數(shù)據采集器電路板自動測試平臺的設計與應用

姜 曉，胡少英，曹 曲，景波云

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210003）

數(shù)據采集器電路板自動測試平臺的設計與應用

姜 曉，胡少英，曹 曲，景波云

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210003）

數(shù)據采集器電路板自動測試平臺利用夾具固定被測電路板，該文通過測試探針接觸需要檢測的信號通道，一次性將被測板件的功能和性能測試完畢，通過面板上的指示燈顯示測試結果和故障類型。該測試平臺操作簡單可靠，既降低了測試成本，又提高了測試效率，可有效地避免人為誤差，保證測試精度。

自動測試平臺；數(shù)據采集器電路板；工裝夾具；功耗測量；流程控制

在電子產品的生產過程中，為了保證電路板在裝入外殼后能夠正常工作，通常需要提前對電路板進行功能和性能的測試。在目前的生產工序中，通常需要調試檢驗人員，借助大量的調試設備如電壓源、電流源、示波器等進行測試。這種方式成本高、效率低、易產生人為誤差，隨著技術的發(fā)展和市場需求的增加，已經不能適應大批量生產的需求。因此流程化的自動測試技術成為亟待解決的問題。

水情數(shù)據采集器廣泛應用于水情測報系統(tǒng)中[1]，產量較大，之前的生產調試環(huán)節(jié)采用人工調試的方式，其調試檢驗效率已無法滿足需求。在此針對該電路板設計了一套自動測試平臺[2]。

數(shù)據采集器除了普通I/O接口之外，還擁有RS485，RS232，SDI-12等多種通訊接口。其自動測試設備，是包括夾具、機箱及集成在機箱內的整套測試系統(tǒng)。整個測試裝置利用夾具將被測電路板固定，通過測試探針接觸需要檢測的信號通道，一次性將被測板件的通訊接口、I/O接口、電源拉偏、板件功耗等項目測試完畢，最后通過面板上的指示燈顯示測試結果和故障類型。解決現(xiàn)有技術所需，利用自動測試裝置對數(shù)據采集器進行功能和性能的測試，無需外接萬用表、示波器等測量設備，由單片機控制測試流程，操作簡單可靠[3]。

1 設計方案概要

自動測試平臺的外觀設計如圖1所示。

圖1 自動測試平臺外觀示意Fig.1 Appearance sketch map of automatic test platform

圖1的上半部分為平臺的結果顯示區(qū)域。按照需測試的功能分為若干個故障指示燈，當對應功能測試不通過時點亮；測試功能全部通過時，點亮最后的OK燈。故障燈采用紅色，OK燈采用綠色，以示區(qū)分。在內部另設蜂鳴器，出現(xiàn)故障退出時，以聲音提示告警。圖1的下半部分為測試區(qū)域。該區(qū)域包括工裝夾具、串口通訊端口、總電源按鍵、船型開關。測試板和電源模件放置在平臺內部。

測試過程如下：①開始時，將外部串口連接PC機，打開總電源；②測試人員將被測電路板放置在夾具上，以四角的定位螺柱固定方向，按下壓板使測試探針接觸測試點；③將船型開關撥至OFF位置，此時為程序下載狀態(tài)，通過上位機下載測試程序至被測電路板；④下載完成，將船型開關撥至ON位置，此時為測試狀態(tài)，測試系統(tǒng)自動按順序執(zhí)行各個功能和性能的測試；⑤等待告警蜂鳴器響或OK燈點亮，測試結束。

2 工裝夾具

測試平臺的整體工裝部分如圖2所示。使用時，電路板四角的定位孔對準定位螺柱放入卡槽；扳動快速夾，使壓板下壓，通過壓針抵住電路板使其下降，下壓至針板，下部的測試探針與測試點相接觸，將信號引出。工裝夾具還包括軸承、彈簧、浮板、壓棒、立柱等部件。

圖2 工裝示意Fig.2 Sketch map of fixture

測試探針是用于電子測試中，測試電路板的一種測試連接電子元件。探針主要由3部分組裝而成：針管，為銅合金鍍金；彈簧，為琴鋼線和彈簧鋼鍍金；針頭，為工具鋼（SK）鍍鎳或鍍金。探針的外套管可以連焊接線。

夾具結構設計根據機械力學中的死點夾緊原理，當連桿與連架桿的兩鉸接點和其中一連架桿與機架的鉸接點，三點同在一直線時，機構處于死點位置，如圖3所示。這時，被壓緊的電路板，無論有多大的反力（除破壞性反力），也無法使機構變動。于是壓頭也就不會松開，此時彈簧針完全壓緊在測試點上，測試信號通過彈簧針輸入輸出到被測試板上，完成測試。

圖3 夾具原理示意Fig.3 Schematic of fixture

3 測試電路

測試電路選擇以STM32F103系列微控制器作為CPU，整體結構如圖4所示。

1）通訊接口測試。分別設置RS232接口、RS485接口、SDI12接口，與被測板連接，通過收、發(fā)數(shù)據測試端口功能是否正常。任意一個通訊端口功能正常，則可用于測試命令發(fā)送端口。

2）GPIO接口測試。配置單片機GPIO端口，部分用于接收被測板的開關量輸出信號，部分用于輸出高電平供被測板采集。同時，設計A/D采集電路，用于采集被測板模擬量信號，計算誤差。被測板信號的輸出和采集均通過功能正常的通訊端口發(fā)送命令控制[4]。

圖4 測試電路總體框圖Fig.4 Overall block diagram of test circuit

3）時鐘校準。配置單片機定時器，采集被測板時鐘頻率信號，根據結果進行校準，校準命令通過功能正常的通訊端口進行發(fā)送。

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4）電源切換。被測板電路由12 V直流供電，要求拉偏范圍為9～16 V。另外設計一路3.3 V供電，用于被測板電源回路短路測試。因此，定制可調電源，并由繼電器控制切換，提供3.3 V/9 V/12 V/16 V 4種供電電壓。電源切換原理如圖5所示，VDDS為被測板供電正極，4路供電切換由CPU的4個GPIO口控制。

圖5 電源切換原理Fig.5 Power switching schematic

5）短路及功耗測量。在被測板電源回路中串接電阻，采集電阻上的電壓判斷被測板電流消耗是否正常。與電源切換模塊配合使用。被測板為低功耗設備，需要保證休眠及喚醒時，功耗都保持在一定范圍內。測試時，通過功能正常的通訊端口發(fā)送休眠指令，測試休眠功耗，然后通過外部中斷喚醒，測試喚醒功耗。另外，還需進行3.3 V供電狀態(tài)下的短路測試，此時被測板應無法正常啟動，其阻抗非常大，判斷其電流應小于某個閾值。

由于被測板休眠時電流為微安級，而喚醒時達到100 mA，相差近1000倍。為了測量精度和A/D采集的匹配，設計2種不同阻值的串聯(lián)電阻，分別為0.1 Ω和100 Ω。其電路原理如圖6所示。

圖6 功耗測量原理Fig.6 Power measurement schematic

圖6中，RB為串接在被測板電源回路中的電阻，RB=100 Ω，在休眠狀態(tài)下，通過運放 AD623，將其電壓放大100倍后，進入A/D采樣。在喚醒狀態(tài)時，控制繼電器 K5，使 RA（RA=0.1 Ω）與 RB并聯(lián)，并聯(lián)后電阻接近0.1 Ω，再通過運放，同樣放大100倍后進入A/D采樣。通過這種方式，可以使A/D的采樣電壓在休眠和喚醒2種狀態(tài)下，均在一個近似的范圍內，很好地解決了范圍跨度較大的電流測量問題，同時也保證了采樣精度。

4 控制流程

整個測試平臺由單片機控制流程，獨立完成測試，并輸出結果。整體流程如7所示。

（1）測試開始首先進行短路判斷，繼電器切換至3.3 V供電，采集串聯(lián)電阻的電壓，判斷電流是否滿足要求。若超限則蜂鳴告警，并斷電退出；若合格則繼續(xù)。

（2）判斷船型開關狀態(tài)，若在OFF，則等待測試人員下載測試程序；若在ON則繼續(xù)。

圖7 測試流程Fig.7 Test flow chart

（3）連接被測板RS232端口，根據事先定義的通訊協(xié)議進行收發(fā)測試。若端口故障，則點亮對應功能故障燈，并繼續(xù)；若端口正常則繼續(xù)。

（4）連接被測板RS485端口，根據事先定義的通訊協(xié)議進行收發(fā)測試。若端口故障，則點亮對應功能故障燈，并繼續(xù)；若端口正常則繼續(xù)。

（6）分別切換9 V/12 V/16 V電源供電，并在每種電平下發(fā)送休眠指令，使被測板進入休眠狀態(tài)并采集功耗，然后使能外部中斷，喚醒被測板并采集功耗。有任一情況下功耗超限，則點亮對應功能故障燈，并斷電退出；在各個情況下的功耗均滿足要求，即視為功能正常，繼續(xù)。

（7）通過功能正常的通訊端口，向被測板發(fā)送開關量輸出指令，并采集對應端口電平是否滿足要求。然后，向被測板開入端口輸出高電平，并命令被測板進行采集，通過通訊協(xié)議告知測試平臺是否采集成功。若出現(xiàn)故障，則點亮對應功能故障燈，并繼續(xù)；若正常則繼續(xù)。

（8）通過功能正常的通訊端口，向被測板發(fā)送模擬量輸出指令，并通過A/D采樣電路采集對應端口是否滿足要求。若出現(xiàn)故障，則點亮對應功能故障燈，并繼續(xù)；若正常則繼續(xù)。

（9）通過定時器采集被測板時鐘頻率，根據固定時間段內累計的上升沿數(shù)量，計算時鐘頻率的偏差值，通過功能正常的通訊端口，向被測板發(fā)送校準參數(shù)，由被測板進行軟件校準。操作完成后繼續(xù)。

（10）全部功能和性能測試完畢，判斷是否有故障燈被點亮，若有則蜂鳴報警并斷電退出；若全部正常，則點亮OK燈并斷電退出。

5 結語

設計了一種數(shù)據采集器電路板的自動測試平臺。使用該測試平臺進行電路板的功能和性能測試，整個測試流程由單片機控制獨立完成，杜絕人工干預，避免了人為誤差；無需外接測量儀器儀表，大大降低了測試成本。完成1個電路板的測試，由原來人工的10 min以上縮短至1 min，顯著地提高了生產效率，也極大地減少了測試人員的工作量。使用工裝夾具進行被測板的固定，并通過測試探針接觸測試點的方式，去除了原來人工測試時被測板的機械磨損，提升了生產測試環(huán)節(jié)的安全性，也提高了信號連接的可靠性。

[1] 曹年紅.ACS系列微功耗數(shù)據采集器設計[C]//全面建設小康社會：中國科技工作者的歷史責任——中國科協(xié)2003年學術年會論文集（上）.北京：中國科學技術協(xié)會，2003.

[2] 叢書全，蔣志華，陳劍濤.基于計算機控制的無人機裝備自動檢測設備設計與應用[J].宇航計測技術，2014，34（3）：19-21.

[3] 溫東旭，楊輝，王旭寧.電力保護裝置保障性自動測試方案研究與實踐[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（10）：23-25.

[4] 于勁松，李行善.下一代自動測試系統(tǒng)體系結構與關鍵技術[J].計算機測量與控制，2005，13（1）：42-44.

Design and Application of Automatic Test Platform for Data Acquisition Circuit Board

JIANG Xiao，HU Shao-ying，CAO Qu，JING Bo-yun

（Nari Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

Automatic test platform fixs the circuit board with the fixture，the test probe contact signal channel that need to be detected.Automatic test platform test the function and performance of the tested panel at one time，display the test result and the fault type through the indicator light on the panel.The test platform is simple and reliable，which can not only reduce the test cost，but also improve the testing efficiency.It can effectively avoid human error and guarantee test accuracy.

automatic test platform；data acquisition circuit board；fixture；power measurement；flow control

TP311

B

1001-9944（2017）08-0021-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.006

2017-02-24；

2017-05-31

姜曉（1983—），男，碩士，工程師，研究方向為水電站二次設備研發(fā)；胡少英（1979—），女，碩士，高級工程師，研究方向為水電廠自動化；曹曲（1988—），女，碩士，助理工程師，研究方向為水電廠自動化；景波云（1982—），男，碩士，工程師，研究方向為自動檢測技術。