基于遍歷原則電能計量設(shè)備測試技術(shù)研究

趙雪松 謝倩嫻 尹仕紅 侯 婧 張日取 石金保

（1.深圳供電局有限公司計量管理所，廣東 深圳 430223；2.華立科技股份有限公司，浙江 杭州 310023）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，智能計量設(shè)備在運行過程中的各類質(zhì)量問題逐漸顯現(xiàn)，故障率較高對能源計量及貿(mào)易結(jié)算造成了一定的不良影響[1]。全國各智能計量設(shè)備廠家在電能計量設(shè)備的質(zhì)控方面開展了一些研究工作，包括整機性能測試、可靠性試驗及對標(biāo)測試等，相關(guān)研究包括以下3個方面：1） 從環(huán)境剖面和任務(wù)剖面入手，提出了可靠性評價建議方案。2） 開展了基于元器件應(yīng)力法的可靠性預(yù)計與基于加速壽命試驗和加速退化試驗相結(jié)合的可靠性試驗。3） 提出了設(shè)計智能電能表電應(yīng)力可靠性試驗平臺，實現(xiàn)基于宿主的嵌入式軟件覆蓋測試系統(tǒng)。

目前行業(yè)內(nèi)暫時沒有以產(chǎn)品硬件測試技術(shù)為對象的研究和總結(jié)，該文嘗試對智能電能表在硬件設(shè)計過程中存在的易忽視和失效的問題進行具體分析，結(jié)合可靠性領(lǐng)域、行業(yè)內(nèi)先進研發(fā)流程和已有的物聯(lián)網(wǎng)配電系統(tǒng)檢測、測試等技術(shù)為智能電能表的測試提供參考。

1 硬件測試概述

該文以目前現(xiàn)場運行的智能電能表硬件測試為例，介紹智能電能表通用硬件測試概念和測試流程，同時結(jié)合智能電能表的特性和設(shè)計要求等進行探討[2]。

1.1 硬件測試概念

硬件測試是為了發(fā)現(xiàn)問題而執(zhí)行操作的過程，其最終目的是為了證明設(shè)計環(huán)節(jié)是否存在問題且盡可能找出設(shè)計的錯誤或缺陷，并通過技術(shù)手段消除錯誤與缺陷，達到提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的目的。硬件測試分類較多，可將測試方法分為黑盒測試和白盒測試[3-4]。

1.2 硬件黑盒測試

硬件黑盒測試是將產(chǎn)品當(dāng)成一個黑盒子，對其施加各種應(yīng)力，驗證產(chǎn)品的應(yīng)力耐受度，同時，在應(yīng)力條件下暴露一些產(chǎn)品設(shè)計的隱患或缺陷。

常見的黑盒測試內(nèi)容有機械性能試驗、電磁兼容試驗、氣候影響試驗、電氣性能試驗、安規(guī)性能試驗、防護試驗和可靠性試驗；包括靜電、浪涌、高溫、低溫、溫度循環(huán)、沖擊、濕度、振動及振動組合、跌落、輻射、粉塵、腐蝕、霉菌、阻燃、紫外線、鐵屑、軟壓、靜壓、機械沖擊、折彎、摩擦和老化等多項試驗。

從上述測試項目可知，硬件黑盒測試對暴露智能電能表存在的隱患具有一定作用，但由于電表各種失效模式對各種應(yīng)力的響應(yīng)各不相同，而黑盒測試所施加的應(yīng)力種類有限，同時黑盒測試為抽樣測試，因此無法消除因批次間差異而造成的影響，通過目前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，黑盒測試暴露產(chǎn)品隱患或缺陷的效率有限且投入巨大。

1.3 硬件白盒測試

硬件白盒測試是將產(chǎn)品打開，測試產(chǎn)品內(nèi)部每條線、每個電源、每個接口以及每個時序余量，除了觀察波形外，還對每個波形的各項指標(biāo)進行測量，驗證波形參數(shù)是否滿足預(yù)期設(shè)計。

對于產(chǎn)品開展硬件白盒測試的復(fù)雜度來說，硬件白盒測試一般分為信號級（PI、SI）、器件級（應(yīng)力、多電源）、電路級（電源、復(fù)位和接口）、單板級（熱測試、故障注入/容錯性測試和條件突變）以及系統(tǒng)級（超規(guī)格）等5個層級，每上升一層級，測試復(fù)雜度及應(yīng)力交叉呈幾何級數(shù)提高，對測試人員的專業(yè)知識能力有較高的要求。

1.4 硬件測試方法的優(yōu)缺點對比

硬件測試方法根據(jù)產(chǎn)品的階段、適用范圍及對測試人員要求的不同，硬件黑盒測試和硬件白盒測試方法的適用范圍及優(yōu)缺點對比見表1[5]。

表1 硬件測試方法的優(yōu)缺點對比

從表1可知，硬件白盒測試是把產(chǎn)品打開，切實地測試產(chǎn)品的每條電路、每個電源以及接口的信號和時序，除了常規(guī)的波形之外，對波形/時序的各項指標(biāo)進行測試，分析波形是否滿足設(shè)計預(yù)期，并通過設(shè)置余量（降額），保證在抽樣測試時消除因批次間差異而造成的影響，保證長期大量生產(chǎn)的穩(wěn)定性；同時，對智能電能表的可靠性進行分配，以減少該方法的主觀程度。

1.5 目前行業(yè)內(nèi)硬件白盒開展情況

隨著智能電能表的日益發(fā)展和智能電網(wǎng)對產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量及可靠性的要求不斷提升，目前已有部分國際知名企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)部門出現(xiàn)測試人員多于開發(fā)人員的現(xiàn)象，各生產(chǎn)廠家也越來越重視對硬件的測試，近年來，在產(chǎn)品加工階段對硬件測試工作的投入也逐步加大，但仍處于發(fā)展階段，硬件白盒的測試流程、測試環(huán)境及測試標(biāo)準(zhǔn)所存在的問題還未得到整體解決。同時由于硬件測試人員需要對產(chǎn)品物料選型、原理設(shè)計、PCB布局、環(huán)境適配性以及功能適宜性等設(shè)計過程進行全局把控，因此硬件白盒測試對測試人員的技術(shù)能力水平有較高的要求，行業(yè)內(nèi)資深的硬件測試人員較少，主要為硬件研發(fā)人員自行調(diào)試、測試，未進行系統(tǒng)、規(guī)范地測試[6]。

2 基于遍歷原則的硬件白盒測試方法

遍歷原則是根據(jù)一定規(guī)律，不反復(fù)地訪問樹中的每個節(jié)點，其遍歷過程實質(zhì)上是將樹這樣的非線性結(jié)構(gòu)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)為線性結(jié)構(gòu)。通過構(gòu)建智能電能表硬件白盒測試樹（測試項目），基于遍歷原則開展硬件白盒測試，可盡早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的隱患及缺陷。

2.1 基于FTA構(gòu)建智能電能表的硬件白盒測試樹

2.1.1 硬件白盒測試樹

參考目前行業(yè)內(nèi)其他產(chǎn)品，對智能電能表進行分析，基于FTA構(gòu)建硬件白盒測試樹，如圖1所示。

2.1.2 智能電能表硬件測試樹

智能電能表硬件設(shè)計一般為單板設(shè)計，按功能一般劃分為電源板、控制板（功能板）以及卡口板等3個單板。電源板為主電源、輔助電源、超級電容供電電源以及電池供電電源等?？刂瓢澹üδ馨澹└鶕?jù)功能分為控制、計量、顯示、通信、存儲、負(fù)控、按鍵、檢測（磁檢測、電壓檢測等）、按鍵、報警以及多功能輸出等單元電路設(shè)計?？诎逡话銥镮C口電路設(shè)計，主要用于滿足預(yù)付費等功能需求。硬件白盒測試還要進行相應(yīng)的熱測試，熱敏感器件包括熱敏、電解電容、電池、MCU、存儲器以及晶振等。發(fā)熱器件包括穩(wěn)壓器、錳銅以及互感器等。

2.2 遍歷原則的智能電能表硬件測試樹

圖1給出了一般硬件白盒測試需要遍歷的測試樹，使用后根次序遍歷樹路徑如下。

圖1 智能電能表硬件白盒測試樹

S1S3S21S22S2S5S6SBWM1M2M3MTDPC1C2C3C4C5CELIK1K2K H1H2HZ

通過上述遍歷路徑對智能電能表硬件進行全遍歷測試，確保智能電能表的所有硬件全部被測試，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的缺陷或隱患，以盡早對設(shè)計進行完善。

3 硬件白盒測試

智能電能表包括電源、計量采樣、顯示、通信、存儲、負(fù)控、按鍵、磁檢測以及報警等多個單元，各單元的復(fù)雜程度不同，且部分元器件的性能缺乏一致性，因此通過有經(jīng)驗的測試人員對各單元電路進行遍歷測試、評價是保證硬件設(shè)計質(zhì)量的有效方法。

基于產(chǎn)品實際及測試結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計，智能電能表硬件白盒測試出來的設(shè)計隱患或缺陷一般分布于信號質(zhì)量、電源質(zhì)量及信號時序，為驗證測試結(jié)果和設(shè)計更改驗證，硬件白盒測試主要測試項目為信號質(zhì)量測試、電源質(zhì)量測試、時序測試以及單元電路測試。

3.1 信號質(zhì)量測試

信號是表示消息的物理量、運載消息的工具以及消息的載體。其中，電信號可以通過幅度、頻率以及相位的變化來表示不同的消息。其中某一因素的變化就會導(dǎo)致消息失真。

3.1.1 信號分類

對信號進行分類的方法很多，信號按數(shù)學(xué)關(guān)系、取值特征、能量功率、處理分析、所具有的時間函數(shù)特性以及取值是否為實數(shù)等進行分類，可以分為確定性信號和非確定性信號（又稱隨機信號）、連續(xù)信號和離散信號（即模擬信號和數(shù)字信號）、能量信號和功率信號、時域信號和頻域信號、時限信號和頻限信號以及實信號和復(fù)信號等，該文所描述的信號一般為數(shù)字信號與模擬信號，如圖2所示。

圖2 信號分類

在智能電表的設(shè)計中，數(shù)字信號多為時鐘、總線及差分等各類信號，而模擬信號一般為RS 485通信信號。

3.1.2 單端數(shù)字信號測試指標(biāo)

智能電能表的大部分信號為單端信號，其信號質(zhì)量的高低將決定智能電能表運行的穩(wěn)定性。對各信號進行梳理歸納，得到的單端數(shù)字信號指標(biāo)如圖3所示。

一般智能電能表的信號均為單端信號，根據(jù)圖3可知，單端信號一般有幅值、時間以及邊沿等3個相關(guān)參數(shù)，由于產(chǎn)品所使用的不同型號規(guī)格器件具有差異性，因此信號質(zhì)量指標(biāo)為一個范圍，不應(yīng)該為一個固定值。

圖3 單端數(shù)字信號參數(shù)

3.1.3 信號質(zhì)量測試示例

該文以某型號智能電能表的某型號計量芯片的RST信號為例。在Ua1（芯片）復(fù)位信號RST質(zhì)量測試中，上電時RST有2.52 V、10 ms的脈沖，下電有0.88 V回溝，如圖4所示。

圖4 計量芯片RST信號質(zhì)量測試結(jié)果

3.1.3.1 問題分析

信號質(zhì)量問題較為嚴(yán)重，智能電能表上電時復(fù)位處于不定態(tài)，可能會使計量芯片產(chǎn)生不必要的計費信號。

3.1.3.2 建議

參考電路設(shè)計，建議適當(dāng)加大電容值或者將光耦的上拉電阻改為下拉電阻。

3.2 電源質(zhì)量測試

智能電能表的電源設(shè)計一般為線性電源和開關(guān)電源，目前現(xiàn)場運行的智能電能表的電源絕大多數(shù)為線性電源，其對AC線路整流，生成DC，然后進行濾波穩(wěn)壓，為后面各使用端供電。該文所描述的電源為各器件的電源，包括線性電源。

3.2.1 電源質(zhì)量測試指標(biāo)

電源質(zhì)量指標(biāo)包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)2個部分，如圖5所示，其影響因素為負(fù)載及輸入電壓是否穩(wěn)定。

圖5 電源質(zhì)量指標(biāo)

3.2.2 電源質(zhì)量測試示例

以信號質(zhì)量測試示例中的某型號智能電能表為例，對住控制芯片的電源質(zhì)量進行測試。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，MCU（主控制器）上電時的電壓曲線應(yīng)為線性上升，但測試某款智能電表MCU上電時的電壓曲線如圖6所示。

圖6 電源質(zhì)量測試結(jié)果

3.2.2.1 問題分析

MCU電源存在臺階，造成該現(xiàn)象的原因如下：1） 可能因為電源設(shè)計的容量不足，在施加重負(fù)載時拉低了電壓。2）MCU內(nèi)部負(fù)載開啟較快，將電源鉗位，此時主芯片可能處于臨界狀態(tài)，數(shù)據(jù)可能丟失。

3.2.2.2 建議

應(yīng)該調(diào)整電源芯片的緩啟功能，改善上電波形，穩(wěn)定MCU芯片的電源。

3.3 時序測試

因為產(chǎn)品在上下電過程中需要進行一系列的數(shù)據(jù)保存/備份等操作，所以必須在適當(dāng)?shù)臅r間進行適當(dāng)操作，如果操作時序出現(xiàn)邏輯錯誤，那么智能電能表的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)紊亂或死機。

3.3.1 時序測試電路對象

時序測試電路對象如圖7所示，時序測試對各種接口操作展開測試。

圖7 時序測試電路對象

信號時序測試主要用于測試器件輸入時序，例如串口、Flash接口、xRAM以及EEROM接口等IIC、SPI信號數(shù)據(jù)建立及保持的時間。該測試主要參考器件手冊AC時序參數(shù)，選擇測試時序所需要的信號，測量信號間的時間關(guān)系，判斷是否滿足器件手冊要求。

3.3.2 時序測試示例

以信號質(zhì)量測試示例中的某型號智能電能表為例，對其進行時序測試，在+5.7 V電源上/下電時間測試中，上電下電都有多個回溝，如圖8所示。

圖8 時序測試結(jié)果

問題分析：上電時，不斷地“打嗝”，可能會造成誤操作，需要結(jié)合MCU的復(fù)位信號對其進行分析；下電時，MCU不斷切換開關(guān)狀態(tài)，也可能會造成誤操作。

建議：調(diào)整電源檢測信號，應(yīng)該關(guān)閉MCU，電表進入低功耗狀態(tài)，如果MCU不能進入低功耗狀態(tài)，那么需要對外部設(shè)計電路進行改進，調(diào)整電源芯片的緩啟功能 ，改善上電波形。

3.4 單元電路測試

根據(jù)產(chǎn)品的功能及硬件電路的歸類，可將單元電路分為上述智能電能表，例如電源、計量、顯示、存儲以及通信等共20多個單元電路，各單元電路的指標(biāo)與要求均不盡相同，需要各單元相互配合以構(gòu)成整機的性能、功能，從而滿足設(shè)計要求。

3.4.1 單元電路測試內(nèi)容

單元電路測試內(nèi)容如圖9所示。

圖9 單元電路測試內(nèi)容

一般根據(jù)硬件測試要求，單元電路測試主要從電路和方法維度2個維度開展相關(guān)測試工作，從電路維度開展的測試項目有電源電路、復(fù)位電路、IGBT電路以及接口電路等，而從測試方法維度開展的測試項目有故障注入、條件突變、溫升測試以及最惡劣情況等。測試時根據(jù)實際情況，可能將2種維度結(jié)合，以達到實際測試的效果。

3.4.2 單元電路測試示例

以信號質(zhì)量測試示例中的某型號智能電能表為例，對其液晶顯示單元進行測試。

液晶顯示驅(qū)動信號測試如圖10所示，按器件規(guī)格書及設(shè)計要求，液晶顯示驅(qū)動信號順滑無毛刺，實際測得信號有毛刺，不滿足要求。

圖10 液晶顯示驅(qū)動信號測試結(jié)果

問題分析：液晶顯示驅(qū)動信號不滿足要求，在現(xiàn)場運行中存在液晶抖動或不顯示的風(fēng)險，還存在液晶黑屏的風(fēng)險。

建議：重新對液晶進行選型或調(diào)整液晶驅(qū)動去偶電容量及匹配電阻，優(yōu)化液晶驅(qū)動電路的信號質(zhì)量，使液晶驅(qū)動信號質(zhì)量滿足要求。

3.5 測試結(jié)論

由上述測試結(jié)果可知，該型號智能電能表通過硬件白盒測試發(fā)現(xiàn)存在較多設(shè)計問題，其電源、信號、時序及單元電路均存在隱患，性能、功能層面均存在較高風(fēng)險，例如計量不正常、死機和不能正常拉合閘等異常，如果不對相應(yīng)的設(shè)計進行更改，那么其實際運行過程中將出現(xiàn)很多隱患。

4 結(jié)語

該文提出了一種基于遍歷原則的智能電能表硬件綜合測試方法，闡述了如何盡早發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計過程中可能存在的各類缺陷，同時提供了一種智能電能表硬件評估方法和指標(biāo)，為智能電能表的設(shè)計階段隱藏故障提供測試參考。

示例結(jié)果表明基于遍歷原則的硬件白盒測試方法能夠客觀完整地反應(yīng)智能電能表設(shè)計質(zhì)量所存在的缺陷，并提出相應(yīng)的設(shè)計更改建議，提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。