。變壓器為樣品提供加壓電壓，氣缸為探針板夾持樣品提供動力，替代人工操作，測試工位可擴展，根據(jù)不同需求，工位數(shù)設置為48～256 W.

2．2 主控單元

主控單元包含上位機、單片機控制電路。用于產(chǎn)生控制信號，控制工位選通繼電器動作，給被測樣品加壓。

上位機、單片機控制電路框圖如圖4所示。系統(tǒng)以16個工位為一個基礎單元，采用STC單片機作為每個基礎單元的主控芯片，根據(jù)不同需求，48～256工位由3～16個基礎單元組成，分別由3～16片單片機控制，另用1片單片機控制氣缸和高低壓切換。上位機和單片機通過RS485通信網(wǎng)絡組成主從式控制系統(tǒng)。上位機設置參數(shù)和顯示運行狀態(tài)，同時可控制各基礎單元單片機運行。下位機將每一路樣品測試結果發(fā)回上位機，作為上位機控制自動分選的標準，并配有友好的人機界面。

圖4 控制電路框圖

2．3 過流過零監(jiān)測電路

由于耐電壓測試過程中加壓電壓高，加壓瞬間沖擊電流大，以及樣品加壓擊穿后產(chǎn)生過電流，容易燒毀測試設備，系統(tǒng)采用了過流過零監(jiān)測電路實時監(jiān)測回路電流，如圖5所示。

圖5 過流過零監(jiān)測電路

過流過零監(jiān)測是通過監(jiān)測串聯(lián)于測試回路中取樣電阻RS的電壓來實現(xiàn)的。RS選用精度為0．5%，阻值為1 Ω、10W的大功率電阻。運放A1用作電壓跟隨，運放A2和A3用作電壓比較[4]，A1輸出端作為運放A2的比較輸入，此電壓與A2比較端預置的過流基準閾值電壓進行比較，當樣品被擊穿過流時，此電壓超過閾值電壓，比較器輸出高電平[5]，觸發(fā)可控硅SCR導通并保持，點亮過流指示LEDR，同時將驅動接在K點測試回路中的常閉繼電器動作，斷開回路，實現(xiàn)過流保護。Z點電壓作為運放A3的比較輸入，此電壓與A3比較端預置的過零基準閾值電壓進行比較，當樣品加壓時，此電壓超過閾值電壓，比較器輸出高電平，觸發(fā)可控硅SCR導通并保持，點亮通電指示LEDG，實現(xiàn)通電監(jiān)測。測試回路中還設有保險絲，在過流監(jiān)測失效時，對電路有雙重過流保護作用，不會因過流而保護停機。

3 軟件實現(xiàn)

軟件部分包括：上位機軟件和下位機軟件。

上位機程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)啟動初始化，讀取上一次測試設置的參數(shù)，包含加壓間隔時間，低壓持續(xù)時間，高壓持續(xù)時間和測試模式。若需要設置新的參數(shù)值，可以重新設置上述參數(shù)，設置完畢后啟動。上位機與單片機采用的是主機查詢、從機中斷的通信方式。只有當上位機對從機進行訪問時，從機才能做出應答。當上位機發(fā)出指令，所有下位機接收并將地址幀與自己的地址相比較，如果相同則繼續(xù)接收后面的指令或數(shù)據(jù)，如果不同則不予理會。上位機在確認地址相同后開始發(fā)送接收數(shù)據(jù)，否則中斷線路查詢下一單片機端口，直到發(fā)送接收完畢。

圖6 上位機程序流程圖

下位機程序流程圖如圖7所示，單片機初始化之后，等待中斷，在接收到上位機發(fā)出的指令后啟動。整個測試過程是全自動的，氣缸控制探針板夾持樣品，開始加壓測試，一輪測試完成后，探針板回到初始位置，測試結束。單片機通過順序監(jiān)測各工位SCR狀態(tài)，判斷樣品是否失效，存儲并發(fā)送測試結果至上位機，等待上位機的自動分選。

每一輪測試結束后，上位機能記錄下測試結果，方便分析。按下復位鍵，初始化SCR狀態(tài)，準備進行下一輪測試。

圖7 下位機程序流程圖

4 耐壓測試系統(tǒng)分析

自動化測試儀器正向著高自動化，高效率，高可靠性，低成本方向發(fā)展，隨著人力成本的提升，自動化測試儀器逐漸取代人工，成為各種測試的主力軍。隨著電子行業(yè)的發(fā)展，PTCR元件的應用越來越廣泛，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，PTCR耐電壓測試對效率和可靠性的要求也越來越高。目前，實驗室和工廠中普遍使用的耐壓測試儀都存在效率低下、可靠性低、安全隱患等問題，因此迫切需要一套高效穩(wěn)定的PTCR耐電壓測試儀來解決上述問題。

4．1 測試效率分析

實驗室專用PTCR耐電壓測試儀有DY-3型和LH-B20型。DY-3型耐壓測試儀只有10個工位，高低電壓可調，沒有過流保護電路，主要應用在實驗室測試實驗用PTCR元件的耐壓特性。LH-B20型耐壓測試儀有30個工位，各路包含基本的過流保護電路，采用人工上料，測試效率低，不適合工廠中實際應用。

國內生產(chǎn)的鏈式傳動PTCR耐電壓測試儀，自動上料，采用彈簧片夾持樣品，自動化程度較高，但長期使用這種夾持方式，彈簧片容易松動，在測試過程中一旦出現(xiàn)松動，加低壓時漏檢后直接切換至高壓的情況，整條測試系統(tǒng)會因電流過大而保護停機，需要把在傳送帶上的樣品取出之后，重啟系統(tǒng)，重新開始測試，這種頻繁的保護停機極大地降低了測試效率。

工廠A目前使用的是42工位的耐壓測試儀，一名工人同時控制兩臺耐壓儀運行。在相同的測試要求下，即逐個加壓，加壓間隔為1 s，低壓持續(xù)時間1 min，高壓持續(xù)時間3 min，兩臺耐壓儀完成一輪測試最快需要282 s，測試84路樣品，平均每路樣品測試需花3．4 s.

文中設計的PTCR耐電壓自動測試系統(tǒng)最高可達256工位，完成一輪測試需要496 s，測試256路樣品，平均每路樣品測試僅需1．9 s，測試效率高。

4．2 可靠性分析

實驗室專用耐壓測試儀中：DY-3型耐壓測試儀沒有過流保護電路，LH-B20型耐壓測試儀僅包含基本的過流保護電路，對繼電器吸合瞬間的抗高頻干擾能力較弱，容易產(chǎn)生過流保護誤動作，上述兩種測試儀均由人工放置樣品于測試儀器探針之間，容易刮壞樣品電極，且存在很大的安全隱患。在開始測試后也無法直觀判斷樣品是否已加壓，存在漏檢情況。

工廠A使用的42工位耐壓測試儀，采用專用樣品模板上料，避免了上料過程中的安全隱患。用空氣開關作為過流保護，這種保護方式對過流反應較慢，在樣品擊穿后，不能及時斷開擊穿回路，長期使用會對設備造成永久性損壞，需要定期更換相應的測試夾具、探針。該測試儀同樣在測試后無法直觀判斷樣品是否已加壓以及樣品是否被擊穿，存在漏檢情況。

國內生產(chǎn)的鏈式傳動PTCR耐電壓測試儀，自動上料，采用彈簧片夾持樣品，彈簧片容易松動，和樣品之間的接觸面較大，散熱較快，不僅達不到耐壓測試要求，而且彈簧片松動，在加低壓時漏檢后直接切換至高壓，整條測試系統(tǒng)會因電流過大而保護停機，可靠性低。

文中設計的PTCR耐電壓自動測試系統(tǒng)根據(jù)不同樣品形狀，設計了專用樣品模板上料，配有專用的上下探針板客戶端向服務器發(fā)送請求，若有則接收該請求，將其放夾持樣品，不存在損壞樣品電極；采用過流過零模塊能實時監(jiān)測測試回路電流，開始測試后，通過觀察指示燈能直觀地判斷樣品是否已加壓，同時直觀地區(qū)分好壞樣品，不會出現(xiàn)漏檢情況；當樣品被擊穿發(fā)生過流時，過流監(jiān)測能及時做出反應，斷開被測回路；當過流過零模塊失效時，測試回路中設有保險絲，對電路有雙重過流保護作用，不會因為過流而保護停機，極大地提高了耐電壓測試儀的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結束語

該套耐電壓自動測試系統(tǒng)采用基于PC機和單片機主從多機通信的控制方式，對樣品順序逐一加壓或者少量樣品同時加壓的，避免了測試初期的大電流對電路的沖擊和對儀器的干擾；根據(jù)測試需要，探針板和樣品模板以及控制電路設計為48～256工位，能夠通用一套測試平臺，可擴展性強；配有上位機和過流過零指示燈，能直觀的顯示通電和過流情況，并記錄下測試結果，不會出現(xiàn)漏檢和系統(tǒng)停機等問題。實際使用表明，該系統(tǒng)測試方法合理，測試結果穩(wěn)定可靠，很好地滿足了不同生產(chǎn)廠家的需求。

[1] 周東祥，龔樹萍．PTC材料及應用．武漢：華中理工大學出版社，1989．

[2] 張志芹．PTC材料的特性及其應用．現(xiàn)代物理知識，2000，12(4)：27-29．

[3] 姜勝林，黎步銀，趙?。喙の籔TCR自動耐電壓測試儀．電子測量與儀器學報，2003，17(2)：26-30．

[4] 稻葉保．模擬技術應用技巧．北京：科學出版社，2006．

[5] 任伯峰，陳雷，劉百堅，等．電壓比較器在檢測系統(tǒng)中的應用.儀表技術，2010(10)：63-65．

High-efficiency Voltage-withstanding Automatic Test Systemfor PTCR Based on Multi-machine Communications

LI Bu-yin，GONG Dao-yuan，LUO Yuan-zheng，YU Si-yuan

(School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Due to its special electro-thermal properties, the PTC thermistor has a wide range of applications. A high-efficiency voltage-withstanding automatic test system based on multi-machine communications was designed to develop efficiency and reliability in the voltage-withstanding test process of PTC thermistors. This system was aimed to test the PTCR samples with 48-256 stations. Every channel contains an overcurrent protection circuit which can monitor loop current and response rapidly in case of overcurrent. The actual application shows that the test method is reasonable, the result is stable and reliable, and the test station can be extended. It has avoided missing samples and system shutdown by displaying and recording energized and overcurrent conditions. The system has high efficient and low-cost.

thermistor；MCU;voltage-withstanding test;high-efficiency;overcurrent protection;reliability

2014-01-05 收修改稿日期：2014-11-06

TN37；TP216

A

1002-1841(2015)01-0071-03