某型號譯碼輸出驅(qū)動電路自動測試系統(tǒng)的設計

王偉達，王笑怡

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

某型號雙冗余譯碼輸出驅(qū)動電路被廣泛應用于航空航天領域，其年供貨數(shù)量較大，現(xiàn)有手動測試已經(jīng)不能滿足產(chǎn)能需求。因此專門針對該電路設計一款自動測試系統(tǒng)，滿足該電路電參數(shù)三溫測試需求。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體設計

測試系統(tǒng)采用上位機與下位機相結合的工作方式。上位機使用工控機，用于人機交互、控制測試設備、讀取測試參數(shù)、保存測試數(shù)據(jù)等；下位機做成板卡形式，使用單片機C8051F500 作為控制器[1]，使用RS232 接口或者USB 接口與工控機進行數(shù)據(jù)傳輸，用于響應上位機發(fā)送的測試命令、控制繼電器陣列的切換，從而將被測對象接入測試電路中。

整個系統(tǒng)以工控機為核心，外配具有遠程控制功能的可編程電源、數(shù)字多用表、電子負載等測試設備，可同時測量4 只被測模塊電路。測試操作人員可以通過工控機來選擇測試項，點擊自動測試選項后，系統(tǒng)便能夠自動完成相應參數(shù)的測量并生成報表[2]，供后續(xù)工作使用。測試系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖

按照對詳細規(guī)范中電路參數(shù)要求的分析，對測試設備進行選取，具體情況如下：

1）電源使用可控直流穩(wěn)壓電源，型號為GPD-3303S。工控機可以通過串口對電源輸出進行控制，滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

2）數(shù)字多用表的型號為KEYSIGHT 34470A。該多用表既可以測量電壓，又可以測量電流，這樣可以減少測試設備的數(shù)量；工控機可以通過串口對數(shù)字多用表進行控制，比如電流模式、電壓模式、讀取數(shù)據(jù)等，滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

3）多路電子負載的型號為IT8702。該電子負載也可以與工控機通過串口進行通訊，滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

2.2 測試原理

需要進行測量的參數(shù)有：輸出截止電流、輸出級漏電流、輸出負載電流、輸出級飽和壓降、靜態(tài)功耗電流。出于論述便利考慮，在此選取一只典型的被測電路，簡述系統(tǒng)如何實現(xiàn)對其電參數(shù)的測試。所有開關的動作都通過單片機控制繼電器實現(xiàn)[3]，測試原理框圖如圖2 所示。

圖2 測試原理框圖

測試輸出截止電流時，開關K9、K10、K13、K5 閉合，K11、K12 撥到3 端，數(shù)字多用表選擇電流檔，K1 閉合，讀取數(shù)字多用表的電流值。此時為該模塊第一路輸出截止電流。然后斷開K1，閉合K2。其他路的測量與此同理。

測試輸出級漏電流時，K9、K10、K13、K5 閉合，K11 撥到3 端，K12 撥到2 端，數(shù)字多用表選擇電流檔，K1 閉合，讀取數(shù)字多用表的電流值。此時為該模塊第一路輸出漏電流。然后斷開K1，閉合K2。其他路的測量與此同理。

測試輸出負載電流時，K9、K10、K13、K5 閉合，K11、K12 撥到2 端，數(shù)字多用表選擇電流檔，K1 閉合，讀取數(shù)字多用表的電流值。此時為該模塊第一路輸出負載電流。然后斷開K1，閉合K2。其他路的測量與此同理。

測試輸出級飽和壓降時，K9、K10、K1～K4、K7閉合，K11、K12、K6 撥到2 端，數(shù)字多用表選擇電壓檔，K38 閉合，讀取數(shù)字多用表的電壓值。此時為該模塊第一路輸出級飽和壓降，然后斷開K38，閉合K39。其他路的測量與此同理。

測試靜態(tài)功耗電流時，K1～K4、K8、K9 閉合，K10、K6 撥到2 端，K11、K12 撥到3 端，數(shù)字多用表選擇電流檔，讀取數(shù)字多用表的電流值，所測即為該模塊靜態(tài)功耗電流。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

硬件電路主要包括：電源電路、控制通訊電路、開關電路。

3.1 電源電路設計

控制負載板上的芯片需要+5V 電源供電，而被測模塊需要+10V 電源和+28V 電源。為減少電源的使用數(shù)量，設計了+10V 轉(zhuǎn)+5V 電路。該電路由長晶科技公司的三端穩(wěn)壓集成電路CJ78M05 實現(xiàn)[4]。此款芯片輸入電壓范圍寬，最大輸入電壓可達35V，最大輸出電流可達500mA，具有短路保護和熱停機保護功能，工作溫度范圍為-40～125℃。為了方便觀測電源輸入輸出狀態(tài)，在輸入輸出端分別增加LED指示燈，并使用100kΩ 電阻進行限流，減小不必要的損耗。為了防止電源正負極反接造成電路板上其他器件損壞，在10V 電源輸入端串接一個二極管。這樣在電源正負極接反的情況下，由于二極管反相截止，二極管后端的電路并沒有電流流過，便能很好地保護后級電路。在輸入端對地并聯(lián)了TVS 管，用于有效地吸收浪涌信號。由于CJ78M05 有LDO 屬性，輸入輸出壓差較大，長時間工作會產(chǎn)生較大的熱量，因此在實際電路中需要增加散熱片對其進行散熱處理。該部分電路的原理圖如圖3 所示。

圖3 10V 轉(zhuǎn)5V 電路原理圖

3.2 控制電路設計

控制電路用于接收上位機的指令，對繼電器進行控制，因此控制板不需要進行復雜的運算。此處選擇Silicon Labs 公司生產(chǎn)的8 位單片機C8051F500。該單片機具有運行速度快、存儲容量大、集成度高等特點，具有64kB 的flash 和4kB 的RAM，完全滿足存儲功能需求，且具有片上看門狗功能，能夠在程序跑飛的情況下，對系統(tǒng)進行復位，保護被測模塊。片上的24MB 振蕩器能夠保證系統(tǒng)實現(xiàn)快速的響應[5]?？刂齐娐吩砣鐖D4 所示。其中，由P5 為C8051F500提供程序下載接口。該接口接線簡單，僅需要C2CK、C2D 及GND 三根線，即可對程序進行在線仿真和調(diào)試[6]。

圖4 控制電路原理圖

通訊電路用于實現(xiàn)C8051F500 與上位機之間的數(shù)據(jù)傳送。由于C8051F500 單片機與上位機的信號電平不同，不能直接連接進行數(shù)據(jù)傳送，因此需要使用中間電平轉(zhuǎn)換電路。為了方便使用，在設計中增加跳線接口，使用者可根據(jù)實際情況選用RS232 通訊或USB 通訊[7]。通訊電路原理如圖5 所示。

圖5 通訊電路原理圖

RS232 通訊電路使用Maxim 公司的MAX232芯片。該芯片為+5V 單一供電，能夠?qū)8051F500輸出的TTL 電平轉(zhuǎn)換成上位機能夠識別的232 電平。USB 通訊電路使用USB 轉(zhuǎn)串口芯片CH340G，該芯片轉(zhuǎn)換速度快，穩(wěn)定可靠，可在電源處增加電容進行濾波處理[8]。

3.3 開關電路設計

開關電路使用繼電器進行切換，主要用于將儀器設備及被測通道切入測試電路中。繼電器選擇匯港HRS1。該繼電器尺寸小，靈敏度高（線圈功率為200mW），具有3A 觸點切換能力，一組轉(zhuǎn)換，直流5V線圈電壓。繼電器工作原理為：當線圈兩端存在壓差且達到線圈的吸合電壓時，由于電磁力作用，觸點吸合。單片機IO 口驅(qū)動能力有限[9]，故使用ULN2803芯片對繼電器進行驅(qū)動。ULN2803 還集成有續(xù)流二極管，當繼電器斷開時，由于線圈電流不能突變，因此該續(xù)流二極管可以為線圈提供續(xù)流回路，保證電路安全。以其中典型的若干繼電器開關電路為例，開關電路原理圖如圖6 所示。

圖6 開關電路原理圖

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件在設計上包括了上位機軟件與下位機軟件兩個部分。其中，上位機軟件用于負責人機交互界面、控制命令的發(fā)送、測試數(shù)據(jù)的讀取、顯示及保存等功能；下位機軟件則用于負責響應上位機發(fā)送的命令，并控制相應的繼電器，完成上傳軟件版本號等操作。

上位機軟件采用VB 語言進行編寫，流程圖如圖7 所示。操作界面如圖8 所示。

圖7 上位機軟件流程圖

圖8 軟件操作界面

上位機程序首先對各個儀器設備進行通訊檢測，顯示出通訊異常的設備。所有設備通訊正常后，等待使用者配置設備信息、選擇詳細規(guī)范號、一鍵連接所有設備，操作完成后，上位機程序會自動發(fā)送測試命令，讀取測試結果，并將結果保存在Excel 中。如果測試過程中出現(xiàn)指標不合格的情況，上位機程序會將不合格產(chǎn)品的序號及指標結果進行標紅處理。上位機程序為使用者提供“超差退出”選項，如果使用者選擇“超差退出”，則上位機程序會停止發(fā)送測試命令，并初始化繼電器及設備狀態(tài)，等待使用者處理。如果使用者未選擇“超差退出”，則上位機程序?qū)⒗^續(xù)不中斷地進行測試。

下位機使用Keil 軟件進行C 程序編寫，串口波特率設置為115200。軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 下位機軟件流程圖

程序首先對系統(tǒng)進行初始化設置，包括系統(tǒng)時鐘、IO 口、定時器、串口及中斷等。然后進入while(1)循環(huán)[10]。在while(1)循環(huán)中，實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)判斷、接收數(shù)據(jù)、命令解析、輸出數(shù)據(jù)、接收反饋等功能。為了防止上位機數(shù)據(jù)發(fā)送意外中斷而導致接收錯誤，在下位機程序中使用定時器對兩個字節(jié)數(shù)據(jù)之間的時間間隔進行計時，如果超時則反饋給上位機接收錯誤信號，并舍棄接收的數(shù)據(jù)，否則對接收的數(shù)據(jù)進行解析，并判斷上位機的命令要求，作出相應的響應[11]。

上下位機通信數(shù)據(jù)格式由幀頭、指令、數(shù)據(jù)位長度、數(shù)據(jù)位、校驗位及幀尾組成，如圖10 所示。其中校驗位由幀頭、指令、數(shù)據(jù)位長度、數(shù)據(jù)位這些位進行異或而構成。

圖10 數(shù)據(jù)格式組成

幀頭由一個字節(jié)組成。單片機用作發(fā)送時幀頭為AA，單片機用作接收時幀頭為BB。

指令由一個字節(jié)組成，具體定義為：

0x01：測量輸出截止電流；

0x02：測量輸出漏電流；

0x03：測量輸出負載電流；

0x04：測量飽和壓降；

0x05：功能測試；

0x06：靜態(tài)功耗電流；

0x07：讀取軟件版本號；

0x08：所有開關恢復默認狀態(tài)；

0x09：接收錯誤，請重新發(fā)送。

數(shù)據(jù)位長度由一個字節(jié)組成，規(guī)定了后面數(shù)據(jù)位所占字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)位為1 代表開關吸合動作；0 代表開關初始狀態(tài)。數(shù)據(jù)位從左開始為第一個字節(jié)。第一個字節(jié)低三位的組合控制K8、K13、K38、K39、K40、K41，第四位控制K5，第五位和第六位固定為0，第七位控制控K6，第八位控制K7；第二個字節(jié)（由低位到高位）代表開關K1～K4 和K9～K12；第三個字節(jié)代表K14～K21；第四個字節(jié)代表K22～K29；第五個字節(jié)代表K30～K37。當命令為0x07 時，數(shù)據(jù)位第一個字節(jié)代表軟件版本號，其他位可忽略。

此外，校驗位為從指令開始到校驗位之前的所有字節(jié)異或值。幀尾表示單片機的工作狀態(tài)，用作發(fā)送時幀尾為EE；用作接收時幀尾為DD。

5 系統(tǒng)測試

在測試進行之前，需要先做好以下幾方面的選項設計：

①測試溫度，即當前測試的環(huán)境溫度，如常溫、高溫、低溫；

②詳細規(guī)范號，即要為該產(chǎn)品的兩個不同等級選擇相應的詳細規(guī)范號；

③測試項默認全部測量，如果想單獨測量某項指標，單獨勾選即可；

④參數(shù)設置，即將所用儀器設備的參數(shù)設置好。

上述設置完成后，點擊建立連接，再點擊自動測試，系統(tǒng)便開始進入自動測試，每次四只產(chǎn)品。測試時，在當前界面顯示實時顯示結果。如果遇到超過指標要求的測試項，在設定“超差退出”的情況下，系統(tǒng)會將超差的測試項標紅，并自動停止測試；如果未設定“超差退出”，則系統(tǒng)會將超差的測試項標紅，但不會終止下一個模塊的測試。所有模塊測試完成后，系統(tǒng)會自動生成數(shù)據(jù)報表，超差的測試項在報表中仍然是紅色字體，以便測試人員快速定位不合格模塊。

使用該測試系統(tǒng)對被測模塊進行上千次測試，測試結果滿足產(chǎn)品精度要求，且測試速度快。對其中120 次測試的時間取平均值，得出測試一塊電路所用的平均時間為22 秒，相比原手動測試系統(tǒng)的85秒大大節(jié)省了時間，且操作者由二人減少為一人。

6 結束語

該自動測試系統(tǒng)已經(jīng)在實際生產(chǎn)中用于某譯碼驅(qū)動電路的測試工作，運轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定可靠。由于不需要測試人員頻繁操作，且能夠自動生成數(shù)據(jù)報表，明顯節(jié)約了人力與時間，能夠勝任大批量的生產(chǎn)與科研測試任務，為提高效率、降低成本發(fā)揮作用。