数据采集器电路板自动测试平台的设计与应用

姜 晓，胡少英，曹 曲，景波云

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210003）

数据采集器电路板自动测试平台的设计与应用

姜 晓，胡少英，曹 曲，景波云

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210003）

数据采集器电路板自动测试平台利用夹具固定被测电路板，该文通过测试探针接触需要检测的信号通道，一次性将被测板件的功能和性能测试完毕，通过面板上的指示灯显示测试结果和故障类型。该测试平台操作简单可靠，既降低了测试成本，又提高了测试效率，可有效地避免人为误差，保证测试精度。

自动测试平台；数据采集器电路板；工装夹具；功耗测量；流程控制

在电子产品的生产过程中，为了保证电路板在装入外壳后能够正常工作，通常需要提前对电路板进行功能和性能的测试。在目前的生产工序中，通常需要调试检验人员，借助大量的调试设备如电压源、电流源、示波器等进行测试。这种方式成本高、效率低、易产生人为误差，随着技术的发展和市场需求的增加，已经不能适应大批量生产的需求。因此流程化的自动测试技术成为亟待解决的问题。

水情数据采集器广泛应用于水情测报系统中[1]，产量较大，之前的生产调试环节采用人工调试的方式，其调试检验效率已无法满足需求。在此针对该电路板设计了一套自动测试平台[2]。

数据采集器除了普通I/O接口之外，还拥有RS485，RS232，SDI-12等多种通讯接口。其自动测试设备，是包括夹具、机箱及集成在机箱内的整套测试系统。整个测试装置利用夹具将被测电路板固定，通过测试探针接触需要检测的信号通道，一次性将被测板件的通讯接口、I/O接口、电源拉偏、板件功耗等项目测试完毕，最后通过面板上的指示灯显示测试结果和故障类型。解决现有技术所需，利用自动测试装置对数据采集器进行功能和性能的测试，无需外接万用表、示波器等测量设备，由单片机控制测试流程，操作简单可靠[3]。

1 设计方案概要

自动测试平台的外观设计如图1所示。

图1 自动测试平台外观示意Fig.1 Appearance sketch map of automatic test platform

图1的上半部分为平台的结果显示区域。按照需测试的功能分为若干个故障指示灯，当对应功能测试不通过时点亮；测试功能全部通过时，点亮最后的OK灯。故障灯采用红色，OK灯采用绿色，以示区分。在内部另设蜂鸣器，出现故障退出时，以声音提示告警。图1的下半部分为测试区域。该区域包括工装夹具、串口通讯端口、总电源按键、船型开关。测试板和电源模件放置在平台内部。

测试过程如下：①开始时，将外部串口连接PC机，打开总电源；②测试人员将被测电路板放置在夹具上，以四角的定位螺柱固定方向，按下压板使测试探针接触测试点；③将船型开关拨至OFF位置，此时为程序下载状态，通过上位机下载测试程序至被测电路板；④下载完成，将船型开关拨至ON位置，此时为测试状态，测试系统自动按顺序执行各个功能和性能的测试；⑤等待告警蜂鸣器响或OK灯点亮，测试结束。

2 工装夹具

测试平台的整体工装部分如图2所示。使用时，电路板四角的定位孔对准定位螺柱放入卡槽；扳动快速夹，使压板下压，通过压针抵住电路板使其下降，下压至针板，下部的测试探针与测试点相接触，将信号引出。工装夹具还包括轴承、弹簧、浮板、压棒、立柱等部件。

图2 工装示意Fig.2 Sketch map of fixture

测试探针是用于电子测试中，测试电路板的一种测试连接电子元件。探针主要由3部分组装而成：针管，为铜合金镀金；弹簧，为琴钢线和弹簧钢镀金；针头，为工具钢（SK）镀镍或镀金。探针的外套管可以连焊接线。

夹具结构设计根据机械力学中的死点夹紧原理，当连杆与连架杆的两铰接点和其中一连架杆与机架的铰接点，三点同在一直线时，机构处于死点位置，如图3所示。这时，被压紧的电路板，无论有多大的反力（除破坏性反力），也无法使机构变动。于是压头也就不会松开，此时弹簧针完全压紧在测试点上，测试信号通过弹簧针输入输出到被测试板上，完成测试。

图3 夹具原理示意Fig.3 Schematic of fixture

3 测试电路

测试电路选择以STM32F103系列微控制器作为CPU，整体结构如图4所示。

1）通讯接口测试。分别设置RS232接口、RS485接口、SDI12接口，与被测板连接，通过收、发数据测试端口功能是否正常。任意一个通讯端口功能正常，则可用于测试命令发送端口。

2）GPIO接口测试。配置单片机GPIO端口，部分用于接收被测板的开关量输出信号，部分用于输出高电平供被测板采集。同时，设计A/D采集电路，用于采集被测板模拟量信号，计算误差。被测板信号的输出和采集均通过功能正常的通讯端口发送命令控制[4]。

图4 测试电路总体框图Fig.4 Overall block diagram of test circuit

3）时钟校准。配置单片机定时器，采集被测板时钟频率信号，根据结果进行校准，校准命令通过功能正常的通讯端口进行发送。

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4）电源切换。被测板电路由12 V直流供电，要求拉偏范围为9～16 V。另外设计一路3.3 V供电，用于被测板电源回路短路测试。因此，定制可调电源，并由继电器控制切换，提供3.3 V/9 V/12 V/16 V 4种供电电压。电源切换原理如图5所示，VDDS为被测板供电正极，4路供电切换由CPU的4个GPIO口控制。

图5 电源切换原理Fig.5 Power switching schematic

5）短路及功耗测量。在被测板电源回路中串接电阻，采集电阻上的电压判断被测板电流消耗是否正常。与电源切换模块配合使用。被测板为低功耗设备，需要保证休眠及唤醒时，功耗都保持在一定范围内。测试时，通过功能正常的通讯端口发送休眠指令，测试休眠功耗，然后通过外部中断唤醒，测试唤醒功耗。另外，还需进行3.3 V供电状态下的短路测试，此时被测板应无法正常启动，其阻抗非常大，判断其电流应小于某个阈值。

由于被测板休眠时电流为微安级，而唤醒时达到100 mA，相差近1000倍。为了测量精度和A/D采集的匹配，设计2种不同阻值的串联电阻，分别为0.1 Ω和100 Ω。其电路原理如图6所示。

图6 功耗测量原理Fig.6 Power measurement schematic

图6中，RB为串接在被测板电源回路中的电阻，RB=100 Ω，在休眠状态下，通过运放 AD623，将其电压放大100倍后，进入A/D采样。在唤醒状态时，控制继电器 K5，使 RA（RA=0.1 Ω）与 RB并联，并联后电阻接近0.1 Ω，再通过运放，同样放大100倍后进入A/D采样。通过这种方式，可以使A/D的采样电压在休眠和唤醒2种状态下，均在一个近似的范围内，很好地解决了范围跨度较大的电流测量问题，同时也保证了采样精度。

4 控制流程

整个测试平台由单片机控制流程，独立完成测试，并输出结果。整体流程如7所示。

（1）测试开始首先进行短路判断，继电器切换至3.3 V供电，采集串联电阻的电压，判断电流是否满足要求。若超限则蜂鸣告警，并断电退出；若合格则继续。

（2）判断船型开关状态，若在OFF，则等待测试人员下载测试程序；若在ON则继续。

图7 测试流程Fig.7 Test flow chart

（3）连接被测板RS232端口，根据事先定义的通讯协议进行收发测试。若端口故障，则点亮对应功能故障灯，并继续；若端口正常则继续。

（4）连接被测板RS485端口，根据事先定义的通讯协议进行收发测试。若端口故障，则点亮对应功能故障灯，并继续；若端口正常则继续。

（6）分别切换9 V/12 V/16 V电源供电，并在每种电平下发送休眠指令，使被测板进入休眠状态并采集功耗，然后使能外部中断，唤醒被测板并采集功耗。有任一情况下功耗超限，则点亮对应功能故障灯，并断电退出；在各个情况下的功耗均满足要求，即视为功能正常，继续。

（7）通过功能正常的通讯端口，向被测板发送开关量输出指令，并采集对应端口电平是否满足要求。然后，向被测板开入端口输出高电平，并命令被测板进行采集，通过通讯协议告知测试平台是否采集成功。若出现故障，则点亮对应功能故障灯，并继续；若正常则继续。

（8）通过功能正常的通讯端口，向被测板发送模拟量输出指令，并通过A/D采样电路采集对应端口是否满足要求。若出现故障，则点亮对应功能故障灯，并继续；若正常则继续。

（9）通过定时器采集被测板时钟频率，根据固定时间段内累计的上升沿数量，计算时钟频率的偏差值，通过功能正常的通讯端口，向被测板发送校准参数，由被测板进行软件校准。操作完成后继续。

（10）全部功能和性能测试完毕，判断是否有故障灯被点亮，若有则蜂鸣报警并断电退出；若全部正常，则点亮OK灯并断电退出。

5 结语

设计了一种数据采集器电路板的自动测试平台。使用该测试平台进行电路板的功能和性能测试，整个测试流程由单片机控制独立完成，杜绝人工干预，避免了人为误差；无需外接测量仪器仪表，大大降低了测试成本。完成1个电路板的测试，由原来人工的10 min以上缩短至1 min，显著地提高了生产效率，也极大地减少了测试人员的工作量。使用工装夹具进行被测板的固定，并通过测试探针接触测试点的方式，去除了原来人工测试时被测板的机械磨损，提升了生产测试环节的安全性，也提高了信号连接的可靠性。

[1] 曹年红.ACS系列微功耗数据采集器设计[C]//全面建设小康社会：中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集（上）.北京：中国科学技术协会，2003.

[2] 丛书全，蒋志华，陈剑涛.基于计算机控制的无人机装备自动检测设备设计与应用[J].宇航计测技术，2014，34（3）：19-21.

[3] 温东旭，杨辉，王旭宁.电力保护装置保障性自动测试方案研究与实践[J].电力系统保护与控制，2015，43（10）：23-25.

[4] 于劲松，李行善.下一代自动测试系统体系结构与关键技术[J].计算机测量与控制，2005，13（1）：42-44.

Design and Application of Automatic Test Platform for Data Acquisition Circuit Board

JIANG Xiao，HU Shao-ying，CAO Qu，JING Bo-yun

（Nari Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

Automatic test platform fixs the circuit board with the fixture，the test probe contact signal channel that need to be detected.Automatic test platform test the function and performance of the tested panel at one time，display the test result and the fault type through the indicator light on the panel.The test platform is simple and reliable，which can not only reduce the test cost，but also improve the testing efficiency.It can effectively avoid human error and guarantee test accuracy.

automatic test platform；data acquisition circuit board；fixture；power measurement；flow control

TP311

B

1001-9944（2017）08-0021-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.006

2017-02-24；

2017-05-31

姜晓（1983—），男，硕士，工程师，研究方向为水电站二次设备研发；胡少英（1979—），女，硕士，高级工程师，研究方向为水电厂自动化；曹曲（1988—），女，硕士，助理工程师，研究方向为水电厂自动化；景波云（1982—），男，硕士，工程师，研究方向为自动检测技术。