電子元器件遠(yuǎn)程檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

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(1.深圳振華富電子有限公司，廣東 深圳 518109；2.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

當(dāng)前電子元器件的檢測(cè)主要依靠固定測(cè)量設(shè)備，雖然傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在智能化方面已經(jīng)有很大的提升，但是面對(duì)電子元器件產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，元器件檢測(cè)復(fù)雜度提高，依舊存在檢測(cè)成本居高不下，效率偏低的問(wèn)題[1]。國(guó)際上以美國(guó)國(guó)家儀器(NI)為代表的測(cè)試儀器公司率先推出計(jì)算機(jī)虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量的方式[2]。FLUK公司推出了無(wú)線測(cè)試儀器，代表了電子測(cè)量設(shè)備信息化發(fā)展趨勢(shì)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，信息化檢測(cè)已成為當(dāng)今測(cè)試技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。

傳統(tǒng)的電子元器件檢測(cè)方法效率不高，自動(dòng)化程度低?；谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、云計(jì)算遠(yuǎn)程測(cè)量等技術(shù)能夠應(yīng)用在電子元器件檢測(cè)上，有效提高檢測(cè)自動(dòng)化水平和效率。通過(guò)對(duì)電子元器件檢測(cè)方法的信息化處理，能夠從根本上改變當(dāng)前對(duì)于電子元器件生產(chǎn)和測(cè)試過(guò)程中的檢測(cè)方法，有效提升傳統(tǒng)工業(yè)的信息化水平，使得企業(yè)生產(chǎn)效率顯著提高，為企業(yè)和國(guó)家?guī)?lái)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)測(cè)試方法采用各種測(cè)試儀器配合目測(cè)測(cè)量各種數(shù)據(jù)，測(cè)試中必需通過(guò)操作者將測(cè)試探頭連接到被測(cè)對(duì)象，通過(guò)目測(cè)獲得測(cè)試結(jié)果。這種方法需求勞動(dòng)力大、檢測(cè)效率低、可靠性差、數(shù)據(jù)真實(shí)性差、不能遠(yuǎn)程測(cè)量[6]。

針對(duì)電子元器件檢測(cè)中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有元器件自動(dòng)檢測(cè)、信息化處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳及存貯等特性的電子元器件遠(yuǎn)程檢測(cè)平臺(tái)，將電子元器件信息化自動(dòng)檢測(cè)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相結(jié)合，融合云計(jì)算模式。為傳統(tǒng)測(cè)量行業(yè)提供了一個(gè)可行的升級(jí)方案。

系統(tǒng)平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集適配器、測(cè)試應(yīng)用服務(wù)器及Web服務(wù)器3大部分組成。數(shù)據(jù)采集適配器設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于FPGA與Nios Ⅱ的電子元器件檢測(cè)系統(tǒng)，主要研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)檢測(cè)設(shè)備，支持遠(yuǎn)程檢測(cè)以及電子元件測(cè)試。其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象的分析和測(cè)試過(guò)程的控制，并根據(jù)測(cè)試服務(wù)器下達(dá)的測(cè)試業(yè)務(wù)和測(cè)試參數(shù)的要求，完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的自動(dòng)測(cè)試。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。主要針對(duì)二端口元器件，包括電阻、二極管、電容器和超級(jí)電容器等4種電子元器件，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)試并根據(jù)檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行硬件部分的功能設(shè)計(jì)。前端檢測(cè)適配器完成檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的上傳。服務(wù)器端將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)及處理，并結(jié)合Web端開(kāi)發(fā)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)元器件檢測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，并提供對(duì)應(yīng)的信息化服務(wù)。

圖1 遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

2 元器件檢測(cè)模型

系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)合主流電子元器件的檢測(cè)需求，針對(duì)二端口元器件的檢測(cè)參數(shù)內(nèi)容，構(gòu)建了元器件檢測(cè)模型。內(nèi)容上包括：電阻，主要檢測(cè)電阻值和電阻電壓系數(shù)；二極管檢測(cè)完成正向電壓、正向電流以及反向電流值的測(cè)定；電容器和超級(jí)電容器根據(jù)不同的檢測(cè)方法測(cè)量電容量、品質(zhì)因數(shù)、等效串聯(lián)電阻和損耗角正切值。檢測(cè)電子元器件的參數(shù)及測(cè)量方法，如表1所示。

表1 元器件檢測(cè)種類(lèi)及方式

以二極管檢測(cè)為例，當(dāng)二極管的啟動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，測(cè)試狀態(tài)機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，二極管的電壓測(cè)試范圍為200 mV～5 V，啟動(dòng)后直接輸出數(shù)字電壓源的電源指令。其工作流程如圖2所示。

圖2 二極管檢測(cè)流程

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如前所述，其中前端元器件檢測(cè)的核心是數(shù)據(jù)采集適配器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集適配器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 電阻測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

主要功能由3個(gè)小模塊構(gòu)成：根據(jù)啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字電壓源輸出電壓值的選擇模塊；串口打印指令模塊，因?yàn)閿?shù)字電壓源是通過(guò)UART串口進(jìn)行配置，其配置指令根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，一部分固定，另一部分根據(jù)電壓值的不同進(jìn)行更改，為了方便控制，將指令通過(guò)之前的選擇模塊，根據(jù)選擇模塊輸出的不同值，更改數(shù)字電壓源的配置指令；串口打印模塊，用于實(shí)現(xiàn)FPGA與數(shù)字電壓源的通信。

當(dāng)測(cè)試對(duì)象放入測(cè)試夾具后，適配器首先對(duì)測(cè)試對(duì)象的類(lèi)型進(jìn)行分析，判斷出被測(cè)對(duì)象的測(cè)試類(lèi)別，然后根據(jù)測(cè)試對(duì)象的物理測(cè)試模型和測(cè)試業(yè)務(wù)需求自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試控制進(jìn)程。采集所需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中，再由Nios Ⅱ處理器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)往測(cè)試服務(wù)器。

在檢測(cè)內(nèi)容上，由于檢測(cè)的元器件分為需要計(jì)算參數(shù)、無(wú)需計(jì)算參數(shù)直接傳輸數(shù)據(jù)2種類(lèi)型，所以根據(jù)判斷檢測(cè)器件種類(lèi)，進(jìn)行2種數(shù)據(jù)處理途徑，數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。邏輯部分將讀取完成的電壓值和電流值根據(jù)需要存儲(chǔ)的固定地址，存入RMA中，等待Nios Ⅱ進(jìn)行調(diào)用，能做到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正確，為了方便Nios Ⅱ用特定指令讀取數(shù)據(jù)，所以在存到RMA的時(shí)候，把數(shù)據(jù)位擴(kuò)充到了32位，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前，為了增加4路信號(hào)給Nios Ⅱ識(shí)別響應(yīng)，以及確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的正確性，增加了1個(gè)整合模塊，功能是控制RAM的地址、數(shù)據(jù)和使能的時(shí)序。

圖4 Nios Ⅱ數(shù)據(jù)處理

4 系統(tǒng)測(cè)試

以前端檢測(cè)適配器硬件為核心，結(jié)合后端設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)端應(yīng)用服務(wù)程序，搭建了測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)對(duì)原型系統(tǒng)的測(cè)試，運(yùn)用這種信息化檢測(cè)平臺(tái)，能夠?qū)z測(cè)的數(shù)據(jù)上傳云端，為此后的多種數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景做好準(zhǔn)備。

圖6 單日電阻測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

以電阻檢測(cè)為例，系統(tǒng)平臺(tái)在企業(yè)進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行6日之后，對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并對(duì)比結(jié)果，同時(shí)根據(jù)存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)，產(chǎn)生不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如圖5所示。圖6為測(cè)試中單日測(cè)試的數(shù)值詳情，虛線部分實(shí)際測(cè)量值，實(shí)線部分為電阻的理論標(biāo)稱(chēng)值。這樣，元器件生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)需要，調(diào)出相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電子元器件檢測(cè)設(shè)備投入高、檢測(cè)效率低、信息化程度不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有元器件自動(dòng)檢測(cè)、信息化處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳及存貯等功能的電子元器件遠(yuǎn)程檢測(cè)平臺(tái)，將電子元器件檢測(cè)的的自動(dòng)化、信息化相結(jié)合，融合云計(jì)算服務(wù)模式，為傳統(tǒng)行業(yè)的信息化水平的提升做出了一個(gè)可行方案，具有較好的借鑒作用。