一種基于單片機(jī)的測試系統(tǒng)設(shè)計

蔡建榮 邱忠文 吳兆希 趙茂霖

摘要：本文介紹了一種運(yùn)用STC單片機(jī)來控制繼電器陣列，從而實現(xiàn)對多個分立器件或含有多個重復(fù)單元的小型集成電路進(jìn)行測試的測試系統(tǒng)，文中闡述了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)建方法，并較為詳細(xì)的說明了器件的參數(shù)的測試原理和測試過程，對解決類似分立器件或集成電路的測試問題解決有較為實用的意義。

關(guān)鍵詞：STC單片機(jī);繼電器;測試系統(tǒng)

1 引言

隨著集成電路的品種越來越多，而且電路的集成度不斷增加，器件的引腳數(shù)也越來越多，以往測試該類器件時往往只能使用大型的綜合測試儀器進(jìn)行測試，開發(fā)成本較高，而且無法有效利用手中現(xiàn)有的眾多獨(dú)立的測試儀器。另外在對阻容感等分立器件進(jìn)行測試的時候，需要進(jìn)行多參數(shù)測試，而目前大多數(shù)獨(dú)立測試儀器僅僅只能對單一參數(shù)進(jìn)行測試，測試時往往需要多次更換測試儀器，且被測器件需要進(jìn)行多次裝夾，即讓測試效率變得低下，又可能對器件帶來二次損傷。

特別是對那些包含多個同功能的多單元多引腳的器件，重復(fù)測試單元較多，以及一些需要使用多臺獨(dú)立儀器進(jìn)行測試的電路時，我們希望有種系統(tǒng)，能將儀器像搭積木一樣，通過一個測試系統(tǒng)實現(xiàn)多儀器整合，一次裝夾全參數(shù)測試。為了解決這種多儀器測試或多引腳器件測試時的自動切換問題，提高測試效率，降低測試帶來的質(zhì)量風(fēng)險，我們開發(fā)一種基于單片機(jī)的繼電器控制系統(tǒng)，來進(jìn)行儀器之間、引腳之間的切換。通過選擇適合的單片機(jī)系統(tǒng)，編寫相應(yīng)的單片機(jī)控制程序，設(shè)計可以同時控制多路繼電器的繼電器陣列板，最終實現(xiàn)這類器件的自動切換功能。

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為了解決這類問題，我們進(jìn)行了基于單片機(jī)的繼電器陣列控制系統(tǒng)設(shè)計課題的研制，通過對該課題的總體方案規(guī)劃、線路設(shè)計、PCB板制作、系統(tǒng)組裝調(diào)試、技術(shù)問題攻關(guān)等手段，我們研制出了一套能很好解決該問題的繼電器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一套自制的編程操作控制系統(tǒng)軟件組成的上位機(jī)，一塊基于主控單片機(jī)STC8A8K64S4A12的單片機(jī)控制板組成的下位機(jī)，一塊由驅(qū)動器UPA1600GS驅(qū)動的繼電器控制轉(zhuǎn)接板，一塊包含32個繼電器的陣列板，以及在此系統(tǒng)上開發(fā)的多種型號的電路測試板組成。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計組成

總體框架圖如圖1所示。

3.1 上位機(jī)的軟件工作原理

上位機(jī)作為人機(jī)接口，包含用編程語言Visual BASC編寫測試接口界面，以及編寫的繼電器陣列的控制規(guī)則，編寫的各種測試過程函數(shù)和具體的測試程序。編寫的具體測試程序代碼中，包括對測試儀器的控制指令和各個繼電器的控制命令。當(dāng)測試按鈕按下時，上位機(jī)開始測試命令，軟件運(yùn)行被選擇的測試程序，執(zhí)行測試程序中設(shè)置的儀器動作順序、時序、信號產(chǎn)生和信號測量等代碼，并通過計算機(jī)的通訊協(xié)議控制USB接口，通過hub集線器控制多臺帶程控接口的測試儀器。

同時通過USB接口控制下位機(jī)來操控繼電器的動作，從而實現(xiàn)被測試器件的工作，以及各個參數(shù)的測量，測量后通過上位機(jī)軟件從測試儀器中讀取每個測試數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)和合格判據(jù)進(jìn)行比較，從而判定器件的合格性，隨后將所有的測試數(shù)據(jù)記錄在指定的數(shù)據(jù)庫中。這個整個過程構(gòu)成了測試系統(tǒng)的每次測量。上位機(jī)軟件工作流程圖如圖2所示。

3.2 下位機(jī)軟件工作原理是

本測試系統(tǒng)中的下位機(jī)，由一塊單片機(jī)控制板組成。我們根據(jù)單片機(jī)的原理和技術(shù)參數(shù)，選用了STC8系列單片機(jī)中的（ STC8A8K64S4A12），根據(jù)STC8A8K64S4A12單片機(jī)的引腳功能，繪制并制作了單片機(jī)控制主板和單片機(jī)控制的繼電器驅(qū)動PCB板，擬制單片機(jī)通訊協(xié)議，編寫下位機(jī)控制程序。采用單片機(jī)專用編譯軟件uVision編寫和調(diào)試好的單片機(jī)控制程序，通過STC-ISP燒錄軟件，將USB通訊線的一端連接到上位計算機(jī)的USB接口，并將USB通訊線的另一頭連接到下位機(jī)的Micro USB接口上，這樣計算機(jī)的上位機(jī)控制程序，可以將單片機(jī)工作程序和測試程序通過USB線傳送到下位機(jī)的單片機(jī)中，實現(xiàn)通訊控制，完成上位機(jī)和下位機(jī)的最終聯(lián)機(jī)調(diào)試。如圖3所示。

3.3 繼電器陣列板工作原理

本測試系統(tǒng)中的繼電器控制陣列板為含有32個繼電器的開關(guān)陣列PCB板。繼電器陣列板通過板上帶的96針航空插座連接到下位機(jī)的96針航空插座上，用來實現(xiàn)下位機(jī)對繼電器陣列板的連接控制。由于單片機(jī)的輸出控制接口是以位控制為單位，每8個位為一個字節(jié)單位，我們根據(jù)單片機(jī)的接口功能特點(diǎn)，擬制了繼電器控制網(wǎng)絡(luò)對照表和繼電器控制子函數(shù)，另外由于單片機(jī)的控制端口的驅(qū)動能力較小，而要保證繼電器的線圈有較穩(wěn)定的驅(qū)動，需增加功率放大部分進(jìn)行驅(qū)動，我們在每個驅(qū)動口的后端增加了高性能MOS驅(qū)動電路UPA1600GS，用來增加端口的驅(qū)動帶負(fù)載能力，這樣單片機(jī)就能驅(qū)動所有的繼電器。

3.4 器件測試板

本測試系統(tǒng)中的器件測試板，是根據(jù)器件的PDF或測試規(guī)范對需測試的參數(shù)的定義，依據(jù)本繼電器陣列測試系統(tǒng)，制作的帶有測試夾具以及儀器接口的PCB板。另外器件測試板上可以根據(jù)測試需要，制作安裝各種輔助測試電路或是專用的外部測試儀器和設(shè)備的接口。器件測試板通過板上自帶的96針的航空插座，連接到繼電器陣列板，實現(xiàn)被測器件引腳以及測試儀器與各個繼電器的連接。通過網(wǎng)絡(luò)端口或者GPIB接口，編寫儀器專用的控制命令，實現(xiàn)對儀器的程序控制，完成被測電路的測試。

4 測試系統(tǒng)工作原理

4.1 測試參數(shù)

對于每個具體的測試參數(shù)，需編寫相應(yīng)指令代碼，典型的測試代碼應(yīng)包含以下內(nèi)容：測試引腳定義、測試格式選取、器件電壓、測試時序、測試向量和其他測試系統(tǒng)資源，然后根據(jù)測試參數(shù)的順序，給被測試器件施加充分的激勵，器件工作后，從測試儀器上讀取測試數(shù)據(jù)，并用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，以達(dá)到器件參數(shù)的功能測試。

4.2 測試過程

該測試系統(tǒng)的使用方法如下：根據(jù)器的型號選擇測試板，并將被測試的器件放入測試板的夾具中，鎖緊測試夾具后將測試板插入繼電器陣列板中，繼電器陣列板通過96針航空插座連接下位機(jī)控制底板，下位機(jī)控制底板上有一個迷你USB接口，通過USB連線接到計算機(jī)的USB口，從而實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。打開計算機(jī)上的上位機(jī)測試軟件，點(diǎn)擊確定后進(jìn)入菜單選擇界面，找到需測試的具體測試程序，進(jìn)入程序，選擇需要測試的具體電路型號以及儀器。根據(jù)電路的需要，連接好外圍的各種儀器的測試線（如電源、示波器、信號源、數(shù)字表等），在子菜單界面中填寫測試電路的編號后點(diǎn)，擊測試按鈕，測試系統(tǒng)開始進(jìn)行電路具體參數(shù)的測試，測試完畢后測試系統(tǒng)顯示是否合格，隨后進(jìn)入下一次的測試準(zhǔn)備。集成電路測試連線圖如圖4所示。

4.3 測試關(guān)鍵技術(shù)解決方法

要本實現(xiàn)本測試系統(tǒng)的測試功能，首先需合理的選擇單片機(jī)，研究該單片機(jī)的驅(qū)動和控制指令，其次需合理的規(guī)劃上位機(jī)和下位機(jī)的通訊規(guī)則和協(xié)議，以及解決單片機(jī)接口的驅(qū)動能力不足的問題，控制線路、放大電路等功能實現(xiàn)，另外根據(jù)具體的電路繪制合理的測試線路，有效的解決電路之間相互干擾帶來的問題，解決可能出現(xiàn)的程序跑飛和死機(jī)等問題。最后需合理的優(yōu)化軟件代碼，提高各個測試程序的測試效率。

5 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)將單片機(jī)控制繼電器應(yīng)用于集成電路的測試中，目前我們通過對部分?jǐn)?shù)字電路和晶振、電阻電容電感器件等進(jìn)行了測試摸底驗證，測試效果良好，測試效率較大幅度的提高。后續(xù)可以依附本系統(tǒng)，對不同的測試電路，繪制相應(yīng)的測試板，編寫對應(yīng)的測試程序。通過本測試系統(tǒng)，較好的解決測試中多引腳電路、多參數(shù)測試、多儀器使用的自動切換測試問題，提高了測試效率。

參考文獻(xiàn)

[1]孫杰，張學(xué)軍，劉云等基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015 （4）：219-2 2 2.

[2]王梅紅，基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報，2 012 （2）：101-103.

[3]錢巨璽，張榮華，電工測量[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991.

作者簡介

蔡建榮（1973一），男，廣東省潮州市人。大學(xué)本科學(xué)歷，從事功率器件、模擬集成電路測試研究、開發(fā)工作。

邱忠文（1969），男，重慶市人。大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向為元器件測試及可靠性評價。

吳兆希（1989-），男，四川省西昌市人。碩士研究生學(xué)歷。研究方向為模擬集成電路測試開發(fā)技術(shù)與半導(dǎo)體器件可靠性研究。

趙茂霖（1985），男，四川省閬中市人。大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向為集成電路測試。