（机械电子工程专业论文）嵌入式系统技术在分布式半导体放电管分选机研制中的应用.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统技术在分布式半导体放电管分选机研镧中的应用 研究生姓名：郑迎春 导师姓名：毛玉良副教授 学校名称：东南大学 嵌入式系统设计已经成为现代计算机应用设计的一大领域。目前，在国防、航天航空、 交通、能源、工业、通信和人们日常生活等各个领域，嵌入式系统作为实现设备小型化、智 能化和自主知识创新的重要因素，发挥着越来越重要的作用，并有广泛的应用。 本论文结合先进的a r m 技术和嵌入式操作系统u c ，o s h ，在项目已有研究的基础上。 完成了对分布式半导体放电管分选机所作的进一步开发和完善。 本论文介绍了半导体器件测试设备和嵌入式系统技术的发展和应用现状，分析了项目已 有的成果和不足之处，对系统方案进行了改进。选择了符合需要的嵌入式微处理器l p c 2 1 1 9 和操作系统c ，o s - l l ，并对p c o s - i i 的特点、移植条件、性能等方面进行应用研究。 在硬件方面，根据半导体放电管分选机的具体功能要求，设计出了该系统的核心控制单 元基于l p c 2 1 1 9 的控制主板，并完成对控制主板的调试工作。 在软件方面，为保证系统的可扩展性，制定了灵活的、可变的分选规则，论文详细介绍 了分选参数的设置、下载，参数的编码、解码和测试数据的分选逻辑处理。上位机运用数据 库技术实现了测试数据的整理保存、统计分析。控制主板移植了g c o s 1 1 操作系统，实现 了各个任务的分配和调度。 另外，为满足系统发展需要，增强系统开放性、可靠性和通讯功能，本文运用了c a n 总线技术，分选模块、测试模块和控制模块之间通过c a n 总线连接，每个模块都是总线上 的一个节点，通过对节点中的微控制器的程序设计，各节点可以通过通信协议实现相互通信。 关键词：嵌入式系统，半导体放电管，i l c o s ，a r m 。分选系统，c a n 总线 a b s t r a c t a p p l i c a t i o n so f t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi na d i s t r i b u t e d s o r t i n gs y s t e mo ft h es e m i c o n d c o ra m s 缸r b yz h e n gy i n g - c h u n s 唧硎s 。db ya s s o c i a t ep r o f m a o y u - l i a m g s o u t h e a s tu n i v c r s i t y e m b e d d e ds y s t e md e s i g np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e me l e c t r i cd e s i g n a so n eo ft h e m o s tf a c t o r so fi n s t r u m e n tm i n i a t o r i z a t i o n i n s t r u m e n ti n t e l l i g e n c ea n di n d e p e n d e n c ei n t e l l i g e n c e p r o p e r t y , e m b e d d e ds y s t e mt a k e sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni ne a c hd o m a i ns u c ha s n a t i o n a ld e f e n c e ，s p a c en a v i g a t i o n , c o m m u n i c a t i o n , t r a 衔c ，i n d u s t r y , e n e r g ya n ds oo n c o m b i n e dw i t ha r ma n da l le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( u c o s i i ) ，t h ef u r t h e re x p l o i t a t i o n f o rt h ed i s t r i b m e ds o r t i n gs 3 ，s t e mo fs e m i c o n d u c t o ra r r e s t e r sp r o p o s e db a s e do nt h ep r o j e c t r e s e a r c h t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ro r g a n st e s t i n ge q u i p m e n ta n de m b e d d e ds y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h ep r o d u c t i o na n ds h o r t a g eo fr e s e a r c hw o r k sa r ea n a l y z e d ，a n ds e v e r a l i m p r o v e m e n t s a r em a d et o d e v e l o pa b e t t e rs y s t e m e m b e d d e dp r o c e s s o r ( l p c 2 l1 9 ) a n d o p e r a t i n gs y s t e m ( c ，o s - i i ) w h i c hm e e t st h ed e m a n d sa r ec h o s e n a n dt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h f o rf e a t u r e t r a n s p l a n tc o n d i t i o na n dt r a i to f t h eg c o s - 玎i sc a r r i e do u t i nh a r d w a r e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e do ft h es o r t i n gs y s t e m , t h ec o n t r o lm a i n b o a r db a s e do nl p c 2 l1 9i sd e s i g n e da n dd e b u g g e d i ns o f t w a r e j no r d e l t oe n s u r et h ee x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e m ，af l e x i b l ea n dv a r i a b l es o r t i n g r u l ei sm a d e p a r a m e t e rs e t u da n dd o w n l o a d i n g , c o d i n ga n dd e c o d i n ga n dt h el o g i cc a l c u l a t e t r e a t m e n t so f t e s t i n gd a t u ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s t h es t o r a g ea n ds t a t i s t i c a la n a l y s i so f t e s t i n g d a t aa r ei m p l e m e n t e db yp cb a s e do nt h ed a t a b a s et e c h n o l o g y t h ec o n t r o lm a i nb o a r d t r a n s p l a n t e db c 0 s 1 1o p e r a t i n gs y s t e m ，r e a l i z e dt h et a s ka s s i g n m e n ta n dt a s ks c h e d u l i n g i no r d e rt om e e tt h en e e d so fs y s t e m sd e v e l o p m e n t , e n h a n c i n gs y s t e m so p e n i n g , r e l i a b i l i t y a n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n c a n b u st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oi t e a c hm o d u l ei san o d eo f c a n b u s ，w h i c hc o r r e s p o n d sw i t he a c ho t h e rt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , s e m i c o n d u c t o ra r r e s t e r , p c o s ，a r m ，s o r t i n gs y s t e m , c a n b 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名； 碑鳋 日期：巡：f ：酉 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：簋鱼盎导师签名：免坌丕日期：磁：堑 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 通信系统中，信息传输与数据交换的载体，无论是无线传输的天线还是有线传输的电缆 或光缆，都会受到电力系统或雷电的干扰和侵入，造成通信设备损坏和信息传输中断。一旦 发生此类意外事件，将造成巨大的直接经济损失，间接的损失则更难估算。因此，对通信系 统设备的防雷、过电压保护工作是必不可少的。 传统的通信设备常用保护器件主要有t v s - - 极管和气体放电管等”j 。 抑制_ 二极管：利用硅呻结正向压降和反向雪崩击穿的特性而制成。在规定的反向应用条 件下，当承受瞬变电压和浪涌时，其t 作阻抗立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并 将电压箝位到预定水平，从而有效地保护电子线路中的元器件，防止其被烧毁或损坏。t v s 二极管的最人优点是体积小，响应快，箝位系数( 流过的电流为最大时的端电压与流过的电 流为最小时的端电压之比) 越小，防护瞬变电压和浪涌的效果越好，性能相对稳定。其缺点 是电容量大，耐电流容量小，且不能多次使用。 气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成。 其电气性能基本上取决于气体种类、气体压力以及电极距离。如果发生电压冲击，电极间会 产生某种电弧，电离气体放电的路径是由高阻抗转向低阻抗。该放电过程阻止一个更高的冲 击幅值，此处的弧电压大约降低1 0 3 0 v 。气体放电管受到瞬态高能量冲击时，它能以1 0 - 6 s 量级的速度，将其两极问的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。 早期的通信设备由诸如机械继电器、线圈和电子管等元件组成，即所谓的机电式的通信 设备，工作速度一般为毫秒级或微秒级，采j j 气体放电管来保护通信设备是有效的。如今机 电式通信设备已经完全被半导体器件、集成电路和计算机取代，其工作速度由毫秒级提高到 纳秒级，i ：作电压范围由1 5 0 v 降到5 1 5 v ，微秒级的气体放电管已经不能胜任，另外气体 放电管放电时，两端仍有1 0 1 0 0 v 的残压，这样的l g f 也足以将系统中的仁导体集成电路 损坏。用气体放电管已经无法有效的保护计算机通信网络。必须由新的保护元件替代。 1 9 8 9 年，由加拿大北方电信公司和法国汤姆逊公司发起研制过电压保护用半导体放电 管，1 9 9 2 年开始使用。1 9 9 3 年国际电信联盟对过电压保护用半导体放电管建立了标准并推荐 使用。半导体放电管是一种新型的瞬态过压抑制保护器件，具有动作速度快、使用寿命长、 参数一致性好、通态压降低、对称性好等特点，比气体放电管和t v s - 二极管更可靠。它与气 体放电管和t v s 二极管的性能对比见表1 - 1 1 2 1 0 表1 1 半导体放电管和其他过压保护器件性能比较 类别半导体放电管气体放电管 i v s - - - 极管 保护方式 负阻负阻箝位 坂理固态四层结构气体电离导电雪崩二极管 响应时间 h j s i n s 电容 5 0 p fl p f5 0 p f 最人瞬间电流 3 0 0 0 a2 0 0 0 0 a5 0 a 最人漏电流 l u a l p a 2 0 u a 复用性重复使用 有限次数易损坏 残压l 3 5 v1 0 1 0 0 vl v 左右 主要优点快速响应瞬态电流大低电压使用，廉价 目前国外的譬导体放电管已经发展到较高的水平，种类繁多，已达到产业化。我国对过 电压保护用! 仁导体放电管的研制在1 9 9 3 年开始，直至1 9 9 7 年才研制成功现在国内的许多 厂家生产的通信设备保安元件中都将气体放电管用半导体放电管取代。 随着计算机和通信技术的快速发展，各行各业都不同程度地建立了计算机通信网络，通 信手段也越来越先进，信息传输与交换越来越频繁。冈此，对半导体放电管的需求量也在不 断增人。而、i - - 导体放电管是_ h j 来保护通信系统安全的，对其本身的品质就有很高的要求。在 通信设备过电压保护用半导体放电管技术条件行业标准中对半导体放电管的测试方法做 东南大学硕七论文 了详细规定。本论文讨论的就是对一种全自动的过电压保护用半导体放电管测试分选的系统 所作的探索和研究。 1 2 半导体器件测试设备的国内外技术现状 随着= 十世纪世界半导体业的飞速发展，国外的半导体测试行业已经达到了一个比较高 的水平，在世界范围内，形成了数十家开发生产半导体器件测试分选设备的专门公司，具备 了成熟的技术和完善的售后服务体系，占有世界半导体分立器件测试分选设备的绝大部分市 场，这其中有美国的s c i e n t i f i c 、s e m i t e k ，日本的a d v a n t e s t 、t e s e c 、j u n o 等著 名企业。可测试的分立器件品种包括了二极管、三极管、晶体管、场效应管、t v s 二极管， 光电开关、光电耦合器、三端稳压器、半导体放电管、可控硅器件、继电器等p 1 1 4 j l ，j p j 。 同国外相比，由于起步较晚、技术力量薄弱，国内的半导体分立器件测试分选设备的开 发相对还较落后。开发的厂家不多，产品也大多是简单经济型设备，测试的功能不够丰富， 测试= i ：艺流程的可配置性也不强。 就目前# 导体器件测试系统的性能来说，数字系统的通道数、时钟频率、定时精度和模 拟系统的精度、范围、稳定性、适应性等方面，国外的开发系统有较人的优势，系统的可靠 性也明显优于国内开发的系统。所以，目前国内市场上的主流测试系统都产自欧美、日本等 发达 ：业国家，国内的测试设备制造厂商基本上都依靠代理国外成熟的商业化测试系统，只 有少量企业具有自行开发能力，市场占有率很低。国内的主要半导体生产厂家所使用的测试 设备也多为进口设备，价格昂贵、维护成本高。 另外，从各个设备厂商的产品来看，目前比较先进的半导体分立器件测试设备一般都采 用由上、下位机组成的主从式结构，主机采用p c 机和w i n d o w s 操作界面软件，主要用丁测 试系统配置及数据处理，从机使用嵌入式微控制器执行实时测控作业。从未来软、硬件技术 以及工业现场总线技术发展方向来看，智能化测试设备的发展方向无疑有集多种功能于一体 的趋势。将界面显示、人机交互、打印、网络通信等功能直接在测试设备上实现。 对于半导体放电管的分选测试，国内的研究步伐则更加缓慢。目前了解到的半导体放电 管的测试设备大多是一些单体的测试仪，一般只用于检测，或者是用于对放电管的单个项目 的测试，或者只是完成对单个放电管的检测，而不能连续批量的进行。本课题力求开发出基 于嵌入式系统技术的分布式的全自动测试分选系统，可同时对多个半导体放电管进行测试并 完成分选。 1 3 嵌入式系统技术的发展现状 本文的测试分选机采用了当今流行的嵌入式系统技术，因此，这里对嵌入式系统的应用 作一简要的介绍。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段| 7 1 。 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段。 这一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示 设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操 作系统的支持通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统 的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容最较小，几乎没有用户 接口。这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍。但是已经 远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需 求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以专用操作系统为核心的嵌入式系统。 这个时期，实时戍用较简单，实时性要求也不高。应用程序、实时监控程序和硬件运行 平台往往是紧密联系在一起的。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较 羞；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应 2 第一章绪论 用软件比较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行 随着应用的发展，早期的r t o s 己越来越显示出明显的不足了。有些实时系统的开发者为了 满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操作系统。它一般只能适用于特定 的硬件环境，且缺乏严格的评测。移植性也不太好。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段。 在各种专用r t o s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管理、任务问 的通信、同步互斥机构等基本上是相同的，不同的只是面向各自的硬件环境与应用目标。实 际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分很好地组织起来，形成一个通用 的实时操作系统内核。 这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼 容性好，操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口 ( a p 0 ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。 这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 的发展之外， 但随着i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e = t 的 结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 本文采用了p c o s i i 嵌入式操作系统。该操作系统是有名的、源码公开的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) 。良好的持续发展能力，高性能的内核以及友好的用户开发坏境，使 其迅速在嵌入式实时操作系统领域，i 据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广 泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、 军事演习、飞机导航等。p c o s i i 已经有a r m 7 、a r m 9 和s t r o n ga r m 等各种a r m 的移 植支持包含a t m e l ，h y n i x , i n t e l ，m o t o r o l a , p h i l i p s ，s h a r p 等公司的a r m 核的c p u 各节点间。 1 4 课题的研究意义 本课题在已有研究的基础上，即是对半导体放电管分选测试系统的开发完善所作的探 索。 分选测试系统【8 】根据模块化的设计思想，将整个分选测试系统的分选控制功能和测试 功能分离，分别以单独的控制或测试模块实现，同时各个模块作为智能化的c a n 节点，从 而实现整个系统的智能性、灵活性和易扩展性，体现了模块化系统设计的优点。 在已有的研究中，分选控制板主要实现对系统的整合控制，包括串口通信、c a n 总线 通信、逻辑处理，开关量输入输出功能。分选控制主板采用a t 8 9 s 5 2 单片机作为控制器，红 外传感器驱动电路用于驱动系统中的4 组红外收发传感器，对系统进行检测，而输出控制电 路是控制主板的输出，用于完成半导体放电管分选以及对主电机、振动料斗，继电器等的控 制；串行通信接口用于调试以及与上位p c 机进行通信；c a n 总线控制器及收发器用于建立 c a n 总线节点，实现与各个测试板的c a n 总线通信。 随着测试参数的增加，数据处理能力和实时控制能力会显现出其不适应的一面，本文将 分选和控制功能分离，原分选控制板作分选板，重新设计控制主板。分选板负责简单的输入、 输出功能，控制主板负责其它的控制功能。 在控制主板中，为了满足较高的实时性要求，使用了嵌入式系统技术。嵌入式系统是计 算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。进入9 0 年代以来， 其发展非常迅速。嵌入式技术己广泛应用于智能家用电器、仪器仪表、通讯产品、工业控制、 自动化测试、掌上型电脑以及军事应用等领域。考虑到成本和功耗要求，本系统采用p h i l i p 电子公司的l p c 2 1 1 9 嵌入式微处理器，并移植了免费的、源代码公开的实时操作系统p c o s - l i ，不但可以实现所需的快速数据处理、实时控制功能，而且可以降低总体成本，同时也为 今后相似嵌入式系统在其他产品或领域中的应用完成了大部分探索和准备，具有较高的科研 和经济价值。 另外，在软件开发方面，由于分选规则是用户制定的，灵活多变，论文探讨了分选参数 3 东南大学硕士论文 的设置、下载，参数的编码、解码和测试数据的分选逻辑处理，不仅能满足不同的分选规则 逻辑处理的需要，并为今后其他应用中分选积累了一定的经验。 1 5 课题的主要任务和内容 在已有的研究中，对于本课题的半导体放电管分选测试系统的开发，初步建立起了一个 系统平台，能够实现系统部分功能。为了实现分选测试系统完整的功能，还需要进一步改进 和完善。 课题的具体工作如下： 1 改进系统方案 已有的研究中，控制单元采用a t 8 9 s 5 2 芯片作控制器，随着测试参数的增加，数据处理 能力和实时控制能力会显现出其不适应的一面，需要对半导体放电管分选测试系统的总体方 案进行改进。把分选单元和控制单元分开，原控制板的分选功能保留，重新设计主控制板。 2 控制主板硬件电路设计 根据对系统整合控制的任务，设计出系统的核心控制模块一一控制主板，以实现系统的 控制功能、半导体放电管分选以及测试数据传送功能，并对控制主板进行调试。控制主板采 用l p c 2 11 9 作微处理器，并利用嵌入式处理器丰富的外围可扩展资源。扩展出一个l c d 控制 口，用于实现控制主板自主显示能力； 3 设计上位机软件 编写出基于串行通信的上位机v b 程序作为系统的控制界面，并在上位机上完成参数下 载、测试数据的动态显示、数据保存、查询和分析等任务； 4 设计下位机各模块软件 在控制主板上移植嵌入式系统p c o s - i i ，实现串口通讯任务，c a n 总线通讯任务，分选 逻辑处理任务，键盘扫描和l c d 液晶显示任务的分配和调度：设计出各测试板和分选板程序， 实现各模块功能；并实现各节点间c a n 总线通讯。 4 第二章半导体放电管分选测试系统开发方案设计 第二章半导体放电管分选测试系统开发方案设计 2 1 半导体放电管测试标准分析 通信行业标准中，关于通信设备过电压保护用半导体放电管的规范规定了通信设备过电 压保护用半导体放电管的定义、产品型号、技术要求，试验方法和检验规则，以及标志、包 装、运输、贮存等规则。 对于过电压保护用半导体放电管的定义为：当在两个电极上施加的电压超过额定值时迅 速变成低阻导通状态，电压撤消后又恢复成高阻状态，且正反向特性一致的半导体器件。标 准中也规定了半导体放电管的测试项目。主要的测试项目参数包括纠： 最高限制电压，也称作转折电压：即在规定上升速率的电压冲击下半导体放电管上允许 出现的最高电压； 不动作电压：半导体放电管保持高阻状态时所能承受的最高电压： 绝缘电阻：半导体放电管保持高阻状态时的电阻值； 极间电容：半导体放电管两个电极问的电容量； 冲击恢复时间：低阻导通状态下的半导体放电管，撤消电压后，由低阻导通状态恢复到 高阻状态需要的时间。 标准中对半导体放电管的各个测试项目的技术要求与测试方法进行了详细的定义和说 明。对丁：不同的用户，对半导体放电管的测试参数以及性能指标有不同的要求。通常，在半 导体放电管的测试分选过程中，绝缘电阻、不动作电压、转折电压都是必须测试的几个主要 参数。本课题所讨论的半导体放电管分选测试系统就是围绕这三个基本的测试参数展开的。 2 i 1 半导体放电管绝缘电阻的技术要求及测试方法 绝缘电阻测试也可以通过测漏电流完成。表2 1 中规定了半导体放电管的绝缘电阻或漏 电流的极限值。即在规定的1 0 0 v 直流测试电压下，半导体放电管的绝缘电阻或漏电流的值 应符合表3 - l 的规定值，否则，视为不合格放电管。其中，复测是指破坏性试验后再进行的 测试。 表2 - 1 绝缘电阻或漏电流 i 直流测试电压 初测复测 绝缘电阻最小值绝缘电阻最小值 ( n ) 漏电流最大值( u a ) 漏电流最大值( u a ) ( n ) i 1 0 0 v i x l 矿0 1i x l 0 l 绝缘电阻或漏电流戍在半导体放电管的任意两个端子之间测试，与测试无关的端子应悬 浮放置。测试时按表3 一l 中规定的直流测试电压，正负极性各测试一次绝缘电阻或漏电流 的值应在稳定之后或加电压1 分钟后读取。 2 1 2 半导体放电管转折电压的技术要求及测试方法 测试标准中，对半导体放电管转折电压的测试规定了两种技术要求，如表2 - 2 所示，规 定了l o o k v ，s 和i k v u s 两种测试电压。 表2 - 2 最高限制电压 l电压上升速率 1 0 0 k v ，sl k v u s i最高限制电压上限 2 6 0 v4 0 0 v 测试电压的上升速率为1 0 0 k v s 的情况下。半导体放电管的最高限制电压上限值不能大 5 东南大学颈士论文 于2 6 0 v 。测试电压上升速率为i k v l u s 的情况下。最高限制电压上限值不能大于4 0 0 v ，否 则为不合格放电管。在此范围内，用户可以根据自己实际的需要设定分档值，区分出不同的 规格。 溺菠e b 源 回l 嘲 ( 1 0 m 渐) 峰骶到吁 3 岬 图2 1 电压上升速率为1 0 0 k v s 的测试方法 对于不同的测试电压，测试方法也不相同。图2 - l 所示是测试电压的上升速率为1 0 0 k v ，s 的测试方法。测试时，将该峰值不低于3 0 0 v 的测试电压经过电阻r 后加在半导体放电管上， 直到放电管被击穿，放电管变为低阻导通状态，放电管所承受的电压迅速下降，此时，由峰 值电压表将电压转折点处的电压值记录。电路中电阻r 用于承担当半导体放电管被击穿导 通时测试电源上的较大电压。 2 1 3 不动作电压的技术要求及测试方法 对不动作电压的测试也是通过检测流过半导体放电管的电流值完成的。表2 - 3 中是测试 不动作电压的技术要求。即在表2 - 3 中规定的不动作电压下，流过半导体放电管的电流值应 不大于l m a 。 表2 - 3 不动作电压 最大斜角波峰值电压( v )r 标称值( k n )允许电流最大值( n 徂) 1 9 0l ，ol 图2 - 2 所示是不动作电压的测试方法。其中，斜角波发生器提供1 0 0 k v s 的斜角波电压。 通过监测电阻r 上的压降来确定同路电流。发生器的电压峰值应不大于表中规定的1 9 0 v 。 图2 2 不动作电压的测试方法 标准中还规定了半导体放电管的电流变化率试验、耐电流能力试验、失效模式试验、环 境试验、冲击试验等许多的试验要求以及相应的试验方法，本论文在此不作详细介绍。 2 1 4 半导体放电管的分选方法 前面的内容是对半导体放电管测试标准的分析介绍。我们了解到了半导体放电管的测试 包含了绝缘电阻、最高限制电压和不动作电压等多个项目。实际上，在完成半导体放电管的 测试后，还有一项重要任务，就是对半导体放电管按照一定的分选辫则进行分选。表2 4 中 给出的是一个半导体放电管分选的分档参数示例。 9 6 第二章半导体放电管分选测试系统开发方案设计 表2 _ 4 半导体放电管分档参数示例 绝缘电阻不动作电压最高限制电压( v ) n o 备注 ( m n )( v )v m 缸v m a x l v 爿 lnnnn不合格 23 0 不合j 。标 31 9 52 1 0 42 1 12 2 5 52 2 62 柏 62 4 l2 5 5 71 9 52 2 5 82 1 12 5 5 92 2 62 5 5 1 0 4 5 i l 6 0 1 2 该分档参数示例将半导体放电管分为1 2 个种类( 其中包括不合格、不合厂标两个类型) 。 分选前用户需要先设置好三项参数不合格的临界值，对于绝缘电阻还要设置一个不合厂标的 分档值，然后再根据实际的需要设置出最高限制电压的各个规格的分档值。表2 4 中n 为不 合格的临界值，只要有个项目的测试值不合格，该半导体放电管就视为不合格。另外，半 导体放电管的这三个测试项目要求测试正反两个方向，分选时，正反两个方向的测试结果都 要符合表2 4 中的设置。 2 2 半导, f t - g t 电管分选测试系统的方案设计 通过以上的分析可知，半导体放电管分选测试系统的最终实现包含了几个方面的任务， 如图2 - 3 所示，分别为：依据通信行业标准以及用户实际的需求，对待测试的半导体放电管 设定出合适的分档值；完成对半导体放电管的各个参数项目的测试；根据测试结果对半导体 放电管进行分选作业：对f 以上的测试结果和分选结果进行统一的管理、保存。 此外，该分选测试系统方案的实现还涉及到对一些机械装置的控制，包括：控制机械分 选机构执行分选动作，传感器的输入检测，控制料斗上料以及报警装置进行异常报警指示等。 臣匿囹 1 分选半导体放电管i r 】! 一 i 测试结果统计分析 图2 - 3 半导体放电管分选测试系统任务 在此，提出一种模块化的，基于嵌入式系统的分布式分选测试系统。设计中依据模块化 的设计思想，将整个分选测试系统的功能分解成各个不同的功能模块，分别由不同的功能单 元来实现。 整个半导体放电管分选机主要分为上位机、主控制单元、测试单元、分选逻辑单元、机 械执行机构等几个部分。以主控制单元为核心，通过主控制单元对其他部分的整合控制实现 系统总体功能。系统总体结构框图如图2 - 4 所示。 7 东南大学硕上论文 儿 j l 落 黼i 舜 l ；，一，一le 。c d b ：示i6 a f | | i | 6 佘q 卅棵 图2 - 4 系统结构框图 控制主板采用了p h i l p s 公司l p c 2 1 1 9 微处理器，移植了i _ t c o s i i 嵌入式实时操作系统。 p c 机作为上位机，实现分选规则的编辑生成、检测阶段的动态显示和实时统计，与控制主 板采用r s - 2 3 2 串口进行通信。各测试模块、分选模块与控制主板通过c a n 总线进行通讯。 控制主板通过c a n 总线向各测试模块发送各种命令，并接受测试模块测试的数据实现分析 和决策。分选模块集成了4 路红外收发检测电路驱动红外收发传感器以提供4 路开关量输入， 用于确定系统中4 个不同的检测1 ：位是否有! f 导体放电管，还提供1 6 路开关量输出驱动电 磁阀、继电器等，根据控制土板分析和决策的结果进行简单的逻辑处理，控制机械执行机构 动作。各测试模块通过模数转换( a d ) 实现最高限制电压、不动作电压和绝缘电阻三项测 试。 8 第三章半导体放电管分选测试系统软件开发的关键技术 第三章半导体放电管分选测试系统软件开发的关键技术 系统软件的设计也是按模块化设计的，从分选测试系统的结构组成上来考虑，将分选测 试系统的软件区分为上位机v b 程序、控制主板程序和测试板、分选板程序几个部分，各个 部分之间按照一定的通信协议进行数据的交互。如图3 1 所示是半导体放电管分选测试系统 软件的数据通信原理简图。 o n b u s 图3 1 半导体放电管分选测试系统的软件通信原理简图 上位机程序的主要功能包括对分选测试系统进行初始化参数设置、监测系统的t 作状 态、显示半导体放电管测试和分选的结果以及对这些结果的统计分析和保存。主控制程序是 控制主板上c p u 中的程序，整合了该分选测试系统中的各项任务。控制主板和上位机之间 通过r s 2 3 2 串口进行串行通信，从上位机接收具体的指令信号以及分选规则、半导体放电 管分档值、测试_ l ：艺等设置参数，并通过串口将仁导体放电管的测试、分选结果发送给上位 机保存。控制主板、各测试板和分选板之间通过c a n 总线进行数据通信。主控制节点向各 测试节点发送节点检测、准备测试等命令，并接收各测试节点的测试数据以及应答信号等； 分选节点根据红外线传感器检测的光电管信号，向各测试节点发送测试命令，并接收主控制 节点的节点检测命令和分选结果。 下面的内容主要介绍系统软件开发的关键技术，软件系统的各个程序模块的设计将在第 六章和第七章详细介绍。 3 1 半导体放电管分选的软件实现 在第二章的系统方案研究与分析中介绍了半导体放电管的分选方法，即根据用户提供的 分档表中所填写的参数值和分选规则将半导体放电管分成不同的类型。 由于用户的分选规则是灵活多变的，因此分选逻辑计算必须能够对灵活、可修改的规则 进行处理才能保证系统的可适性。分选规则应该可以通过上位p c 来修改。因此，必须制 定一套相应的数据结构。才能保证系统的可扩展性。 可变规则的可变是指规则的优先级、参数的个数、规则中的参数大小、参数之间的“与” “或”逻辑、规则对应的执行命令都要可以根据用户的需要来改变。 9 东南大学硕士论文 3 1 1 分选参数设置下载的编码、解码 由于串口通讯是以字节为单位进行传输，因此，在传输的过程中，必须进行相应的编码、 解码。 系统参数设置下载的编码包括信息头和系统参数逻辑编码。信息头的编码规定如表3 1 所示，系统参数逻辑编码规定如表3 2 所示。 表3 - 1 信息头的编码规定 ol234567s9ab c def o o 命 令啄志号 q 限q t b e g i n；) t n u my e xj v b e g i n删md z e3 z b e g i n ad z n u ) 【z 1x z l b o ox i s ta d d rb e ti s ta d d rb e td d rm b e re ) i 髓 c g l n - 字 0 0 a i ( z l n u眨ex z 2 b e g ix z 2 n t lc z e c z b e g i nc z n u 总) 0 2 0 - 校 信息头 d d 校验 1 0m b e rx j 吼h a d d rm b e rx i s ta d d rm b e r 长度验 r 0 0 2 0 表3 - 2 系统参数逻辑编码规定 系统参数逻辑编码意义： d 7 为l ，提示要读浮点数； d 6 d 5 d 4 表示参数属性：0 0 0 表示绝缘电阻( j y ) ，0 0 1 表示不动作电压( d z ) ，0 1 0 表 示晟高限制电压的最大值( x z l ) ，0 1 1 表示最高限制电压的最小值( x z 2 ) ，1 0 0 表示最高 限制电压的最大值和最小值的差值( c z ) ，1 0 1 表示其它参数值( q t ，包括测试数量，放电 管类型) ，其余备用； i x b d 3 表示分选等级：数值0 b 表示分选等级l _ 1 2 ： 浮点数l ，选用了i e e e 一7 5 4 格式，每个浮点数 用四个字节，表示参数值上限。 浮点数2 ，选用了i e e e 7 5 4 格式，每个浮点数【与用四个字节，表示参数值下限。 对规则的解码，即将上位机传送来的数据解码为事先定义好的结构体中的数据。结构体 如下所示； x d a t as i i i c tl o g i c u i n t 8 p 砌a g ；，标志位，或，与 u i n t 8 b e g i n a d d r ；参数的起始位置 u i n t 8 l e n ；n u m b e r u i n l 3 2 r a n k f l a g n u m b e r _ r a n k ； 审3 2 t e s t p a r a ； f p 3 2p a r a m a x 【n u m b e rr k 】；参数值上限，n u m b e rr a n k 个等级 f p 3 2 p a r a m i n 【n u m b e r r a n k 】参数值下限，n u m b e rr a l l l 【个等级 ； x d a l as l r u c tl o g i ce q u a t i o n n u m b e r _ c a n s h u ；6 个参数 参数解码部分程序： f o r ( m = 0 ；m n u m b e r _ c a n s h u ；埘 k = - f _ x l u a t i o n m 】b e g i n a d d r ； f o r ( i = 0 ；i n u m b e rr a n k ；i + + ) f o r 0 = o j 4 j + + ，】( + + ) 1 0 第三章半导体放电管分选测试系统软件开发的关键技术 f r s 2 3 2 m c h a r b u i j 】- b u f f e r k ； e q u a t i o n l m p a r a m a x 【i - - f r s 2 3 2 m f l r e c ； f o r 0 = 0 j 4 j + + ，k _ h ) i r s 2 3 2 m c h a r b u f f j = b u 商e r k ； ) e q u a t i o n m p a r a m i n 【i - - - f l t s 2 3 2 m f l r e c ； 3 1 2 分选规则的制定 规则号序号越小则相应的优先级越高，即符合某一条规则时，就不再对下一条规则进行 判断。规则判断流程图如3 - 2 所示。 卫 y 厂上- i 执行相应命令 l 1 ，。，。_ j 图3 - 2 规则判断流程图 在规则的制定上，我们采取了参数可变的方法以保证规则的灵活性。对控制单元来说， 测得的数据具体代表的含义是什么并不重要，只要将测得的数据与相应位置的参数上下限比 较，若是落在该区间中，便为“真”，否则为“假”。每条规则中，标志位决定了规则的是采 用何种逻辑，若是采用“与”逻辑的话，只有所有测餐值都落在相应的区间内，才表示符合 相应的规则；相应的，若是“或”逻辑的话，只要测量值有一个落在相应的区间内，就表示 符合相应的规则。逻辑判断示意图如图3 - 3 、图3 - 4 所示 i e q u a t i o n i m m k f l a g k 卜 l i e q u a t i o n 2 i r a n k f l a g k e q u i i o n n r a n k n a e , k 。卜 图3 - 3 “与”逻辑判断示意图 参一 号 东南大学磺士论文 l r 箜a n k f l 塑a g k 卜 f i e q u a 6 。n 【2 1 1 危m m r m i k = k l r g k n a g b h | l | i ； i 犀司一 l 触n a g r k li 图3 - 4 “或”逻辑判断示意图 参数n 的测量值e q u a t i o n 【n 】t e s t p a r a 在e q u a t i o n 【n 】p a r a l v l a x k 与e q u a t i o n n p a r a m i n k 的区间之间，则e q u a t i o n 【n 】r a n k f l a g i k 】为l ，否则为0 。如果规则标志位 p a r a f l a g 为0 x 0 1 ，表示“与”逻辑，e q u a t i o n 【l 】r a