晶体振荡器温度漂移测试系统的软件设计与实现

张 壮，吴震宇

（1.浙江理工大学 机械工程学院，杭州 310018；2.浙江理工大学 新昌技术创新研究院，绍兴 312599）

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，简称为石英晶体或晶体，而在封装内部添加IC 组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装。通用晶体振荡器用于各种电路中，产生振荡频率[1]。晶振在现代电子技术领域具有显著地位，其出色的时钟信号生成能力使其在各种应用中发挥着关键作用。从计算机、通信设备、移动电话到工业自动化、航空航天等领域，晶振都发挥着重要的作用。一些精度要求较高的设备当中，由于环境温度变化导致的晶体振荡器振荡频率波动对精度高的设备有很大影响[2]。我国在晶体振荡器的温度漂移测试研究方面相对滞后，难以实现晶振温度漂移的大批量检测，这也意味着在晶振技术的应用和研究方面仍有巨大的发展空间。通过改进温度漂移测试方法，可以更准确地评估晶振性能，提高其在各个领域的应用效能，这对于我国电子技术产业的发展具有重要意义。本文基于工控机、采集卡、运动控制卡、传感器和工业相机，结合上位机软件，实现了智能化控制和实时检测。本文为实现晶体振荡器温度漂移检测与实验研究，并对晶体振荡器FT 数据进行曲线显示、开环或闭环控制，基于C# 编程语言开发了一种晶体振荡器温度漂移测试系统软件，软件以RS232为与终端机通信的接口协议，在VisualStudio2022 中设计了软件的主界面、控制参数设置界面，为晶体振荡器温度漂移检测监控提供了一种兼容性良好的上位机系统。

1 温度漂移检测工艺和硬件组成

1.1 温度漂移检测工艺

晶体振荡器的温度漂移的检测工艺流程如图1所示，料盘由机械手传递到传送带上，经过渡箱进行预处理，料盘进入测试箱内在调温装置上进行温度调节，当装有晶体振荡器的料盘温度达到设定值，检测装置对当前温度箱的晶体振荡器频率数据进行采集，当多组频率-温度数据采集完成后，对晶体振荡器的温度漂移进行评估。外接冷水机对内部制冷调温装置进行水冷散热。

图1 晶体振荡器检测工艺流程Fig.1 Crystal oscillator detection process flow chart

1.2 温度漂移检测系统硬件组成

整个系统的硬件组成如图2 所示。该方案包括多个核心组件，工控机是整个系统的核心控制中心，负责管理和协调所有其他硬件组件的操作。通过控制算法来确保系统的稳定性和性能。PCIE 数据采集卡是关键的数据接口，负责采集各种信号，包括测试箱内的负压信号、晶体振荡器料盘表面的温度数据以及晶振器当前温度下的频率数据。雷赛1C80运动控制卡负责控制各电机的运动位置、报警信号、开关信号等。温度传感器和压力传感器用于监测测试箱内的环境参数，这些参数影响晶体振荡器的频率性能。MV-GE502M 工业相机用于料盘号的识别；机械泵用于测试箱内进行抽真空；端子排用于连接和管理系统中的电缆和线路，确保整个系统的可靠性和安全性；数据采集卡负责采集不同信号，包括测试箱内负压信号、晶体振荡器料盘表面的温度数据、晶振器当前温度下的频率数据，这些数据经过处理后，能够得出当前位置晶振的温度漂移数据。晶体振荡器的温度漂移数据会进行详细的分析和存储，以便后续的晶体振荡器温度漂移评估。这种方案能够更准确地评估晶振的温度漂移情况，从而能够采取适当的措施来优化晶振的性能和稳定性。

图2 测试系统总体方案Fig.2 Overall scheme of test system

2 上位机软件设计

2.1 上位机软件系统架构编写

上位机软件需要合适的编程语言实现，C# 是微软公司发布的一种由C 语言和C++语言衍生出来的面向对象的、运行于.NET Framework 之上的高级编程语言，有许多组件、封装的函数可以使用，编程比较高效，可以节约开发时间[3-5]，本文所介绍的上位机软件就是使用C# 语言编写的。晶体振荡器温度漂移测试上位机软件构架如图3 所示。本文通过对晶振的温度漂移检测试验工艺过程分析，设计的晶振温度漂移测试上位机系统需要具备以下功能：①晶振温度漂移测试系统信息配置；②晶振温度漂移测试过程中信息采集和工况检测；③晶振温度漂移测试过程中数据存储和历史信息查阅；④工业相机定位参数设置；⑤运动控制参数设置。

图3 上位机软件架构Fig.3 Software architecture of the host computer

2.2 用户权限管理

在进行首次测试之前，需要进行用户信息的配置。这包括创建不同级别的用户角色，如超级管理员和普通管理员，并进行相应的权限设置。这样可以确保系统在运行过程中的合规性和安全性。超级管理员拥有最高权限，可以对各个普通管理员进行权限赋予，这使得超级管理员能够精确控制普通管理员可以执行的操作，以便在后续回溯时验证管理员的操作是否符合规定。此外，超级管理员还具备管理普通管理员账号的能力，包括创建、删除等操作，以实现对管理员账号的整体管理。用户信息界面如图4 所示。

图4 用户信息界面Fig.4 User information interface

2.3 信息采集和数据处理

在晶体振荡器温度漂移测试中，关键是实时采集和监控测试晶振的温度和测试箱内的压强。同时，需要对从测试箱内采集到的所有晶振频率数据进行详细的分析。这一分析过程还涉及将测试数据按照行业标准进行分类，通常分为C1、C2、C3 等不同等级，这种分类使得我们能够清楚地区分晶振的测试数据结果。此外，还需要对不合格的晶振进行位置标记，以便后续的筛除操作。通过采用图标展示方式，可以更加直观地呈现各品质晶振的位置。通过一定的触发条件能够展示各晶振的温度漂移测试曲线图，从而更好地理解晶振的温度漂移情况。整体而言，晶体振荡器温度漂移测试涉及到多个关键步骤，包括实时采集温度和压强信息、频率数据分析与分类、合格率统计、不合格晶振标记以及数据可视化展示。这些步骤的结合使得我们能够全面地评估晶振的性能，并根据测试结果采取相应的措施，确保高质量的晶体振荡器被选中使用。如图5所示为工位信息界面。

图5 实时参数和工位信息界面Fig.5 Real-time parameters and station information interface

石英晶体对温度变化非常敏感，其频率-温度（FT）曲线不是线性的。通过使用三阶多项式，可以创建一个更准确的模型，描述晶体的频率如何在更广泛的温度范围内变化。这有助于设计和校准电子电路，以确保即使温度波动，晶体的频率仍保持在可接受的公差范围内。FT 数据收集温度范围应该从-30℃到85℃，测得的频率值与25℃时的频率进行比较确定频差，通常以ppm 作为频差单位。晶振的FT 曲线可以建模为一个三阶多项式。式中的C1、C2、C3为晶体振荡器温度漂移检测优良的评判数据。

2.4 通讯接口配置和参数配置

在晶体振荡器温度漂移测试的上位机系统中，需要实施信号的输入和输出控制，这些信号对测试的准确性和可靠性至关重要。在测试过程中，需要与多种传感器和控制设备进行交互，以确保测试数据的收集和分析。上位机软件和无线传输网关可以通过移动4G 网络进行通信[6-8]，或者直接通过RS232和RS485 串口进行通信。在晶体振荡器温度漂移测试的上位机系统中，需要实施信号的输入和输出控制，这些信号对测试的准确性和可靠性至关重要。图6 所示为IO 配置界面。

图6 IO 配置界面Fig.6 I/O configuration interface

在进行晶体振荡器温度漂移测试时，必须对运动硬件的参数进行调整，这些参数包括运动位置、运行速度、总运行时间和脉冲方式等。同时，还可以通过微调位置来实现对运动位置的精准定位。图7所示为某电机设置参数的调试界面。

图7 顶升电机调试界面Fig.7 Debugging interface of the jacking motor

2.5 数据存储和查询

在进行晶体振荡器温度漂移测试时，需要在实时环境下展示晶体振荡器在各种温度下频率的变化情况。测试结束后，软件能够按照预先设定的数据库属性，有效地存储和检索数据，这其中包括能够储存和查阅特定工作运行下的所有料盘数据、机器运行步骤、报警信息[9]。图8 所示为历史信息查阅界面。

图8 历史信息查阅界面Fig.8 Historical information viewing interface

为了实现这一设计，本文采用SQLServer 数据库来储存数据，同时通过ADO.NET 方式来实现上位机软件与SQLServer 数据库的连接，部分代码如下。

3 晶体振荡器温度漂移检测自动控制方案

3.1 系统控制程序设计

测试开始时，上位机软件会借助250B 采集卡获取当前传感器的数据，其中包括测试箱内温度数据、真空度数据和晶体振荡器频率数据等。上位机软件通过雷赛运动控制卡输入输出各种运动信号，包括电机脉冲信号、放气阀、以及光信号传感器等开关量信号[10]。在进行测试之前，操作人员只需要在上位机软件中选择所需的测试工位。接着，上位机软件会根据事先设定的工艺要求，自动运行直至整个测试过程结束。通过这样的设计，上位机软件能够在测试开始时获取各传感器的数据，并根据工艺要求自动进行控制操作。这样的自动化控制方式使得测试过程更加高效和可靠，减少了人为操作的干预，从而确保了测试结果的准确性。图9 所示为系统自动控制逻辑流程。

图9 系统自动控制逻辑流程Fig.9 Logical flow chart of system automatic control

3.2 应用分析

经过对控制程序和系统功能的不断修改与完善，本系统已正式投入使用，灵活的控制模式以及测试箱本身的独立结构设计，实现了晶体振荡器温度漂移的自动测量与系统的自动控制，水冷机和晶体振荡器测试现场如图10 所示。系统采用外接冷水机，增加了设备的使用周期和可更换性。现场检测仪器如果出现了故障，可通过切换控制模式避免测试生产的耽搁，若出现紧急停车，系统会自动保留停车前的控制参数用以指导下一次开车生产。

图10 软件系统控制的设备Fig.10 Device controlled by software system

4 结语

本文主要介绍了一款应用于晶体振荡器温度漂移测试系统，该上位机系统软件基于C# 语言和.NET 平台开发。文章提供了部分逻辑图和演示界面，以展示软件的设计和功能。该软件具备自动控制功能，能够满足晶体振荡器温度漂移测试的工艺要求，并实现数据采集和存储，以及精确的测试控制，旨在提高晶振温度漂移测试的效率，对我国的晶振温度漂移测试工作具有一定的参考价值。