（信号与信息处理专业论文）电动汽车驱动电机控制电路板检测系统设计与实现.pdf

学位论文主要创新点 一、针对人工检测方法速度慢、准确度低和系统集成度低的不足，提出了 一种基于虚拟仪器技术电动汽车驱动电机控制电路板检测方案，实现 对电路板质量的检测。 二、对电路板的码盘信号采集电路、电流传感器调理电路等六个功能模块 进行工作原理分析，并根据检测要求进行了检测方法设计。利用 l a b v i e w 开发环境完成了上位机软件的设计与实现，实现了对电路板 各功能模块的检测。 摘要 电动汽车驱动电机控制电路板是驱动电机控制系统的核心部件，本文针对 该电路板的人工检测方法存在测试速度慢、测试准确度低和系统集成度低的不 足，设计了一种基于虚拟仪器技术的电动汽车驱动电机控制电路板检测系统。 硬件方面，在分析电路板测试需求的基础上，选择配置了检测系统的硬件 资源，其中包括：计算机、c a n 总线通信端口、模拟输出端口，模拟输出端口、 数字输出端口和计数器端口等。 软件方面，检测系统以电路板中继电器模块、电流传感器调理电路模块， 码盘信号采集电路模块、p w m 调制电路模块、开关电路模块和旋转变压器信 号解调模块为对象，分别对其工作原理进行分析，并完成对各模块测试方案的 设计和测试程序的开发。在界面设计中，采用简洁、友好的原则完成对人机交 互界面的设计。 以电动汽车驱动电机控制电路板为样本对检测系统的性能进行测试，测试 结果表明该检测系统能够满足电路板的检测要求。 关键词：电动汽车；驱动电机控制；电路板检测：虚拟仪器技术 a b s t r a c t t h ed r i v i n gm o t o rc o n t r o lc i r c u i tb o a r di nt h ee l e c t r i cv e h i c l ei st h ec a ) i f c o m p o n e n to ft h ed r i v i n gm o t o rc o n t r o ls y s t e m n es h o r t c o m i n g so ft h et r a d r i o n a l t e s tm e t h o d sf o rt h ed r i v i n gm o t o rc o n t r o lc i r c u i tb o a r da r et h es l o wt e s t i n gs p e e d ， t h el o wa c c u r a c yo ft h et e s t i n ga n dt h el o wi n t e g r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c y o ft h et r a d i t i o n a lt e s tm e t h o d s ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mf o rt h ed r i v i n gm o t o rc o n t r o l c i r c u i tb o a r di nt h ee l e c t r i cv e h i c l ei sd e s i g n e db yt h ev i r t u a li n s t r u m e n ti nt h i s t h e s i s i nt h ea s p e c to ft h eh a r d w a r e ，b a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h ec i r c l e b o a r d ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mh a r d w a r er e s o h l c e sa r ed e t e r m i n e d ，w h i c ha r ec o m p o s e d o ft h ec o m p u t e r , t h ec 蝌b u sc o m m u n i c a t i o np o r t s ，t h ea n a l o go u t p u tp o r t s ，t h e a n a l o go u t p u tp o r t s ，t h ed i g i t a lo u t p u tp o r t sa n dt h ec o u n t e r s i nt h ea s p e c to ft h es o f h v a r e ，t h ed e t e c t i o ns y s t e m ，t h et e s to b j e c t so ft h e d e t e c t i o ns y s t e ma r ei n c l u d i n gt h er e l a ym o d u l e , t h ec u r r e n ts e n s o rc o n d i t i o n i n g c i r c u i tm o d u l e ，t h ec o & d i s cs i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i tm o d u l e ，t h ep w mm o d u l a t i o n c i r c u i tm o d u l e ，t h e k e ys w i t c hm o d u l ea n dt h er o t a r yt r a n s f o r m e rs i g n a l d e m o d u l a t i o nm o d u l eo nt h ec i r c u i tb o a r d n et e s ts c h e m e sa n dt e s tp r o g r a m sa r e d e s i g n e df o rt h o s em o d u l e so nt h ec i r c u i tb o a r d , b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e a n a l y s i so ft h e m i nt h ei n t e r f a c ed e s i g n , t h es i m p l ea n df r i e n d l ym a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei su s e df o rd e t e c t i o ns y s t e m i no r d e rt oe v a l u a t et h ed e t e c t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e , t h ed r i v i n gm o t o r c o n t r o lc i r c u i tb o a r d sa r eu s e da st h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e m t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed e t e c t i o ns y s t e mf o r t h ed r i v i n gm o t o rc o n t r o lc i r c u i tb o a r di nt h ee l e c t r i c v e h i c l ec a nm e e tt h ef u n c t i o nt e s tr e q u i r e m e n t so f t h ec i r c l eb o a r d k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；d r i v i n gm o t o rc o n t r o l ；c i r c l eb o a r dt e s t ；v i r t u a l i n s t r u m e n t s 目录 第一章绪论l 1 1 课题的目的和意义”1 1 2 国内外发展现状1 1 2 1 电路板测试技术的分类2 1 2 2 电路板检测系统的发展2 1 3 本文的主要研究内容”4 第二章检测系统总体方案设计“5 2 1 检测系统性能需求分析5 2 2 检测系统总体方案设计7 2 2 1 检测系统设计要求8 2 2 2 检测系统设计原理8 2 2 3 检测系统结构设计一9 2 3 本章小结l o 第三章检测系统硬件设计1l 3 1 开发平台选型与配置l l 3 1 1 硬件资源需求分析”1l 3 1 2 检测系统硬件选型“1 3 3 2 检测系统硬件设计m l8 3 2 1 电流传感器调理电路模块接口电路设计1 8 3 2 2 码盘信号采集电路模块接口电路设计“1 9 3 2 3p w m 调制电路模块接口电路设计2 0 3 2 a 开关电路模块接口电路设计2 l 3 2 5 旋转变压器信号解调电路模块接口电路设计2 2 3 2 6 继电器模块接口电路设计”2 3 3 3 本章小结2 5 第四章检测系统上位机软件设计- 2 7 4 1 电路板下位机测试程序工作原理2 7 4 2 检测系统软件结构图2 8 4 3 软件开发环境的选择2 9 4 4 系统功能测试软件设计2 9 4 4 1c a n 通信软件设计- 2 9 4 4 2 电流传感器调理电路模块软件设计3 6 4 4 - 3 码盘信号采集电路模块软件设计3 9 4 4 4p w m 调制电路模块软件设计4 2 4 4 5 开关电路模块软件设计”4 5 4 4 6 旋转变压器信号解调电路模块软件设计4 7 4 4 7 继电器模块软件设计“5 l 4 5 人机交换界面设计5 3 4 6 本章小结5 4 第五章检测系统调试与验证5 5 5 1 验证与调试的准备工作”5 5 5 2 检测系统验证与调试5 5 5 2 1 电流传感器模块测试5 6 5 2 2 码盘信号采集电路模块测试5 7 5 2 3p w m 调制电路模块测试5 8 5 2 4 开关电路模块测试6 0 5 2 5 旋转变压器信号解调电路模块测试”：”6 l 5 2 6 继电器模块测试6 3 5 3 本章小结- 6 5 第六章总结与展望6 7 6 1 总结6 7 6 2 展望6 7 参考文献6 9 硕士期间发表论文和参加科研情况7 3 致谢”7 5 附录a 检测系统调试现场7 7 附录b 检测系统硬件平台图7 8 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 在“低碳力和“能源阎题”成为世界热点话题的背景下，随着国家政策、 财政支持及技术发展，新能源汽车产业化格局正逐渐形成f 1 2 1 。驱动电机控制系 统作为电动汽车的关键零部件，对其性能和可靠性的要求不断提高，选择合适 的检测系统准确、高效地检测电机控制电路的质量，已经成为电动汽车领域关 注的一个新热点。 电动汽车驱动电机控制电路板是驱动电机控制系统中必不可少的组成部 分，其各功能是否正常直接影响整个系统的性能。对电动汽车驱动电机控制电 路板的测试能够保证驱动电机控制系统质量，缩短系统的生产周期【3 ，4 】。本课题 为天津清源电动汽车有限公司承担的国家“8 6 3 项目“纯电动一混合动力车用 驱动电机系统研发”中的子课题，项目编号为2 0 0 6 a a l i a l 7 4 。 目前，由于没有专门针对电动汽车驱动电机控制电路板的检测系统，检测 过程主要依靠手动的方式完成，该检测方法存在如下不足： ( 1 ) 测试效率低。手动测试需要操作人员同时操作多台仪器设备，检测步骤 复杂，测试时间长，无法满足批量生产的需求。 ( 2 ) 测试准确度低。手动测试的检测结果是由操作人员完成读取，引入人为 误差，导致测试结果准确度低 ( 3 ) 手动检测系统集成度低。手动检测系统是由电源、信号发生器、数字示 波器等独立设备组成，系统功耗高、搭建不便。 为了克服手动测试的不足，需要开发一种新型的电动汽车驱动电机控制电 路板检测系统，满足该电路板批量生产的检测需求。 1 2 国内外发展现状 本文从电路板测试技术、电路板检测系统的发展两方面介绍本课题的发展 状况。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 1 电路板测试技术的分类 按照电路板生产过程的不同阶段，电路板测试方法可以分为以下三种：裸 板测试( n a k e dp c bt e s t ) 、路内测试o n c i r c u i tt e s t ) 、功能测试( f u n c t i o n a lt e s t ) 【5 】。 ( 1 ) 裸板测试 电路板制作完成后，首先对电路板进行裸板测试，即检测电路板中是否存 在线路短路或断路的故障。正确的电路板走线是电路板正常工作的保证【6 】。裸 板测试是电路板生产过程的第一道测试工序【n 。 ( 2 ) 路内测试 电路板器件焊接完成后，应对电路板进行路内测试。路内测试是针对电路 板中元器件错插或漏插，以及元器件焊接点虚焊或漏焊的检测【8 】。路内测试是 通常在被测电路中设置测试端点，将激励信号加载到测试端点上，通过检测输 出响应信号获得电路内部的故障信息。对于无源元器件的检测，主要采用检测 方法为恒流源法和恒压源法 9 1 。在检测结果受其他测试器件影响的情况下，通 常采用隔离法对电路板进行测试【l o 】。在电路板制作过程中，路内测试有利于提 早发现电路板中存在的错误。 ( 3 ) 功能测试 电路板的功能测试主要目的是判断电路板能否实现既定功能 1 q 。在被测电 路板正常工作状态下，向被测电路板输入激励信号，如正弦信号、交流信号或 一定频率的随机信号等，通过对输出端口响应信号的采集和分析，判断电路板 相应功能是否正常【1 2 】。在一块电路板中集成多个控制芯片的情况下，还需要对 连接芯片的总线进行测试。根据总线自身的物理特性，对总线的检测分别从硬 件和功能两方面进行测试，总线硬件测试是完成对总线电气特性的检测，总线 功能测试针对总线上数据是否能正确的传输进行检测【1 3 1 。 1 2 2 电路板检测系统的发展 电路板检测系统是指在尽可能减少人为参与的前提下，仍能保证电路板检 测的质量，完成处理测试数据和输出测试结果的系鲥1 4 1 。检测系统通过预先编 译好的测试程序自动完成对电路板的测试。电路板测试技术的不断创新，推动 了电路板检测系统的不断发展。 根据检测系统间各个设备的接口技术的发展，可以将电路板检测系统划分 为三个阶段【1 5 】： ( 1 ) 电路板检测系统发展的第一阶段 电路板检测系统发展的第一阶段是针对于具体型号电路板或是具体测试 第一章绪论 任务而研制的专用检测系统【1 6 】。它减少了操作人员庞杂的重复性操作，缩短了 电路板测试时间，提高了测试速度。相比较人工测试，电路板检测系统在测试 功能和测试效率上都有显著提高，向自动测试方向迈出了第一步。 电路板检测系统在接口的标准化方面存在着明显的不足【1 7 j 首先，在检测 系统搭建的过程中，开发人员要花很大精力来解决系统中的接口问题，如系统 中各仪器问和仪器与计算机间的通信接口。其次，电路板检测系统通用性较差， 若对被测电路板进行硬件升级或是功能改变，整个检测系统需要重新设计，造 成了不必要的浪费。 ( 2 ) 电路板检测系统发展的第二阶段 随着标准接口总线技术不断成熟，解决了电路板检测系统在接口标准化方 面的不足，电路板检测系统进入了第二个阶段【1 8 】。此时，电路板检测系统以堆 积木的方式进行组建，通过标准接口总线电缆将检测系统所包含的设备连接起 来，完成对整个检测系统的搭建【1 9 1 。 电路板检测系统多是基于通用接口总线g p l b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c e b u s ) 进行搭建的【2 0 】，以通用接口总线组建的电路板检测系统存在的主要不足表 现为： 第一，通用接口总线g p i b 的最大传输速率为1 m b s 2 ，无法实现高速、 大数据吞吐量的检测系统。 第二，通用接e l 总线的带宽较窄，无法实现大量数据传输【碉。 第三，通用接口总线无法为总线上的多台仪器设备提供同步信号和触发信 县f 2 3 】 了 o ( 3 ) 电路板检测系统发展的第三阶段 2 0 世纪8 0 年代后，随着总线技术不断发展，v x i 总线和p x i 总线相继出 现 2 4 1 。以v x i 总线或p x i 总线为检测系统的通信总线的电路板检测系统应运而 生，电路板检测系统进入第三个阶段。相比较之前电路板检测系统，该阶段的 检测系统具有带宽较宽和数据吞吐量大的特点【2 5 1 。在此阶段中，电路板检测系 统的各仪器设备均是以插卡的形式出现，v x i 或p x i 总线控制机箱为各个设备 板卡提供电源和总线接口。检测系统通过软件对各个测试板卡进行操作，避免 系统中各个仪器的重复配置。目前，基于v x i 或p x i 总线，组建高速、大吞吐 量、易扩展的检测系统成为了主流方案 2 f l 。 国外在电路板检测系统的产品开发方面起步较早，检测系统采用通用型设 计理念，将诸多测试标准以及常用器件参数录入到检测系统数据库中，试图使 检测系统能够满足对同一系列中不同型号的电路板的检测【2 7 1 。检测系统操作方 便，对测试工程师的专业背景要求不高，经过培训测试工程师能够快速掌握测 第二章：检测系统总体方案设计。首先对检测系统的需求进行分析，然后 从检测系统设计要求、检测系统设计原理和检测系统结构设计三个方面对检测 系统总体的方案进行介绍。 第三章：检测系统的硬件设计。在分析检测系统硬件所需资源的基础上， 完成了检测系统的硬件平台的选型，并设计了相应测试模块的硬件接口电路。 第四章：检测系统的软件设计。首先，在分析了测试电路板下位机测试软 件的基础上，设计了电路板各模块测试方案；然后，对检测系统的开发环境进 行选择；最后，通过l a b v i e w 软件完成了电动汽车驱动电机控制电路板测试 系统上位机软件设计。 第五章：检测系统的调试与验证。使用样本电路板对检测系统的测试正确 率和检查时间进行统计，客观的对检测系统的性能进行评价。 第六章：总结与展望。对本文所作的工作进行总结，并对未来的工作方向 和着手点进行了展望。 第二章检测系统总体方案设计 第二章检测系统总体方案设计 本章首先对电动汽车驱动电机控制电路板检测系统性能需求进行分析，从 检测系统设计要求、检测系统设计原理和检测系统结构设计三个方面对检测系 统总体的方案进行介绍。 2 1 检测系统性能需求分析 电动汽车驱动电机控制电路板是驱动电机控制系统中的核心部件，其稳定 性和可靠性是整车动力系统性能的重要保证。电动汽车驱动电机控制电路板实 物图如图2 1 所示。 图2 - l 电动汽车驱动电机控制电路板实物图 电动汽车驱动电机控制电路板是由两个核心模块和六个功能模块组成，其 中，两个核心模块包括d s p 控制模块和c a n 总线模块；六个功能模块分别为 继电器模块、电流传感器调理电路模块、码盘信号采集电路模块、p w m 调制 电路模块、开关电路模块和旋转变压器信号解调电路模块，其结构框图如图2 - 2 所示。 天津工业大学硕士学位论文 电机控制系统主控制板 车- 鲁- 一i 川电 流 传 感 器 调 理 电 路 模 块 p w m 调 制 电 路 模 块 旋 转 变 压 器 信 号 解 调 电 路 模 块 功能模块 码 盘 信 号 采 集 电 路 模 块 开 关 电 路 模 块 = 一 二1 控 制 模 块 核一心 c a n 总 线 模 块 l 模块 图2 - 2 电动汽车驱动电机控制电路板的结构框图 检测系统的总体设计方案是基于检测系统需求分析基础上提出的。首先， 对电路板中需要测试的各模块的功能和测试标准进行介绍。 ( 1 ) 继电器模块： 模块功能：继电器模块为电路板中d c d c 、车载风扇、水泵和主接触 器设备的开关装置，其中继电器输出触点为常开触点，其控制端的两个引脚分 别与d s p 芯片的i o 引脚和d s p 接地引脚相连接，d s p 控制模块通过控制i o 引脚高低电平的变化实现对继电器的开关动作的控制。 检测标准：在继电器控制端接收到d s p 的i o 引脚输出高电平后，继 电器应在规定时间内( 1 5 m s ) 完成闭合动作。 ( 2 ) 电流传感器调理电路模块： 模块功能：电流传感器调理电路模块完成对外部电流传感器输出信号幅 值等比例缩放的功能，将缩放后的信号输入到d s p 芯片的a d 转换引脚中，该 模块包含三路电流传感器调理电路。外部电流传感器是监测电动机直流母线上 电流变化的装置，其输出信号为模拟量。 检测标准：电流传感器输出信号经过电流传感器调理电路模块的信号进 行a d 转换，转换后的实测值与该信号经过a d 转换后的理论值的相对误差应 在士5 范围内。 ( 3 ) 码盘信号采集电路模块： 模块功能：码盘是安装在电动机上监控电机实时转速的设备h 。码盘信 号采集电路模块是将外部码盘输出信号送到d s p 芯片i o 引脚中，根据d s p 计 算出的码盘输出信号频率，推导出电机的转速。外部码盘输出信号为两路方波， 即输出信号为a 、b 两路方波信号，两路方波信号的相位差为9 0 度。当信号a 第 ( 4 ) p w m 调制电路模块： 模块功能：p w m 调制电路模块通过输出的p w m 信号占空比的变化， 实现对电动机转速的控制【3 3 1 。p w m 调制电路模块采用互补p w m 工作模式， 输出信号为三组互补模式p w m 信号。 检测标准：p w m 调制电路模块按照指定占空比输出p w m 信号，实际 测试的p w m 信号的占空比与该信号真实占空比之间的相对误差在l 范围 内，且互补模式中的两路p w m 信号占空比之和为1 。若满足上述两个条件， 表明该模块正常。 ( 5 ) 开关电路模块： 模块功能：开关电路模块包括整车开关电路、倒车开关电路和制动踏板 开关电路。上述三个开关电路的激励信号类型为1 r l 数字信号，当上述三路开 关电路中任意开关电路输入高电平激励信号时，与该开关电路连接的d s p 引脚 置高，d s p 读取相应引脚值为“1 ；若输入激励信号为低电平时，d s p 读取对 应引脚的值为“0 ”。 检测标准：分别向整车开关电路、倒车开关电路和制动踏板开关电路中 输入1 【l 高电平，d s p 中相应开关电路引脚值为“l ；当输入信号为1 凡低 电平，d s p 中相应开关电路引脚的值为“0 。 ( 6 ) 旋转变压器信号解调电路模块： 模块功能：旋转变压器是安装在电动机上完成对电动机转子位置检测的 传感器。根据外部旋转变压器输出信号，旋转变压器信号解调电路模块计算出 电动机转子的旋转角度，并将转子角度信息送到d s p 中，实现对电动机转子位 置的检测 3 4 1 。 检测标准：根据旋转变压器输出信号，旋转变压器信号解调电路模块能 够解调出转子角度，实际解调的转子角度与真实转子角度之间的相对误差在 1 范围内。 2 2 检测系统总体方案设计 上一节中已对检测系统的性能需求进行分析，在本节将从检测系统设计要 求，检测系统设计原理和检测系统结构设计三个方面对检测系统总体方案进行 ， 大学硕士学位论文 检测系统是针对传统测试方法的不足而提 针对手动检测方式测试时间过长，无法适应批量生产检测需求的缺点。在 对检测系统设计时，应以提高检测系统的测试速度为系统设计的首要目的。简 化测试流程，降低测试过程中操作人员的工作量，从而提高检测系统的测试速 度。 ( 2 ) 测试准确度高 电动汽车驱动电机控制电路板检测系统应解决了手动测试的准确度低的 不足，通过避免手动测试中读取数据时引入人为误差，降低各个仪器之间的累 计误差，达到提高检测系统的准确度的目的。 ( 3 ) 集成度高 检测系统应具有较高的系统集成度，降低整体检测系统的功耗，便于实现 对检测系统的搭建，提高检测系统中各仪器间的兼容性。 2 2 2 检测系统设计原理 上一节中介绍了电动汽车驱动电机控制电路板的设计要求，本节中对检测 系统设计原理进行介绍。电路板测试原理分可以分为白盒测试原理和黑盒测试 原理，其中，白盒测试原理是从电路板的内部逻辑结构入手，按照一定的原则 设计测试用例，完成对电路板内部结构的测试；黑盒测试是在已知产品功能前 提下，通过测试来检测每个功能是否正常，该测试方法适合功能测试【3 5 】。电动 汽车驱动电机控制电路板系统是针对电路板的功能进行测试，因此，选用黑盒 测试原理作为检测系统设计原理。 在应用黑盒原理进行测试时，把被测对象看作一个不能打开的黑盆子，在 完全不考虑被测对象内部结构和特性的情况下，只检查被测对象是否具有预期 功能，被测对象是否能根据激励信号而产生正确的响应【3 6 1 。黑盒测试原理示意 图如图2 - 3 所示。 第二章检测系统总体方案设计 输入信号被测电路板 输出信号 图2 - 3 黑盒测试原理示意图 2 2 3 检测系统结构设计 通过分析检测系统性能需求，设计了检测系统结构如图2 - 4 所示。检测系 统分别对继电器模块、电流传感器调理电路模块，码盘信号采集电路模块、p w m 调制电路模块、开关电路模块、旋转变压器信号解调电路模块进行测试。 电动机控制系统主控制板 图2 - 4 检测系统结构图 检测系统以c a n 总线为通信媒介，实现被测电路板与检测系统之间数据 通信。电流传感器调理电路模块、码盘信号采集电路模块、开关电路模块、旋 9 天津工业大学硕士学位论文 转变压器信号解调电路模块的测试流程。首先，检测系统通过c a n 总线向电路 板中c a n 总线模块发送测试指令，该模块将接收的测试指令传送到d s p 控制 模块中，作为下位机测试程序的标志位；然后，检测系统发送对应模块激励信 号，电路板相应模块完成对激励信号的响应，并将响应结果通过c a n 发送到检 测系统中，实际测试结果与真实值比较，完成对相应测试模块进行判断。 对于p w m 调制电路模块测试流程，检测系统通过c a n 总线向被电路板 发送测试指令，分别对3 组互补模式的p w m 信号的占空比进行检测，根据该 模块的检测标准对该模块进行判断。 对继电器模块测试时，测试系统通过c a n 总线发送测试指令，继电器闭 合，检测系统分别对继电器能否闭合以及继电器闭合时间进行检测，根据继电 器模块的判断标准实现对该模块检测。 2 3 本章小结 本章首先对电动汽车驱动电机控制电路板的检测系统的性能需求进行分 析。从检测系统设计原则，检测系统原理设计和检测系统结构设计三个方面对 检测系统总体方案进行设计。在下两章中，着重从检测系统的硬件和软件两方 面对系统进行设计。 第二章中对检测系统性能需求进行分析、提出了系统的总体方案。本章对 检测系统的硬件平台选型进行分析并确定硬件平台具体的配置。 3 1 开发平台选型与配置 3 1 1 硬件资源需求分析 在进行硬件设计之前，首先应对检测系统的硬件资源需求进行分析，根据 分析结果再对硬件平台进行选型。下面将分析检测系统的硬件资源需求： ( 1 ) 本文设计的电路板检测系统以计算机为测试系统的核心结构。因此，检 测系统硬件平台应具有计算机设备。 ( 2 ) 为了实现检测系统与被测电路板间数据通信，检测系统硬件平台应具有 1 路c a n 总线端口。 ( 3 ) 继电器模块具有4 个继电器。检测系统将一路模拟输出端口同时加载到 4 个继电器的输出端引脚中，分别使用4 路模拟输入端口与继电器另外一个输 出引脚连接。完成对继电器模块检测，检测系统硬件平台应具有l 路模拟输出 端口和4 路模拟输入端口。 ( 4 ) 检测系统对电流传感器调理电路模块测试时，需要检测系统提供1 路模 拟信号作为该模块的激励信号。为了实现对该模块的测试，检测系统硬件平台 应具有l 路模拟输出端口。 ( 5 ) 检测系统对码盘信号采集电路模块需要检测时，需要检测系统提供2 路 模拟信号作为该模块的激励信号，检测系统需要2 路模拟输出端口完成对该模 块的测试。 ( 6 ) 检测系统对旋转变压器信号解调电路模块测试时，需要检测系统提供3 路模拟信号作为该模块为激励信号，检测系统需要3 路模拟输出端口完成对该 模块的测试。 ( 7 ) 开关电路模块需要检测系统提供3 路t r l 电平作为该模块的激励信号， 检测系统需要3 路数字输出端口完成对该模块的测试。 ( 8 ) p w m 调制电路模块输出3 组互补模式p w m 信号，分别为a 相p w m 信号、b 相p w m 信号和c 相p w m 信号，其中每组互补模式的p w m 信号中 天津工业大学硕士学位论文 包含2 路p w m 信号。检测系统通过计数器完成对每组p w m 信号的占空比进 行分时测试。为了实现对该模块的测试，检测系统应具有2 路计数器。表3 - 1 为各测试模块所需硬件资源。 表3 - 1 测试模块硬件资源 测试模块名称检测系统提供资源所需资源数量 继电器模块模拟输出输入l 路4 路 电流传感器调理电路模块 模拟输出1 路 码盘信号采集电路模块模拟输出2 路 p w m 调制电路模块计数器2 路 开关电路模块数字输出3 路 旋转变压器信号解调电路模块模拟输出3 路 c a n 总线模块 c a n 板卡l 路 无计算机l 台 根据表3 1 可知，检测系统为了完成对上述6 个模块的测试，其硬件平台 应具有c a n 总线通信端口、模拟信号输出端口、模拟信号输入端口、数字信号 输出端口、计数器端口和讦算机等资源。表3 - 2 为检测系统对硬件资源需求的 数量。图3 = 1 为检测系统硬件平台结构图。 表3 - 2 检测系统对硬件资源需求的数量 系统硬件资源名称系统硬件资源数量 计算机1 台 c a n 总线通信端口l 路 模拟信号输出端口7 路 模拟信号输入端口4 路 数字信号输出端口 3 路 计数器端口2 路 第三章检测系统硬件设计 计算机 r土 弋7 c a n 模模数 总 拟拟字 计 线 信信信 数 通 号号号 器 信 输输输 端 端 出入 出 口 端端端 口 口口口 z、 测试仪器馒件 弋7 被测电路板 图3 - ! 检测系统硬件结构图 3 1 2 检测系统硬件选型 根据目前市场上测试设备的优缺点，综合考虑检测系统的整体设计的目的、 检测系统所需要资源以及检测系统的性能，检测系统选定n i 公司的p x i 总线 虚拟仪器平台作为检测系统的硬件平台。p x i 总线方式虚拟仪器具有机械规范、 优异的电气性能和良好的软件规范的特性【3 7 1 。下面在对检测系统硬件资源需求 分析的基础上，完成对系统硬件的选型。 ( 1 ) 计算机选型 针对检测系统对计算机的需求，选择n ip 8 1 0 6 嵌入式控制器，作为检 测系统硬件平台的工控机，通过p x i 总线完成对系统其他板卡的控制。图3 - 2 所示为n ip x i 8 1 0 6 嵌入式控制器实物图，n ip x i 8 1 0 6 嵌入式控制器以i n t e l c o r e2d u ot 7 4 0 0 为c p u 处理器，该c p u 的主频为2 1 6g h z ，系统内存为 1 2 8 m b ，硬盘为6 0 g ，设备外围接口包括1 个i g b t 接口、1 个以太网接口和4 个u s b 接口。n ip x i - 8 1 0 6 嵌入式控制器安装了w m d o w so s e 操作系统以及硬 盘一键恢复功能。 天津工业大学硕士学位论文 图3 = 2n ip x i - 8 1 0 6 嵌入式控制器实物图 ( 2 ) c a n 总线通信端口选型 针对检测系统对c a n 总线通信端口的需求，系统选用了n ip x i - 8 4 6 1 p x i - c a n 卡，实现检测系统与被测电路板之间的通信。该卡具有2 路c a n 总 线通信端口，满足测试系统对c a n 总线通信端口需求个数，图3 - 3 为n i p x i 8 4 6 1p x i - c a n 卡的实物图。使用i n t e l 8 0 3 8 6 e x 处理器进行硬件定时，可 兼容p x i 混合总线，使用飞利浦公司的t j a l 0 4 1 收发器，支持的最高波特率为 1 m b s ，最低波特率为4 0 k b s ；该卡采用c a n 总线与p c 隔离技术，支持硬件 同步和支持高级模式，支持单一监听模式、休1 1 1 毛唤醒模式、自发自收模式。图 3 3 为n ip x i - 8 4 6 1p x i - c a n 卡实物图。 图3 3n ip x i - 8 4 6 1p x i - c a n 卡实物图 第三章检测系统硬件设计 ( 3 ) 模拟信号输出、输入端口、数字信号输出端口和计数器端口选型 针对检测系统对模拟信号输出端口、模拟信号输入端口、数字信号输出端 口和计数器端口的需求，本设计选用了选用了两块n ip x i - 6 2 5 9 数据采集板卡， 其中两块板卡资源共有模拟输出端为8 路，模拟输入端为3 2 端口，数字输入端 口为9 6 路，计数器端口为4 路，可以满足检测系统对模拟信号输出端口、模拟 信号输入端口、数字信号输出端口和计数器端口数量需求。 n ip x i - 6 2 5 9 数据采集卡实物图如图3 - 4 所示。n ip x i - 6 2 5 9 数据采集卡具 有1 6 位精度，最高采样率为2 8 6 m s s 的多功能数据采集板卡，3 2 路模拟输入 可以对直流电压和交流电压进行采集，其最高采样率为1 2 5m s s ，经外围扩展 输入范围可以达到4 2v 。输出逻辑电平类型为1 阻电平，具有4 8 路数字输 入输出端口以及2 路3 2 位的数字计数器，计数器最小脉宽为1 2 5 n s ，具有4 路 模拟输出，单通道采集最高速率2 8 6 m s s ，单通道的电流驱动能力为5 m a ，最 大输出范围为- i o v i o v 。通过p f l 0 t r i g l 引脚直接采集模拟信号实现模拟触 发，模拟触发分为低压触发、低电压滞后触发、高压触发和高电压滞后触发。 图3 - 4n ip x i - 6 2 5 9 数据采集卡实物图 ( 4 ) 辅助设备选型 使用n ip x i - 6 2 5 9 数据采集卡采集外部信号时，还需要配置接线盒以及电 缆，因此，检测系统选用了3 个n is c c - 6 8 接线盒和一个n is c b - 6 8 完成接线 盒，以及4 根s h c 6 8 6 8 - e p mc a b l e ( 2 m ) 电缆。下面分别对n is c c - 6 8 接线盒、 n is c b - 6 8 完成接线盒和4 根s h c 6 8 - 6 8 - e p mc a b l e ( 2 m ) d g 缆参数进行介绍。 n is c c 6 8 是一款i o 接线盒，可与n lx 系列、m 系列和e 系列d a q 设 备轻松进行信号连接。它的设计适合于可扩展的台式计算机测量系统。它提供： 及面向外部电源 插槽、应变计、 元件输入、加速 在m 信号调理 指令。图3 5 为 图3 5n is c c - 6 8 接线盒实物图 n is c b 6 8 是一款屏蔽式i o 接线盒，可将i o 信号连往配有6 8 针连接端 口的插入式数据采集( d a q ) 设备。结合屏蔽式电缆时，s c b - 6 8 可提供坚固且噪 音极低的信号终端。它兼容6 8 针的单连接器和双连接器n ix 系列和m 系列设 备。屏蔽式i o 接线盒，适合搭配6 8 针x 系列、m 系列、e 系列、b 系列、s 系列和r 系列d a q 设备，螺栓端子实现简便i o 连接。图3 - 6 所示为h is c b - 6 8 接线盒的实物图。 第三章检测系统硬件设计 图3 - 6n is c b - 6 8 接线盒实物图 图3 - 7 所示为n i s h c 6 8 6 8 一e p m 的实物图。n is h c 6 8 6 8 - e p m 是专门设 计，可与x 系列和m 系列数据采集设备搭配。该电缆包含：独立的数字和模拟 部分，用于模拟输入的屏蔽双绞线、单独屏蔽的模拟输出、以及用于数字i o 的双绞线输出。 图3 - 7n ls h c 6 8 - 6 8 - e p m 电缆实物图 在对系统硬件板卡选型完成后，还需对机箱进行选择。机箱为系统中板卡 供电，同时提供总线资源。机箱选用n ip x i - 1 0 4 2 q ，图3 - 8 为n ip x i 1 0 4 2 q 机 箱模型图。n ip x i - 1 0 4 2 q 机箱的插槽数为8 个，最大系统带宽为1 3 2 m b ，工作 温度范围为p 5 5 度，仅有4 3 d b a 的低噪声，内布具有风扇，分为a u t o 和 h i g h 两档，优化了冷却性能。 天津工业大学硕士学位论文 三嘲一 图3 - 8n ip x i - 1 0 4 2 q 机箱模型图 表3 3 为检测系统选用的板卡类型和数量。 表3 3 板卡选型与硬件平台的需求分析对应表 硬件需求设备对应资源资源数量 计算机设备 n ip x i - 8 1 0 6l 块 c a n 总线通信设备 n ip x i - 8 4 6 l l 块 模拟信号输出设备 n ip x i - 6 2 5 9 2 块 模拟信号采集设备 n i s c b - 6 8 l 块 数字信号输出设备 n i s c c - 6 83 块 计数器设备 s h c 6 8 - 6 8 - e p mc a b l e ( 2 m )4 根 3 2 检测系统硬件设计 3 2 1 电流传感器调理电路模块接口电路设计 检测系统硬件平台将第一块p x i 6 2 5 9 板卡中的a 0 1 端口分别与3 路电流 传感器调理电路的信号输入端相连接，而a o l 地端与该模块的信号输入地端相 连。激励信号从p x i 6 2 5 9 板卡中的a o l 信号端口发出，通过电流传感器调理 电路后发送到d s p 的刖d 转换引脚中，由d s p 通过c a n 总线模块将测试数据 返回给检测系统，检测系统通过接收数据判断该模块是否正常。电流传感器调 理电路模块接口电路框图如图3 - 9 所示。 第三章检测系统硬件设计 赫 电流传感器调理电路 信号输入端口 输出端口 a d 端口 信号输入端口地输出端口地 地 a o il d 端口 佰丐硼八顷u 獭出瑁u a o r g n d 信县轮入拦n 袖络山世i - i 舶 d s p 旧7 悃“咽“珊硼函顷u 甩- 地 i 艚且血各1 越竖九 一 p 1 悃八峒“ 稿出踊口 a d 端口 i 偿县蛤x 锉n 铀蛤山世n 城 地 1 1 日了悯八硼u 甩硼函硒u 珊l 图3 - 9 电流传感器调理电路模块接口电路框图 3 2 2 码盘信号采集电路模块接口电路设计 通过系统中的第一块p x i - 6 2 5 9 板卡中的a 0 2 端口和a 0 3 端口分别与该模 块中码盘a 信号输入端口和码盘b 信号输入端口相连，同时将a 0 2 地端和a 伤 地端与该模块信号地输入端相连接，检测系统通过的a 0 2 端口和a 0 3 端口将码 盘信号采集电路模块发送激励信号，码盘信号采集电路将信号发送到d s p 的i o 引脚中，通过d s p 完成