（精密仪器及机械专业论文）PCB板自动检测系统的设计与实现.pdf

南京理t大学硕 1 一 学位论文 p c b板自 动检测系 统的设 计与实现 ab s t r a c t print e d c i rc u i t b o a r d ( p c b ) i s ani n 1 p 0 rt a n t p arto f m o d e rne l e c troul c equ ip m e nt ， i ts q u a i i t ya ffec tst he p e r fo rmanc e0 f p r o duc t s t h ep roce s so f p c bi n s p e c t i on i s d o n e m an uall y a l l th e t i m e . s i nce p eop l e ， s abi l i t y i s l i m i t ed. the m i s s 一 m s p e c l i on i s inci d e n t a l and ineffic i ent t 七 l s p aperi s wn t 记 n abo utthe p c ba u t o 一 i n s p e c t in g s y s t e m . the 加 n c t i o n i n c 1 ude sth el n s p ecti o no f k e yshort c i rc u i t 、keyopen c i rc u i t 、l e ds t a t e s 、c u rr e n t c o n s um i n go fpow er s upp l y 、enc o d e randm a k e而ss ys t em h avet h efi l幻 c ti o no f s e l f d i a g ll o s i n g 丁 七 e m ain c o ni ent o f this p aperi nc】 u d e s : the c i rc u i t d e s i gn0 f the i npee t i n g s y s t eyn; d e s i gnin gthe c u rr e n tm e as urem ent c ard for c u rr e n t c onsum i ng 0 fp o wers u p p 1 y d e v e l o p i n gth ed evi c edriv er . d eve l op1 n gthe s y s t e m soft w are b as e don l ab v i e w pl at fo rm. the e n 1 p h as i s o f th i s p aperi s d e s i gni ngthe c urrent measurem ent c ard a n d d e v e l opi n g th e sys t e msoft w are. t 七 e di fficultyisth e driv erd e v e lopedfo r the sel f- m ade c a r d . t h i s p aperh asachi evede ac hfo n c ti on ofthe aut。 一 in sp“ ti ngs ystem a n d 阴 w ellon th e fact o ryin sp eet l i ne， th e e ffic i enc y o f ent e rp ri s e h asgr e at l ye nhanc 目明d the c o sto f e n t e rpri s e s aved. 价ywo r d s :pcb允 n c t i oni n spe c ti on， c u rr e n t c ons u lt n n g in spe c ti on， d e v i c e dri v e r 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学 位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明 确的说明。 研究生签名: 甸 、导卿 甲年 7 ” 分 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理. 研究生签名 犯 讼 ， 多 下 们 犷 甲年 夕 月 声 南京理t大学硕 1 丁 学位论文pcb板自 动检测系统的设计与 实 现 1绪论 随着电子技术及p c b 板制造技术的发展， 现代电子产品日 趋复杂， p c b 板的密度 日 趋增加， 随之而来的是p c b 板的检测及修理也愈加困难， 导致许多传统的检测方法 都不再可行。以前， 大部分的 p c b 板都是人工检测的，自 动化程度很低， 每个工厂有 一或几条检测线， 操作人员具体分工， 每人检测其中的一小部分， 下一工序的工人必 须等待上一工序的工人检测完才可以继续检测。 一旦中间某一个环节出现差错， 很有 可能导致整条检测线出现混乱。 如果一个产品的检测项目比 较多， 一条检测线要安排 的工人数量相应的增加， 无形中增加了工资费用和检测时间。 人工检测无论从检测速 度、 效率和成本控制方面都不能令人满意。 为了 提高p c b 板的检测及维修自 动化程度， 加 快出 厂 速度， 满足产量要求， 就 必须 研制 p cb电 路板的自 动检测设备。 为 此， 60 年代以 来世界上己 经形成了 一个 ate ( a u t o m atic testi nge qul p n l ent) 产业，专门 进行 p c b 自 动检测l 。 1 . ipcb自 动检测的基本情况 p c b 自 动检测涵盖对未装元器件的 p c b 和装有元器件的p c b 的检测， 检测中主要 由p c b自 动检测系统自身的硬件和软件来完成整个测试过程， 例如自 动对被测p c b 施 加激励和采集响应，自 动对采集的数据作分析和故障检测或故障诊断，自 动显示或记 录被测对象的工作情况和故障状态。 常用的 p c b 自 动检测方法主要有: 裸板测试、 路内测试、 功能测试、 总线测试:j 。 (l ) 裸板测试扭ak edp c b t es t) : 裸板测试是在安装和焊接元器件前对p c b 的 光板 进 行 的 测 试 ， 检 测 p c b 上 的 走 线 有 无 短 路 、 断 路 故 障 金 属 化 孔 是 否 良 好 等 t31 这 是 保证p c b 正常工作的基础， 只有确认p c b 光板上的走线正确， 才能够保证安装了器件 的 p c b 能够完成既定功能。 (2 ) 路内 测试( in 一 c ircuittest): 路内 测试是对己 经安装好部分或全部元器件的 p c b 进行的测试. 它是元件级的 测试，检测元器件有没有被损坏、插错( 如元器件的 型号、 参数是否正确) 、 插漏、 插反 ( 如二极管的极性是否接反， ic的方向是否正确等) ， 同 时也可以 检测焊接点有无虚焊、 漏焊现象【们 。 (3 ) 功能测试(f unct i onalt es t) : 功能测试是模块级的测试，检测整个 p c b 或p c b 上的各个功能模块是否能够完成既定的功能和指标要求， 同时确定一些可调参数的元 件 ( 如电 位 器、 可 调的电 感或电 容 等 ) 的 最 佳 参数 值。 进 行功能 测 试时， 把整 个 p c b 或 其上的各个功能模块作为黑箱进行处理，以 它们对外连接的端口 作为 信号的输入 / 输 出端口，按正常工作状态接通电源， 通过在输入端口 施加各种规定的输入信号组合， 检测输出 端口 的响 应信号， 从而判定它们能否完成既定的 功能和指标要求. 功能 测试 南京理t大学硕 卜 学位论文p c b板自动检测系统的设计与实现 能够解决某些路内测试无法完成的测试， 例如观测信号失真度、 网络带宽等项的测试， 但它缺乏故障定位能力。 (4 ) 总 线 测 试 (b uste st): 总 线 测 试 是 针 对 那 些以 微 处 理 器 为 核 心的 p c b 进 行的 测 试囚 . 在这种微机总线结构下， 通常有多 个器件挂在总线上。 总线是微处理器最基本 的组成部分， 其功能对于数据传输起到决定性的作用。 同时系统中的故障也总能影响 总线的状态。 因此如果采用适当的检测程序， 对这类系统的检测可在相当 程度上简化 为对总线状态的检测。 总线测试主要检测总线上的元器件是否有足够的驱动能力使得 信号顺利地从总线的一端传输到另外一端。 p c b 检测中， 多数情况下采用上述的检测方法。 但近年来由于电子技术的飞速发 展和p c b 生产工艺水平的提高， p c b 上的元器件越来越密集， 尤其是s m t 技术的出现， 给传统的自 动检测带来困 难， 从而出现了一些新兴的检测方法， 如边界扫描测试、 红 外热像测试等。 1 .2国内 外研究现状 在国外， p c b 自 动检测技术的 研究工作已 经有较长的历史， 尤其是在欧美发达的 国家， 许多从事该行业的公司开发了各式各样的p c b 自 动检测系统， 使他们国家绝大 部分的电子产品都要严格经过p c b 自 动检测系统的检测，从而不仅降低了生产成本， 也保证了产品的可靠性和质量， 同时产品的生产效率也得到了很大提高。 而国内p c b 自 动检测技术的研究工作起步较晚， 一些大的厂家往往在引进国外先进技术的同时花 费昂贵的代价购买相应的自 动检测系统， 一些中小企业苦于国外p c b自 动检测系统的 昂贵价格， 绝大部分的产品都没有经过p c b 自 动检测系统的检测， 仅通过简单的人工 测试， 从而生产率低下， 生产成本较高， 产品的可靠性和质量得不到保证， 阻碍了 产 品的出口，影响企业的效益。 目前，国内企业界也己经认识到p c b自 动检测系统所具有的重要性。 p c b自 动检 测 技 术己 经由 认 识阶 段过渡到 研究与 应用 阶 段一 另外， p c b 自 动检测技术的 研究还有以 下几个方面: ( 1) 引入专家系统( e x p ert sy st em) ， 增 加 p c b 自 动 检 测 系 统 的 智 能 性 tel 。 测 试 设 计 工 程 师 通 过 知 识 系 统 获 取 知 识 ， 建立包括被测系统( u u t ) 的连接、 功能 模块的描述、 可替换模块的故障先验概率、 被 测系统的显示图 案( 逻辑框图 等) 等内 容的 知识库， 从而使系统能 够根据实际中 有关测 试结果， 通过知识库定位故障 源。 ( 2) 针 对 p c b 的 新 特点， 研究 红 外热像 测试 ( in fra-red t h erm al lma gi n g t es ti n g) 、 边缘扫 描测 试 (bs t b o un d a r y . s c ant e st in g) 等新的 测试 方法。 红外热像测试通过对 p c b 进行红外摄像， 寻找 温度有显著差异( 与无故障器件 或 p c b 相比 较) 的 元 件来 定 位故 障的 位 置 7， 。 边 缘 扫 描 测 试 通 过 在芯 片引 脚 和 芯 片内 部逻辑电 路之间增加边缘扫描单元， 各边缘扫描单元连接成串 行扫描链， 通过串 行扫 2 南京理t大学硕 l 学位论文 p c b板自动检测系统的设计与 实现 描 方 式 设 定 和 读 取 芯片 的 引 脚 状 态， 实 现 对电 路 板的 测 试 和 诊断 习 。 ( 3) 针 对电 路 故 障 诊断， 研究基于信息论、 对分法等的 测点 优化的算法1， 。 前者通过计算各测试点对故 障源所提供的信息量的大小来选择下一步的最优测试点; 后者根据各测试点提供的信 息能否 将可疑故障点集a 划分为两个点数相等的点 集 a l 和az，从而来选择下一步的 最优测试点。其中 a i 、az分别为所选择测点可达点集和不可达点集。 在p c b 自 动检测系统的开发方面， 国外的厂家都是将其设计目 标定位于“ 通用型” 和“ 傻瓜化” 操作方式的指导思想， 开发了诸多的标准检测系统， 为此试图将所有常 见型号的元器件全部录入到检测系统的数据库中， 其中包括各种模拟元器件、 数字元 器件、 存储器、 甚至微处理器的检测数据和方法。 这样在检测时只要输入元器件的型 号， 系统就能够自 动生成对该器件的检测程序并进行测试。 这类检测系统对测试工程 师的水平要求不高， 用户只要按照说明书的介绍 ( 或短期培训) ， 就可很快地掌握其 编程方法，如h p 公司的3 06x 、 a gil e n t 公司的3 0 70、 g e n r a d 公司的2 2 8 41和f ai 卜 c hi ld 公司的 2 0 7 x 系列等. 但是这些系统价格昂贵，多在十几万、几十万美元以上， 难以为中小企业所接受。 而且这种“ 大而全” 的设计思想， 开发工作需要耗费极大的 人力、 物力和时间， 造成他们难以“ 与时 俱进” 间 。 因 此很多厂家不愿意采用这类标 准测试系统， 而是自 行开发或委托开发一些专用的检测系统。 这样的专用检测系统很 适用、使用效率也较高. i j选题背景 近年来， 汽车电子作为p c b板的热门 领域得到了高速的发展。国内的电子企业 重点营收对象中， 汽车用p c b板占据了重要位置。目 前汽车有四部分对p c b板的需 求非常热，一是电控部分，二是 a b s ， 三是汽车多媒体，四是电子钥匙。 全球许多 著名汽车电子厂商 ( 像 vie s t o n 、m。 协 r o l a等)都把自己的汽车电子产品拿到中国生 产 或请有实 力的 厂 家做 代工tl ” 。 汽车 用p c b板，由 于 其道路条 件、 气候条 件的 不 确 定性等特点， 其可靠性要求比一般的电子产品更为苛刻。 这就要求工厂不仅要在生产 过程中对每一道工序进行严格的质量把关， 争取做到精益求精， 而且必须在生产后出 厂前对产品 进行全方位的检测， 保证出 厂的成品 都具有良 好的 质量。 本课题就是受苏 州某公司的委托， 根据其公司代工的汽车多媒体p c b板， 研制专用的自 动检测系统， 要求实现其p c b板上按键、 led灯、供电电源耗电流、 encod er等项目的自 动检测， 并能够使系统具有一定的自诊断功能. 1 .4 本 文 工 作内 容 简 介 本人在前期研究的基础上，设计了 p c b 板自 动检测系统，主要完成了以下工作: 南京理t大学硕 1 : 学位论文 p c b 板自 动检测系统的设计与 实现 1 .p c b 板自 动检测系统的总体设计 2 .p c b 板检测电 路的设计 3 .基于is a 总线的电流测量卡的研制 4 .在win d o w s z 0 0 0 平台 下为自 制板卡开发设备驱动程序 5 .编制了运行于p c 机上的检测软件 南京理t大学硕 t: 学位论文 pcb板自 动检测系统的设计与 实现 2总体方案设计 2 ip c b 检测系统概述 p c b检测系统主要包括硬件设备和检测软件两大部分， 硬件设备部分一般由主 控制器、 激励源、 信号采集器、 开关网络、 通用总线、 连接装置以及定位设备等组成， 检测软件部分由 操作系统、 程序设计语言、自 动检测程序、 硬件驱动程序等组成。 从 p c b检测的发展现状可知，高性能计算机、程控激励源、程控测量仪器和程控电 子 开关的自 动化程度己 经很高。 通用测试总线的发展也很快， 国际上已经形成了不少测 试总线标准， 其各方面性能得到迅速提高。在检测软件上，基于 windo w s 的叭su al b a s i c 、 vis u a l c + + 、 l abv i e w、 l abwin d o w s 了 c v i 、 h p v e e以及特定的c a 五 / c a d软 件和一些专用软件工具， 为自 动检测程序的开发 提供了 强有力的支持 旧 。 总之， 技术 的发展已 经为p c b自 动检测提供了必要的物质基础。 2. 2总体设计思路 整个检测系统的由工业控制计算机、 显示器、鼠标键盘、 条形码扫描器和主检测 仪组成。整个系统的结构如图2. 2 . 1 所示: 工业控 制 计 算 机 条形码 扫描器 耗电流测量卡主控制卡 检测数据传回气 缸控制、 l e d 点 亮 被 测pcb板 图2 么1系统总体结构图 工业控制计算机通过其 is a插槽中的主控制卡实现对主检测仪的控制与数据的 通信。 检测系统主要使用气动技术对整个机械部分进行控制， 为了实现对按键的 检测， 主检测仪在被测p c b板2 8 个按键上方对应安置了28个气缸，主控制卡控制气缸逐 一敲打28个按键，并把检测数据传回计算机，实现对按键的检测;主控制卡控制20 个l e d灯点 亮， 检测电路检测后并把l e d检测结果传回给计算机，实现l e d的 检 南京理t大学硕士学位论文p c b 板自 动检测系统的设计与 实现 3故障诊断 故障诊断模块主要对自 动检测系统的一些常见故障实施诊断， 以在发生故障时提 示操作人员进行检修。 4 . 数据库 数据库用于对检测过的p c b板进行综合管理，以便工厂在日后需要统计、查询 时使用。 2. 4检测系统主要配置 硬件部分: 工业控制计算机、码捷条形码扫描器、主控制卡、电流测量卡等。 软件部分: win dow s 2 0 o o 操作系统，will d r iv er， mi cros o ftvis u a 1 c + + ， mi c ro s o ftacc e s s ， l abv ie w7 .o e x p r e s s ，l abs q l等。 南京理工大学硕七 学位论文p c b板自 动检测系统的设计与 实 现 3p c b 板检测电 路设计 根据公司的要求，为了实现对 p c b板上的按键开路、按键短路、led功能和 e nc eder功能 ( 包括e n c o d er开路、短路、 顺时针和逆时针旋转)以及p c b板供电电 源耗电 流的自 动检测， 就需要设计相应的硬件电 路来判断其好坏， 对其进行检测. 本 章主要介绍了按键功能中的气缸驱动电路、 l e d功能检测电路、 e n c o d er功能检测电 路的设计原理，关于p c b板耗电流的检测， 将在第四章详细讲解。 3. 1气缸驱动电路的设计 按键短路功能是指当p c b板上按键按下时， 按键是否导通。 为了实现对p c b 板 上2 8 个按键的短路功能进行检测， 就必须按键。 本系统采用的是在28个按键上方对 应分布2 8 个气缸， 通过气缸的敲击来实现按键。气缸驱动电路就是用来控制气缸的 运动来实现按键短路功能的检测。图3 . 卜 1 为气缸驱动电 路的原理图。 .-.一 砚j 期 +s v 一 s v 继电器线圈 图3. 1. 1气缸驱动电路原理 如 图3 . 1 . 1 所 示， 当d o 端 发 送 数 据 0时 ， a 点 为 低电 平， 则b 点 与a 点 之间 形成电压差， 继电器线圈通电， 开关5 处于闭合状态， 从而电磁阀线圈也通电， 使得 气缸处于进气状态，开始工作，敲打对应的按键，使相应的按键短路:当d o 发送数 据 “ 1 ”时， a点为高电平， b点与a点之间没有电压差，继电器线圈不通电，开关 5 处于断开状态，电磁阀线圈不通电， 气缸排气， 恢复原位， 对应的按键则回到最初 的 开 路 状态【1.1 . 综上 所述， 只要 通过向d o 端发 送数 据“ 0 ” 、 “ 1 ” 就 可以 控制 气缸敲 打按键来实现按键短路。 1 2l e d功能检测电 路的设计 在被检测的p c b板上分布着2 0 个led灯， 在检测过程中通过主控制卡将20个 l e d灯全部点亮。本系统需要检测led是否良品， 有一个l e d不亮将导致p c b板 南京理丁大学硕 ， : 学位论文 pcb板自 动检测系统的设计与 实现 c 以信号保持不变 顺时针旋转时的 c w 逆时针旋转时的姗 反向后的c c w 信号 匕 匕 l es 习 图 3 .3 .3c w和c c w信号图 顺时针旋转e nco d er时，经过整形的c c w计数信号接电容c l ，由r l 和c l 组 成的电路提取信号的上升沿， 如图3. 3. 4 所示， c c w计数信号的上升沿出现时， 顺时 针旋转产生的 c w 辨相信号处于高电予，则相与后产生上升沿的脉冲信号，形成计 数脉冲，则计数器会有溢出信号;当 逆时针旋转e n c o d er时， 将整形后的c c w信号 的反向， 则其上升沿出现在逆社时针旋转的c w信号的高电平中， 同理， 计数器也会 产生溢出 信号。 这样， 还可以做到顺时针旋转和逆时针旋转互不干扰。 因为， 当顺时 针旋转时， 反向的c c w信号出现在顺时针旋转c w信号的低电平中， 所以， 只会有 一个计数器溢出;同样， 逆时针旋转时也只会有一个计数器溢出， 所以它们之间互不 干扰。 南京理t人学硕 卡 学位论文 p c b板自 动检测系统的设 计 j 实现 4电流测量卡设计 p c b板的耗电流过大或过小都是p 己 b故障的暗示， 如线路的问题或l e d灯故障 都可能会影响到耗电流的大小， 所以对其进行检测是很有必要的。 市场上出 售的数字 万用表都需要用人眼来观看和手动调节，效率不高，不符合自 动检测的要求， n l 公 司生产有基于p c i 总线的5 位半数字万用表卡， 精度高、 功能全， 使用方便， 但价格 昂贵， 如采用此卡将大大提高系统的成本， 另一方面本系统中只需使用电流测量功能， 采用此卡将造成功能上的浪费。 所以， 为了既能实现检测的自 动化， 又降低成本， 本 论文设计了基于isa总线的电流测量卡来实现耗电流的测量。 4. 1基本原理 在一定情况下，可以把检测系统中的isa主控制卡和被检测的p c b板当做负载 来看待，供电电源为3 3 v 。在这里，把is a主控制卡称为负载 1 ，把被检测p c b板 称为负载2 。当电路中没有接负载2 时尸 其原理简化为如图4 1 1 所示。记此时回路 中的电流为1 : 。 图4 . l l 只有负 载1 的情况 当电路中接有负载2 时，原理图 如图4 1 .2 所示。记此时回路中的总电 流为k 。 因为电源电压不变，仍然为3 一3 v ，所以isa主控制卡上的电流1 ， 为恒定值，则被测 p c b 板 的 耗 电 流 为11 一 卜 。 即 测出 了11 和h 就 能 够 计 算出p cb板 的 耗电 流 值. 图4 . 1 2有两个负载的情况 南京理t大学硕士学位论文 p c b板自动检测系统的设计与实现 4. 2测量方法的选择 本系统中 耗电流检测的原理电 路图 见图4. 2 所示， 将一无感精密 取样电阻与负载 串联接入供电回路中，耗电流在取样电阻上将产生压降，测量该压降即可测出电流。 此法由 于取样电阻的压降会降低负载实际的供电电压， 因此应使用低值电阻， 这里采 用1 0的取样电阻，此时所测取样电阻压降即等于被检测耗电流。 图4 了测量电流原理 4. 3电流测量系统的组成 测量系统的整体结构如图4. 3 所示，硬件部分分为计算机和is a 总线板卡两部分， is a 板卡一方面作为功能电路，主要实现信号的采集、 放大与模数转换:另一方面作 为计算机的f o 接口设备，负责与计算机总线通信，收发数据信号与控制信号。 i s a _ . _ _ . _ _ 片1计算机 心卜 线 月_ 接尸 驱 动 操 作 1 日 巨 呈 序 丛 性 ad转换 前置电路 被测量 图4 3测量系统结构图 4. 4前置放大电路 由 于需 要 测量的耗电 流较小 ( 约为 4 n 1 a ) ， 转 换成 精密电 阻 上的 压降 则为 4 m v ， 而 后续的 刀d 转换的 满量程为 z v ， 4mv 对于满量程z v 而言太小， 所以 需要对微弱的电 压信号进行放大. 放大电 路处于系统的最前 端， 是重点也是难点， 整个测量系统性能 优劣在很大程度上取决于对这部分的处理是否合理， 本系统选用a d 6 20对电 压信号 进 l 4 南京理工人学硕 1 : 学位论文p c b板自 动检测系 统的设计与 实现 行放大，为了限流和安全起见，在输入线路上装有保险丝。 a d 6 2 o 是一种只用一个外部电 阻就能设置放大倍数为1 10 00的 低功耗、高精度 仪表放大器. 它体积小， 为8 管脚的 s 0 ic或d 护 封装; 供电电 源范围为 士 2. 3 v 一 划s v ; 最大供电电 流仅为1 .3 m a 。 a d 62。 具 有很好的 直流特性和交流 特 性， 它的 最 大输入失调电 压为 50四， 最大 输入失调电 压漂移为1 衅/ ， 最大输入偏置电 流为 2 .加a 。 于10时， 其共模抑制比 大 于 93 d b 。 在i k-hz 处 输入电 压噪 声 为g nv/ 拍三 ， 在 0 1 h z 一1 0hz 范 围 内 输入电 压 噪 声 的 峰 一峰 值 为 0.2 8 四 ， 输 入 电 流 噪 声 为 住 卜 刀 俪心 g= 1 时 它 的 增 益 带 宽 为 1 2 0khz ， 建 立 时 raj 为 1 5 ; 5 “ ， . 总的来看，选用a d 6 2 o 可归结为如下几个原因: i a d 6 2 o 能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声 等性能指标。 z a d 6 2 o 只用一个外部电阻就能设置放大倍数1 100 00 3 体积小，只有8 个引脚. 4 低功耗，最大供电电流为1 .3 n 七 a o 在本系统中， 放大倍数定为1 0 0 倍， a d 6 2 0 的内部增益电阻己 被精确定为2 4 . 7 价， 只 需 设 置 rg就能 使运放 增益确定， 下 式为 rg取值的 计 算公式， g 表示 增益。 rg = 49.4 k 0/( g一 1)(4 1) 通 过 上 式 可以 很 容 易 算出 ， 当 增 益 为 1 00时 ， rg的 取 值 为 4 99 几 放 大电 路 原 理 如 图4. 4 所示。 图4. 4放大电路原理图 南京理t大学硕 l 学位论文p c b板自 动检测系统的设计与 实现 4. sa/d转换电路 a 了 d 转换部分是整个电流测量卡最重要的部分， 而a 了 d 转换器又是这部分的核心， 所有的设计工作都需要围绕这部分展开。本系统选用了 h l 一 7 159 一一带微处理器的 单 片51 /2 位a / d 转换器。 4 5 ih i 一 7 1 5 9 的主要特点匆 ， hl一 7159是美国hite r s i l 公司生产的带微处理器接口的51 /2位a / d转换芯片， 其 原理框图如图4. 5 . 1 所示。 其内部结构包括缓冲器、 积分器、比较器、 模拟开关、 控制选择与寄存器、 模拟 中央机、总线接口 单元、通用异步接受发送器、 f o接口 等:外部元件主要有积分电 容、积分电阻等等。 该芯片有以下特点: 1 .高精度( 最大0 .003 5 % ) ，高 分辨率( 1 0 p v ) . 2 .转换模式灵活。 分别可以以 5 1 /2 方式 ( 巧次 / 秒) 和41 泛 方式 ( 60次 / 秒) 转换， 并且可以以 补偿模式、 非补 偿模式、 仅测量误差模式3 种方式转换. 3 .具有两个串行接口和一个并行接口，很容易同微型计算机相连。 4 集成度高， 外围电路简单。 其基本的外围电路配置只需要: 时钟、 积分电容 积分电阻、基准电容、基准电压源。 5 .利用巧v 双电 源供电， 低功耗。 在本系统中， 为提高转换精度， 选用51/2 位模式， 转换方式为单次补偿转换方式， 接口 采用的是并行方式与微机的isa 总线相连。 aon d ? v ee 户 vc c 积分器 比较器 控制选择 与 寄存器 一 。 万 乍 一丝一业-rd 接口单元 一91 缓冲器 v r 无 f 柑 vr e fi d vi 刊川 v俐 l o 通用异步 接受发送器 模 拟 开关模拟中央机 图4 5 . ih i 一 7 1 5 9 原理图 南京理工大学硕士 学位论文p c b 板自 动检测系统的设计与 实现 4. 5. 2数据读取的方式 hi一 7 1 5 9 有三种通讯方式: 并行、 串 行1 、串 行2 . 在本系统中 采用的是并行方式， 该方式允许直接挂微处理器总线。 并行方式操作时，需将28脚s e l( 串行、并行选择端口)置为高电平。 此时18 2 5 脚作为8 位二进制数据位d o d 7 ，15，16，17脚依次为读、写和片选。 这里需要说明的是转换结果的 读取问 题。 hi一 7 1 5 9 转换结果为b c d 码， 而数据总 线只有8 位， 所以 转换结果需要分多次读取， 这就需要通过外部处理器给h l 一 7 1 5 9 发 送 命令字和请求字来实现。 h l 一 7 1 5 9 的命令字格式如表4 . 5 . 1 所示: 表4 5.i h i 一 7 1 59命令字格式 保留位连续性分辨率 转换方式命令位 d7d6d5d4 d3d2dl1 0 000 创 单次) 1 ( 连续 ) 1( 5 1 瓜 位)1 ( 补 偿) l0 0( 5 1 几 位)1 ( 非补 偿) 0 0( 测误差) l 在表4 乃 . 1 中， d o 闭表示命令字， 命令字用来规定转换的方式和启动a 江 转换. 本 系统中， 采用的是51 瓜 位模式， 转换方式为单次、 补偿转换， 所以处理器发送给hi一 7 15 9 的命令字为ox0e。 发送命令字启动转换后， 需要发送请求字来查询转换是否完成。 h l 一 7159的 请求 字格式如表4 5.2 所示: 表4 j zh i 一 7 1 59请求字格式 保留位请求模式保留位请求位 d7d6d5d4 户 d 3d2dld0 0000数据位 0 ，1 0001 数据位 2 ，3 0l 数据位 4 ， 5 10 转换状态 l! 在上表中， d o 司表示位请求字， 除 d 3 ， d z ， d o 外， 其余几位均应置0 。 发送o x0d 请求查看转换是否完成， 读取状态字， 若d 6=1 表示转换完成，可以 继续发送请求字 读取 数据 位， 若 d 6 旬， 则 应继续查 询 等待转 换完 成。 在单次 转换方式 下的 读数 过 程如 图4. 5 2 所示。 l 7 南京 理t大学硕 卜 学位论文p c b板自动检侧系统的设计与实现 图 4 东 2单次转换方式的读数过 程 在对转换结果读取时， 一个字节包含了两个半字节的b c d 码， 其详细的数据格式 限于篇幅在此不做详细介绍， 这里仅需要说明的是， 在对最后两位数据 ( 第4 位， 第5 位)读取时，由于第5 位 ( 十万位) 数据只有 “ 半位”，也就是只有0 和1 两种结果， 此时第5 位数据只占了半个字节中的两位，其它的两位分别为极性和是否超量程。具 体如表4 5* 3 所示。 表 4. 东 3 第 4 ， 5 位数 据字的 格式 d7d6d5d4d3d2dl d0 极性? 1 表示正 超量程? 1 表示超 晕程 m s bsl s bs ，ms b4 l s b4 4. 乐 3利用锁相技术提高习d转换器抗干扰能力 在测量系统中，串 模工频于扰是主要干扰源之一。 对于 积分式a / d 转换器来说， 当其定时积分的时间为工频周期的整数倍时， 电网的串 模干扰理论上可以被完全 抑制 l 3 南京理t大学硕 卜 学位论文p c b板自 动检侧系统的设计与 实现 掉。 然而电网频率并非定值， 总在5 0hz 附 近波动， 变化量可达士 2 % 士 3 % ， 对应于 49h z 51 hz，甚至为48.5 出sl5 hz。 显然，电网 频率的 任何变化都将破坏上述整 倍数关系，从而采样积分电 压中 含有工频信号的积分电压成分，引起了 测量误差侧. 采用锁相倍频跟踪技术可使时钟频率与电网频率严格保持同步， 就能显著提高系 统抗串 模千扰的能力。 实现这一思路的电路原理框图如图4. 5 3 所示。 在锁相环的反馈 回路中插入一n 分频电路，形成闭环，工频信号经整形后得到工频方波，方波信号由 锁相倍频电路倍频n 倍作为刀0 转换的时钟信号， 这样可以 抑制工频信号波动的影响。 改变n 值即可改变电路的输出频率。 工频信号向 图 4. 5 3锁相频率跟踪抑制工频干扰原理 目 前己 经有许多种集成锁相环， 本系统在设计中 选用了 c d 4 046 。 由于c d 4 o 46十 分常用，所以其引脚功能就不加介绍了，锁相倍频电路原理如图 4 5 4 所示. 图 4. 悦 4锁相时钟电 路 从电源变压器的次级引出 工频信号， 首先由高速运放a l 组成的同 相放大器将工 频 信 号 进 行 初 步 调 整 ， 这 里 闭 环 增 益 为 切 阅 倍 ， 目 的 是 放 大 过 零 点 附 近 的 工 频 信 号 ， 提高 后级比 较器的鉴零灵敏度， 使同步精确度提高。比 较器 az为第二级整形电路， 当 输入 信号为 正过零时，比 较器 输出由“ 低” 变“ 高” ;当 输入信号由 负过零 时，比 较器 输出由“ 高” 变 “ 低” ， 从而将工频信号整形 成同步的单相方波，最后经与门电 1 9 南京理t大 学硕士 学位论文p c b板自 动检测系统的设计与 实现 路输出与工频干扰完全同 步的 信号， 各点波形如图 4. 5. 5 。 整形后的工频信号加至 c d 40 4 6 的 信 号 输 入 端 ain， 作 为 输 入 信 夸 。 锁 相 环 的 低 通 滤 波 器 由 r l 、 rz 、 c l 组 成 ， c z 是振荡电 容。 锁相环的输出 频率经过1 以 刃 0 分频作为比 较信号， 接c d 4 o 4 6 的比 较信 号输入端 b in， 并与电网频率进行比 较。 锁相环的 输出 频率， 即 hl一 7 1 59所需的 锁相时 钟频率。 可以 得出 h 卜 7 巧 9 的时 钟频率 妇 ock为: fc1 0 c k = 1 0000巧oh产s o o k h z(4 2 ) 当电网频率为5 明2 时，翻 二 k 为s ook h z 。若电网频率上升到slhz，则翻 ock相应的 变成slo khz . 依次类推， 无论电网频率如何波动， 锁相时钟频率总与之保持1 0 000 倍 关系不变，有效的抑制了千扰。 下频信号 放大椎形 比较器输出 图 4. 5 万同步电 路波形图 4. 5. 4芯片外围电 路的设计 1 .c 二 f 的保护坏设计 南京理t大学硕1: 学位论文p c b板自 动检测系统的设计与 实现 h l- 715 9 在转换过程中需要根据输入电压v 、 的极性，将基准电容c 旺 f 的负端或正 端接模拟地舫n d ， 以保证反向积分的正常进行。 但是， 印制电路板导线间的分布电容 以及印制电 路板上的轻微漏电， 均会造成c 。上的电荷损失，引起转换误差。为此， 在 hl 一7 ， 5 9 芯 片 上 专 设 有 两 个 保 护 环 引 出 纬 ， 它 们 分 别 是 c “十 guard(8 脚 )和 c “ - c u a r d ( 5 脚) ， 分别用以 保护c 。 +(7 脚) 和c 。书脚) 。 每个保护环的引出 端与各自 要 保护的 2 管脚之间实现电气隔离。因此，只要c 昨 ， 十 和c 二 f 一 引脚与基准电容的引线被 保护环包围， 就不会有电荷损失。 保护环的设计有两种方案: 对称式和非对称式， 本 系统采用了 对称式，如图 4. 5 .6 所示. 图 4. 5 石对称式保护环 2 ，外围元件的选择 h 卜 7 1 5 9 的关键外围元件是积分电容c 阶，积分电阻r 州 t ， 基准电容c 旺 ， . 它们在 不同的时钟频率下的典型值见表 4 反4 。 表 4 5.4外围元件的典型值 加倪kr】 n tcl刊 1 c眨f 2 4mh z 3 0k n 01 0 两1 ，0 峪 1 2mhz 2 7k 9 0. 22吓2. 2 吓 6 刃 k hz2 5k q 0. 4 7 吓4 ，7 林 f 基准电容的计算公式如下: ( 4 3 ) .2.5一fcto ，喻 在 本系 统中， 喊二 5 o o k h z ， 按 上 式c 。二 z j /5xl护= 5 吓， 可 取 4. 7 吓。 积分电阻的阻值由 最大积分电 流1 ， t 和积分器最大输出电压摆幅v 俐 t 来确定。 最 大积分电 流1 ，和电压摆幅v 阶发生在当 v 、 = fu n sc al e = zxv 胜 ; 时。 h l 一 7 巧 9 积分电 流的 典 型值为 犯10 0 叭， 这就可以 通过 下式来决定 际t 的 取值: r ， = 夺 (4.4 ) 南京理t大学硕f: 学位论文p c b板自 动检测系统的设计与实现 式 4. 4 中，珠 = 蛛。 一 珠。二 z x v r 仔。 当v 。二1 .o v ，通过上式可以计算出r 侧 1 二204 0 k q 。在本测量系统中取30k o。 对于任何积分式a 心转换器来说， 最重要的器件莫过于积分电 容c 阶。 c 俐 了 应尽 量接近于理想电 容器， 否则它本身的漏电将引起非线性误差。 这里c ，的容量取推荐 值0. 4 7 两。 在电 流测量卡中， h l . 7 1 59的外围电路如图 4. 5 7 所示: mc14 0 3 是能隙基准电压源， 可 产生 2 石 v 高 稳定 度的电 压图， 在经过电 位 器 rp分 压 后， 得到 基准电 压 v rf f = l o v ， 户 c l 是消 噪电 容。 h i 一 7 15 9 采用 士 s v 双电 源供电 ， 模拟地 ( a 。 洲 的 与 数字 地 ( 氏回可以 短 接 成等电位。 +生 v加 夕梦 u3mc1 4 0 】 一 加。 盯 仁j 下遥盛曰 】 0 k4 脸甲 -繁递 cz月 . 4了 到黑: c r 已 f + c r 吐+c u a且 d 脚 伪呱劝 毅 士 瓷器 二.器 图 4 s.7 h i-71 5 9 外围电路 4 ，i s a总线接口电路 4 。 6 . ii s a总线 is a 总线是在ibmp c 总线的基础上发展起来的， 田m 公司在pc总线的基础上增 加了 一个36引脚的a t 扩展槽而形成 a t 总线。 在ibmp c / a t 及其兼容机的机箱中， 通 常在母板上分别设置几个a t 插槽和pc插槽， 这种结构人们称为ibm公司的is a 结构 ( 即 工业 标准结构 ) 。 这种 ib mp c l a t 总 线 称为 is a 总 线2 叮 。 ls a 总线共有%个信号引脚， 在设计中主要使用了 地址线、 数据线、 v c 。 、 c n d 、 写控制信号等。 1 / 0端口 地址译码电路的设计 当微处理器执行输入或输出 指令时， 就进入 0 端口 读或写周期，首先是端口 地 2 2 南京理丁大学硕 1: 学位论文p c b板自动检测系统的设计与 实现 址 有 效 ， 然 后 是 拍读 或 写 信 号( 正 反或1 石 而) 有 效 ， 由 地 址 译 码 产 生 端口 选 择 信 号 ， 由 端口 选 择 信号 与 j 丽或面而信 号 结 合 一 起 控 制 端口 读 或 写. 在译 码电 路 之 前 先 论 述两个原则性问题。 1 .正确识别f o 端口 操作周期 在pc中， f o 端口 操作和d m a 操作使用相同的 地址线、 数据线和读/ 写控制信号 ( 1 石 瓦 或 1 6 访) . 区 别 这 两 种 操 作 的 信 号 是 a en， 在 d m a 操 作 周 期 时 ， a e n 有 效 为 高 电平; 而在刀 0 端口 操作时， a e n 无效为低电平。 因此在f o 端口的译码与读/ 写 控制电 路中应该使用a 五 n 信号， 只有a e n 为低电平时的读/ 写才是1 2 0 读/ 写。 方法是a e n 参与 地 址 译 码， 然 后与1 丽 或1 6 丽一 起 控 制 读 / 写 。 或 者 只 对 地址 线 进行 译 码， 而 将 a e n 与 丽或 1石 访 结 合 起 来 去 控 制 端