基于Arduino 的輔助測試設(shè)備設(shè)計

吳朋

（同濟(jì)大學(xué)，上海，200092）

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

■1.1 輔助測試設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

輔助測試設(shè)備用于輔助靜態(tài)測試設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測試，可以適用于各種型號的靜態(tài)測試設(shè)備。圖1 為該設(shè)備的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖，控制回路由Arduino 主控板、驅(qū)動模塊、AC-DC 電源模塊、外部控制模塊、測試回路等組成。其中，主控板使用Arduino UNO 開發(fā)板，主控板對各種的外部控制信號進(jìn)行采集，并根據(jù)控制信號控制驅(qū)動模塊的工作，從而實現(xiàn)對測試回路的控制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

■1.2 輔助測試設(shè)備工作原理

輔助測試設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)采用手動壓接式的連接方式，將功率模塊放置在固定底座上，在接線盒的針孔板上內(nèi)嵌有彈簧探針，彈簧探針通過導(dǎo)線連接至驅(qū)動控制模塊。通過固定的機(jī)械行程方式實現(xiàn)功率模塊與輔助測試設(shè)備的可靠連接。通過更換針孔板的方式，可以實現(xiàn)對各種類型的功率模塊使用該設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)的輔助測試，其機(jī)械結(jié)構(gòu)外形示意圖如圖2 所示。輔助測試設(shè)備使用Arduino UNO 開發(fā)板為控制核心，可以通過外部的控制按鈕或PC 上位機(jī)來控制測試通道的切換。通過PC 上位機(jī)軟件控制時，在串口通信配置完成后，通過上位機(jī)軟件發(fā)送指令至Arduino UNO 開發(fā)板的串口上，Arduino 開發(fā)板在接收到指令后，執(zhí)行相應(yīng)的測試通道的連接或斷開。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)外形圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 Arduino UNO 開發(fā)板介紹

該輔助測試設(shè)備采用Arduino UNO 開發(fā)板作為主控制板，用于對外部控制信號或串口接收的信號進(jìn)行采集和處理，從而控制功率模塊的測試回路的切換連接與斷開。

Arduino 不僅是一種基于Atmel AVR 單片機(jī)的控制器，而且是一個開源系統(tǒng)，包含了硬件（Arduino 控制板）、軟件（Arduino IDE）以及開源社區(qū)[1]。Arduino 開發(fā)板圖如圖3 所示，本項目采用的Arduino 開發(fā)板的核心微處理器為ATmega328，該開發(fā)板具有14 路的數(shù)字輸入/輸出接口、復(fù)位接口和USB 轉(zhuǎn)串口的硬件電路，完全可以滿足輔助測試設(shè)備的軟硬件開發(fā)需求。

圖3 Arduino UNO 開發(fā)板圖

■2.2 驅(qū)動模塊硬件設(shè)計

由于功率模塊為Six-pack 的封裝結(jié)構(gòu)，因此在測試中，需要對功率模塊的6 個橋臂單獨(dú)進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測試。以IGBT 功率模塊的U 相上橋臂測試為例，圖4 為Six-pack封裝的IGBT 功率模塊示意圖，測試時需要將柵極G、發(fā)射極E、集電極C、功率端子電源正P 和功率端子電源負(fù)U連接至靜態(tài)測試的測試回路中。驅(qū)動模塊由三塊驅(qū)動電路板組成，每塊驅(qū)動板上具有12 個繼電器，使用12V 電源進(jìn)行供電，用于驅(qū)動功率模塊的任一橋臂的測試回路的連接與斷開。在對任一橋臂測試時，必須保證其他測試回路處于斷開狀態(tài)。

圖4 Six-pack 封裝的IGBT 功率模塊示意圖

■2.3 外部控制模塊和LED 顯示模塊

外部控制模塊由2 個常開按鈕和2 個開關(guān)組成，2 個常開按鈕分別用于實現(xiàn)復(fù)位和測試通道切換的本地控制，2 個開關(guān)分別用于控制設(shè)備電源的開關(guān)和遠(yuǎn)程/本地控制的切換。LED 顯示模塊由6 個LED 指示燈組成，用于指示當(dāng)前處于工作狀態(tài)的測試通道。外部控制模塊和LED 顯示模塊都安裝在輔助測試設(shè)備的控制盒的前面板和后面板上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 程序開發(fā)設(shè)計

Arduino 是開源的軟硬開發(fā)平臺，軟件編程相對來說比較容易上手，非常適合需要快速進(jìn)行測試設(shè)備系統(tǒng)的軟件功能的開發(fā)?？梢酝ㄟ^開發(fā)板上的USB轉(zhuǎn)串口硬件電路，實現(xiàn)程序的燒錄和串口通信的功能。

整個程序代碼主要包括五個部分，分別為全局參數(shù)申明及定義、輸入/輸出IO 端口和串行端口的setup 配置的初始化、main 主程序、本地控制按鍵輸入子程序、測試通道切換控制子程序。其中，全局參數(shù)申明及定義部分，用于定義一些后面程序中需要用到的全局變量，以及給這些變量賦予其初始值。輸入/輸出IO 端口和串行端口的正確的初始化設(shè)置，可以保證對IO 端口和串行端口的正確使用。IO 端口配置的初始化與上面提到的IO 端口的功能定義密切相關(guān)，只有先定義好IO端口的功能，才能對IO 端口進(jìn)行功能配置，其IO 端口定義表如表1 所示。

表1 輸入/輸出IO端口定義說明表

軟件流程圖如圖5 所示，軟件程序首先會進(jìn)行IO 端口和串口的初始化，初始化后所有的測試通道都處于斷開狀態(tài)。然后判斷當(dāng)前是本地控制還是遠(yuǎn)程控制，如果是本地控制模式，判斷是否是有效的按鍵輸入，根據(jù)按鍵的輸入次數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的測試通道的控制功能。當(dāng)按鍵次數(shù)大于6 時，按鍵總次數(shù)會清零，測試通道都會回到初始的斷開連接狀態(tài)，這樣可以為下一個模塊的測試做好準(zhǔn)備。當(dāng)處于遠(yuǎn)程控制模式時，先判斷串口是否有數(shù)據(jù)輸入，再判斷串口的數(shù)據(jù)是否是有效輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)是有效輸入數(shù)據(jù)時，控制相應(yīng)的測試通道工作，并向串口發(fā)送文本信息。

圖5 軟件程序流程框圖

■3.2 PC 上位機(jī)控制軟件設(shè)計

PC 上位機(jī)控制軟件使用LabVIEW 軟件編程實現(xiàn)，在進(jìn)行串口通信時，需要將Arduino 開發(fā)板的串行端口參數(shù)與上位機(jī)程序中的參數(shù)配置一致，這樣才能實現(xiàn)上位機(jī)軟件與Arduino 開發(fā)板進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。其中，將串行數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)置為9600bit/s，通過Read buffer 文本顯示框和LED 指示燈可以指示當(dāng)前處于工作狀態(tài)的測試通道。

只有測試設(shè)備處于遠(yuǎn)程控制模式，并設(shè)置好上位機(jī)的串行端口號，然后打開串行通信的控制按鈕后，才可以通過對應(yīng)的控制按鈕對測試通道進(jìn)行控制。最后在測試結(jié)束后，可以點(diǎn)擊EXIT 退出按鈕關(guān)閉串口通信并退出上位機(jī)程序的運(yùn)行，其上位機(jī)軟件控制界面如圖6 所示。

圖6 上位機(jī)軟件控制界面

4 測試驗證

在測試過程中，首先將從輔助測試設(shè)備引出的線纜連接至靜態(tài)測試設(shè)備的信號連接端口，并將Arduino 開發(fā)板的USB 線纜連接至PC 電腦的接口；再將功率模塊放置到固定底座上，然后使用壓接手柄向下移動至固定的行程位置，實現(xiàn)功率模塊與輔助測試設(shè)備的可靠連接，輔助測試設(shè)備實物圖如圖7 所示。

圖7 輔助測試設(shè)備實物圖

測試模式主要包括本地控制和遠(yuǎn)程控制，本地控制主要用于量產(chǎn)測試時使用，遠(yuǎn)程控制主要用于開發(fā)驗證時使用。

啟動靜態(tài)測試設(shè)備，并打開輔助測試設(shè)備的電源開關(guān)。首先驗證本地控制功能，將本地/遠(yuǎn)程控制開關(guān)置于本地控制模式下，按下一次Control 按鈕后，UT 的LED 指示燈會被點(diǎn)亮，并且可以聽到繼電器工作的聲音，表明當(dāng)前U 相上橋的測試通道已完成連接，測試準(zhǔn)備就緒，然后點(diǎn)擊靜態(tài)測試設(shè)備的靜態(tài)測試開始按鈕，在測試完成后可獲得所需的靜態(tài)測試參數(shù)。在U 相上橋的測試完成，再次按下Control 按鈕后，可以進(jìn)入下一個測試通道的連接狀態(tài)，其他的通道處于關(guān)閉狀態(tài)，且對應(yīng)的LED指示燈會被點(diǎn)亮。這樣連續(xù)按下6 次Control 控制按鈕后，可以完成一個功率模塊的6個橋臂的靜態(tài)參數(shù)的測試任務(wù)。

然后驗證一下遠(yuǎn)程控制功能，將本地/遠(yuǎn)程控制按鈕置于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)。打開PC 電腦上的上位機(jī)控制程序，在配置好串口參數(shù)并成功打開串口后，就可以點(diǎn)擊任意一個控制通道的按鈕實現(xiàn)對應(yīng)測試通道的連接、斷開控制。

通過對各個功能的實驗調(diào)試后，使用輔助測試設(shè)備不僅可以實現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程控制，而且使用該輔助設(shè)備測得的靜態(tài)參數(shù)與使用手動連接方式測定的靜態(tài)參數(shù)相比，其誤差值很小，完全可以滿足測試要求，因此在測試中可以快速地完成測試任務(wù)。

5 結(jié)語

本文基于Arduino 的軟硬件平臺設(shè)計了一種輔助測試設(shè)備，用于輔助靜態(tài)測試設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)的測試。使用該設(shè)備對大批量的功率模塊進(jìn)行了測試驗證，其功能完全可以滿足開發(fā)測試和量產(chǎn)測試的要求。該輔助測試設(shè)備在功率模塊的測試中大大地提高了測試效率，并且能夠很好地保護(hù)功率模塊上的Pin 針引腳和端子，降低了在測試連接過程中損壞的概率。在后續(xù)的輔助測試設(shè)備的改進(jìn)方面，可以將手動壓接的機(jī)械結(jié)構(gòu)改成電動控制的連接方式，這樣測試效率可以得到進(jìn)一步的提升。