智能电表PCBA模块的功能性测试设备

倪晨鸿,宋春伟

(中国计量大学,浙江杭州,310018)

智能电表PCBA模块的功能性测试设备

倪晨鸿,宋春伟

(中国计量大学,浙江杭州,310018)

针对智能电表实装印刷电路板的质量问题，提出了一种针对智能电表PCBA功能测试的检测设备。在对新型FCT设备的机械结构描述的基础上，提出了夹具及机台的主要设计参数。对智能电表的各个测试项目进行研究，提出智能电表在PCBA模块检测阶段的功能性测试方法，并依据测试方法提出FCT硬件方案和测试流程。

智能电表；计量芯片；检测设备

0　前言

国家电网公司国家电网智能电表从零件组成上可以分为如下几个部分：电表外壳（包含金具），分流器，互感器，继电器和实装印刷电路板模块（Printed Circuit Board Assembly, PCBA）。实装印刷电路板是指印刷电路板经过自动贴片焊接，自动插件焊接和补充焊接等制程后的零部件产品，以下简称PCBA。PCBA模块的功能性检测（Functional Circuit Test，FCT）就是对被测目标板提供模拟的运行环境和输入激励，检测目标板的参数和输出响应是否符合设计要求。智能电表的概念产生于上世纪90年代，它是一种以电子单片机为核心的，具有自动计量、电能质量监控、双向通讯和远程断供电的计量设备。针对智能电表PCBA模块的FCT检测工作，本文提出一种针对国网单相智能费控电能表产品所对应的PCBA模块的检测技术方法和设备方案。

1　设备结构

图1　设备总体构成示意图

智能电表PCBA模块的FCT测试设备是能够测试PCBA模块中各项电气性能及电气参数，能够快速，自动并且全面的判断PCBA模块是否属于合格产品。PCBA模块的FCT测试结果可以通过上位机的PC软件上传到服务器，如图1所示。设备可以分为设备测试机台和夹具两部分。测试夹具是安装于测试机台上的，被测目标板需要放入其对应的测试夹具，再由机台进行测试。针对不同型号的同类型电表PCBA模块，检测车间人员只需要更换相应的夹具。

如图2所示，自动化或者半自动化的PCBA模块FCT测试设备，都是通过“针床”式的机械结构将被测试的PCBA与机台中检测电路连接在一起。FCT设备一般俗称“测试压机”，通过专门定制的测试夹具和压力机构完成被测PCBA与测试电路的电气连接。测试夹具上安装有大量探针，探针数量和电路板的设计测试点的数量相同。探针自带的弹簧和夹具的弹性机构的共同作用将探针与电路板上的测试点牢牢的压接在一起，足够大的压力才能充分减少了探针和电路板测试点之间的接触电阻。

图2　智能电表PCBA针床测试示意图

除了探针以外，针对智能电表PCBA的检测需求，还需要安装光敏电阻，视频识别和微型气缸。其中光敏电阻是测试LED指示灯，而视频识别设备是用于识别电表液晶屏的显示情况。微型气缸是用来检测按钮和开盖端子，智能电表是不允许用户自行打开端盖，如果端盖被打开就会触发警报。因此，当夹具上的微型气缸下压时电表处于正常状态，当微型气缸抬起时就触发了智能电表的报警机制，这个报警信号可以触发相应的LED指示灯，同时通过485总线也可以读取到。一般来讲，测试探针上所施加的压力根据探针规格是有明确的要求的，而机台主气缸的压力与探针数量也存在线性关系。通常100根左右的探针和转接针，需要施加150 N以上400 N以下的压力。

2　电气检测技术

如图3所示，FCT设备中针对智能电表PCBA各部分功能电路分别设计不同的检测电路进行检测：（1）对电表中电源电压值设计了专门的电压采样电路进行采集；（2）机台中设计有485通讯模块对目标板上的485通讯进行功能检测；（3）对于电表核心计量部分模拟电表实际工况，在模块与分流器和互感器接触的测试施加模拟电流采样信号，在这样模拟工作状况下，电表计量部分开始工作计算有功和无功电能；（4）在计量部分工作的条件下，智能电表特有的功率脉冲信号开始出现（该信号用于电表精度的校正），通过脉冲计数可以检测这部分电路的工作期刊；（5）对指示灯的亮度用光敏电阻进行量化测试；（6）红外通讯模块也是按照与485通讯同样的规约进行检测，红外通讯模块安装于夹具上界面；（7）独立的微型气缸通过自动按压操作实现对端盖和按键的逻辑功能的检测；（8）液晶屏幕可能存在的“缺笔”问题可以通过视频识别技术进行检测，这方面技术已经比较成熟。此外，智能电表模块的程序烧写功能也可以集中在FCT检测设备中完成。

图3　检测电路与被测功能模块对应关系图

设备测试流程从检测人工放料是否到位开始：首先对电源电路进行检测，避免了对故障PCBA模块上电过程可能存在的短路或者过流现象的发生。完成了电源电路部分的检测之后，PCBA模块已经进入上电工作状态，接下来还是先对其485通讯模块进行检测。这样的设计主要是因为485通讯模块是之后各个检测工序的基础。剩余几个测试项目，如按键端子，负荷开关，红外通讯都可以并行检测完成。整个测试流程的时间可以控制在10s以内。

3　结语

本文介绍了一套应用于智能电表PCBA模块的FCT检测设备，介绍了其主机部分和夹具部分的分体式设计思路，论述了机台中电气检测电路的设计方案，采用模块化的硬件电路对智能电表PCBA的各项功能进行检测，介绍了设备的操作方法和一般测试流程。

[1]李鹏,王胜勇,卢家斌等.模块化的开放性PCBA功能测试平台[J].企业导报,2013(04):261-263.

[2]王晏斌.基于单片机的PCBA测试系统研究[J].科技资讯,2011(03):76-78.

[3]王榕模.模拟的动态信号下电能表试验研究[J].机电技术,2011(04):54-57.

[4]王思彤,周晖,袁瑞铭等.智能电表的概念及应用[J].电网技术, 2010(04):17-23.

倪晨鸿，中国计量学院，硕士，研究方向为变频器数字控制原理。通讯作者： 宋春伟，博士，讲师，中国计量学院硕士生导师，研究

方向为大功率变流器拓扑与控制。

Functional circuit test equipment for PCBA module of smart electric meter

Ni Chenhong,Song Chunwei
(China Jiliang University,Hangzhou,Zhejiang,310018,China)

Aiming at quality problems of printed circuit board assembly (PCBA) for smart meter,a test equipment for PCBA functional circuit test (FCT) of smart meter was proposed.Based on a brief description ofthe mechanical structure of the novel FCT equipment,the main parameters of the fixture and the machine were provided. Each test project of smart meter PCBA was studied, the FCT methods of smart meter in PCBA module testing were proposed, and the FCT hardware scheme and testing process were disscused according to these proposed test methods.

smart meter;printed circuit board assembly;functional circuit test

TM

B

项目来源：浙江省自然科学基金青年基金项目（LQ16E070001），浙江省“仪器科学与技术”重中之重学科开放基金（JL150512）