淺談虛擬儀器在片式鉭電容器漏流測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧俊濤，郭鵬，蒙勇，胡鵬

（中國振華（集團(tuán)）新云電子元器件有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550018）

片式鉭電容器是電子設(shè)備中的基礎(chǔ)元件，具有體積小、電容量大、性能穩(wěn)定、頻率特性好、溫度特性好、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、移動(dòng)通訊、船舶等高端技術(shù)領(lǐng)域以及手機(jī)、筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備等民用高性能電子整機(jī)設(shè)備。

片式鉭電容器在生產(chǎn)過程中和交給用戶使用前至少要經(jīng)過3 次基本電性能參數(shù)測試，然而，由于電容器漏電流測試復(fù)雜、耗時(shí)長等特點(diǎn)，采用手動(dòng)的方法進(jìn)行測試存在效率和準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)，因此，本文設(shè)計(jì)出一種基于虛擬儀器LabWindows/CVI 的片式鉭電容器漏電流自動(dòng)測試系統(tǒng)。

LabWindows/CVI 是NI 公司提供給用戶的虛擬儀器軟件之一，它是儀表控制、自動(dòng)測試的一個(gè)開發(fā)平臺，可在其交互式開發(fā)環(huán)境中編寫C 語言程序。利用其提供的庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)、編輯、編譯、鏈接和C 語言程序調(diào)式。開發(fā)效率高，大大縮短了軟件開發(fā)周期；此外，通過LabWindows / CVI 強(qiáng)大的外部程序接口功能，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL 的調(diào)用和數(shù)據(jù)庫增、刪、改、查的操作。

1 虛擬儀器特點(diǎn)

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺，有效應(yīng)用于科研、航空、航天、開發(fā)、測量、檢測、計(jì)量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，是不錯(cuò)的應(yīng)用程序開發(fā)工具；尤其是在測控方面的工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)上具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的測量儀器相比，虛擬儀器主要有以下特點(diǎn)：

（1）可以根據(jù)用戶不同的需求，通過軟件來實(shí)現(xiàn)多種測量，不像傳統(tǒng)的儀器那樣受到儀器生產(chǎn)廠家的限制。

（2）可以通過軟件自動(dòng)配置相應(yīng)的儀表設(shè)置，不需要人工在儀表上手動(dòng)設(shè)置。

（3）擴(kuò)展性強(qiáng)。軟件開發(fā)工程師根據(jù)虛擬儀器的靈活性，隨時(shí)可以優(yōu)化升級整個(gè)控制系統(tǒng)。

（4）有良好的人機(jī)界面。測量結(jié)果可以通過軟件在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示，可根據(jù)自己的愛好，通過編寫軟件來定義上位機(jī)界面。

（5）可以運(yùn)用通用的計(jì)算機(jī)編程語言和軟件，如C++、C#、F#、LabWindows/CVI 等優(yōu)化軟件，使虛擬儀器技術(shù)更符合測控的特殊需求。

（6）可以和其他設(shè)備互連。比如，與現(xiàn)場總線連接、連接網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控。

2 測試系統(tǒng)功能及其結(jié)構(gòu)

2.1 測試系統(tǒng)主要功能

該測試系統(tǒng)主要用于片式鉭電容器的充放電試驗(yàn)、電容器漏電流參數(shù)測試。采用虛擬儀器開發(fā)設(shè)計(jì)漏電流測試系統(tǒng)，主要功能有：基于GPIB 總線通信及解析、軟件界面充放電狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲、報(bào)警提示及記錄，數(shù)據(jù)波形顯示、報(bào)表生成、Excel 電子表格數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，數(shù)據(jù)的存儲和導(dǎo)出以便后期分析評估。圖1 測試系統(tǒng)的配置。

圖1 基于 KE6485 的鉭電容器生產(chǎn)測試系統(tǒng)硬件配置圖

2.2 測試方法介紹

測量鉭電容器漏電流的方法是向被測的電容器施加一個(gè)固定的電壓，再測試所產(chǎn)生的電流。在測試過程中，不論額定電壓高低，均應(yīng)串入1000Ω 的保護(hù)電阻。漏電流隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，因此，器件上施加的固定電壓要達(dá)到一定的時(shí)間t（充電時(shí)間）才能讀數(shù)。圖2 是鉭電容器漏電流測試的一般電路。

圖2 是鉭電容器漏電流測試的一般電路

2.3 測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)采用中央處理模塊集中控制，中央處理模塊與漏電流檢測單元之間通過GPIB 總線進(jìn)行通信，鉭電容漏電流測試系統(tǒng)可以進(jìn)行多通道自動(dòng)測試，最大可測試30 個(gè)通道。方案如圖3 所示，中央處理模塊硬件由計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)擴(kuò)展板卡組成，計(jì)算機(jī)擴(kuò)展板卡包括IEEE-488 總線通訊卡，完成計(jì)算機(jī)與吉時(shí)利儀器6485 的控制、數(shù)據(jù)傳輸和解析，板卡選用INES 公司的GPIB-PCI-XL 和研華PCL-728。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

2.4 GPIB 總線

GPIB(General-Purpose Interface Bus)-通用接口總線，目前已成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)，遵循IEEE488 協(xié)議。編程語言如C++、C#等可以用其實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對儀器儀表的控制。實(shí)現(xiàn)這種控制需要被控儀器擁有GPIB 接口，計(jì)算機(jī)安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，通過GPIB 線進(jìn)行連接。以串口控制相比，GPIB 提高了傳輸速率和增加了同時(shí)支持的設(shè)備數(shù)量。

2.5 數(shù)據(jù)采集卡PCL-728

數(shù)據(jù)采集卡PCL-728 是一款具有2 路雙緩沖12 位模擬量輸出通道的半長卡。卡的光隔離器能夠提供500V 的隔離，可以有效避免板卡及PC 被輸出線上的危險(xiǎn)電壓損壞。數(shù)據(jù)采集卡是通過計(jì)算機(jī)的I/O 口來控制的，每個(gè)I/O 口各自都有一個(gè)獨(dú)立的I/O 存儲空間以免相互之間發(fā)生地址沖突，圖4 給出了它的I/O 地址選擇，地址的選擇可通過面板上的八位DIP 開關(guān)SW1 進(jìn)行設(shè)定。PCL-728的有效地址范圍是200～3f8（16 進(jìn)制），初始默認(rèn)地址為2cf，可以根據(jù)系統(tǒng)的資源占用情況分配正確的地址。

圖4 PCL -728 I/O 地址

A3～A9 與計(jì)算機(jī)的地址線相對應(yīng)，“*”表示默認(rèn)設(shè)置。

采用數(shù)據(jù)采集卡 PCL-728 控制片式鉭電容器充電試驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)程控直流穩(wěn)壓電源的精準(zhǔn)控制, 使用 DRV_AOVoltageOut 函數(shù)進(jìn)行電壓輸出， DRV_AOVoltageOut 函數(shù)將收到的浮點(diǎn)電壓值轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)寫到模擬量輸出通道實(shí)現(xiàn)電壓的輸出。通過調(diào)用 DRV_AOConfig 函數(shù)實(shí)現(xiàn)電壓范圍的設(shè)置。

為了能夠精準(zhǔn)控制并防止損壞應(yīng)用系統(tǒng)，信號連接非常重要，本系統(tǒng)連接如圖5 所示。

圖5 PCL-728 信號連接圖

3 鉭電容器漏電流測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的軟件從下到上可分為儀器驅(qū)動(dòng)、測控程序和系統(tǒng)管理3 層。選用 Windows 7 操作系統(tǒng)作為測試系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行平臺，通過計(jì)算機(jī)基于虛擬儀器編程實(shí)現(xiàn)對測試儀器、直流穩(wěn)壓電源的控制，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

（1）兼容多種型號規(guī)格的鉭電容器測試。

（2）本系統(tǒng)建立測試用的鉭電容器標(biāo)準(zhǔn)庫，標(biāo)準(zhǔn)庫包含規(guī)格、殼號、測試標(biāo)準(zhǔn)、詳細(xì)規(guī)范等必要信息，在進(jìn)行鉭電容器測試和數(shù)據(jù)采集時(shí)，作判斷依據(jù)，并在后期分析時(shí)作產(chǎn)品分析評判標(biāo)準(zhǔn)用。

（3）測試系統(tǒng)可通過掃描流程卡二維碼或手動(dòng)錄入鉭電容器信息自動(dòng)匹配鉭電容器控制參數(shù)。

（4）測試系統(tǒng)在測試前對所測產(chǎn)品型號、規(guī)格、判定標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行選擇，選擇后自動(dòng)帶出所選鉭電容器控制標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)對儀表進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，減少出錯(cuò)概率。

（5）測試結(jié)果依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)分析判定，并標(biāo)識；測試數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)查詢、分析，報(bào)表以批號、規(guī)格、殼號命名，.dbf 格式存儲，包含測試時(shí)間，漏電流測試值，測試電壓，充、放電時(shí)間等信息。

3.1 儀器驅(qū)動(dòng)程序

儀器驅(qū)動(dòng)程序是通訊板卡的驅(qū)動(dòng)程序，它直接對板卡進(jìn)行I/ O 控制。根據(jù)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的函數(shù)，并包裝在動(dòng)態(tài)連接庫DLL 文件中調(diào)用。數(shù)據(jù)傳送由GPIB 總線和PCL728 板卡的硬件實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序通過I/O 寄存器來實(shí)現(xiàn)接口功能。

3.2 測試控制程序設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的流程圖如圖6 所示。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控包括生產(chǎn)批號，運(yùn)行速度，運(yùn)行時(shí)間，測量數(shù)據(jù)報(bào)表，故障點(diǎn)等在運(yùn)行主界面實(shí)時(shí)監(jiān)視。測量數(shù)據(jù)報(bào)表處理后存儲于數(shù)據(jù)庫中，便于后期數(shù)據(jù)分析。

圖6 測試流程圖

使用 ODBC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從底層設(shè)置和控制數(shù)據(jù)庫。通過使用 SQL 語句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的開發(fā)。

通 過ke6485_init(“GPIB0::18::INSTR”,VI_TRUE,VI_RUE,) 配置KE6485， 測試結(jié)束時(shí)使用QuitUserInterface (0)函數(shù)退出界面程序。

3.3 數(shù)據(jù)管理、分析程序

數(shù)據(jù)管理將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后按要求實(shí)時(shí)顯示，測試完成后，將測試數(shù)據(jù)讀取索引出來在界面上顯示。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)庫對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判定、標(biāo)識，在界面上直觀的區(qū)分合格品、不合格品和接觸不良品。

其次，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)存儲功能，將測試數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)查詢，報(bào)表以批號、規(guī)格、殼號命名，.dbf 格式存儲，包合測試時(shí)間，工位，漏電流測試值，測試電壓，充、放電時(shí)間以及判定類別（合格品、不合格品和接觸不良品）等信息，用于完成測試報(bào)告檢索、管理和測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等工作。

此外，統(tǒng)計(jì)功能并給出測試合格率、測試數(shù)量等統(tǒng)計(jì)報(bào)表和測試結(jié)果散點(diǎn)分布圖。

程序通過LabWindows/CVI 事件處理方法中的回調(diào)函數(shù)法控制，其代碼結(jié)構(gòu)如下：

另外，硬件設(shè)備程序包括程控直流穩(wěn)壓電源、測試儀器和測試電路模塊的連接、初始化、參數(shù)載入等。管理員創(chuàng)建控制標(biāo)準(zhǔn)庫，測試人員只需掃描流程卡二維碼或手動(dòng)輸入批號系統(tǒng)自動(dòng)匹配并索引出相應(yīng)的測試控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

4 結(jié)語

本文針對片式鉭電容器的漏電流參數(shù)測試設(shè)計(jì)了片式鉭電容漏電流測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了片式鉭電容器的充放電試驗(yàn)、電容器漏電流參數(shù)測試，掃描二維碼電容器信息自動(dòng)輸入、數(shù)據(jù)庫存儲、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布圖導(dǎo)出等功能。并且操作簡單，界面友好。利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了片式鉭電容器漏電流參數(shù)的自動(dòng)化測試，測量過程的操作難度低、生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定性好，減少了操作人員的工作量，同時(shí)也杜絕了人工測試時(shí)手動(dòng)操作所帶來的一系列如極性加反、誤判、放電不充分的問題。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路也適用于其他基于虛擬儀器測試系統(tǒng)的開發(fā)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。