JCJ—300型基板检查装置的检测原理与设计思路

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【摘 要】使用并行总线扩展的技术,实现了微控制器访问512个I/O端口的用于检测VFD基板线路绝缘和通断的装置.

【关 键 词】VFD；微控制器；并行总线；串行通讯

1.前言

真空荧光显示器件（VFD）的显示对比度高、颜色醒目、工作温度范围宽,还有高可靠性和寿命长的特点.特别是由于具有自发光的特长,在环境光线暗处使用时,与需要背光的LCD比较,具有不可替代的优势.从上世纪60年代至今,VFD已经在仪器仪表、消费电子和汽车电子装置上广泛应用.

2.整机的功能与构成

基板检查装置是VFD器件生产线上的关键设备.它的功能是测试玻璃板上的厚膜线路（印刷银浆工艺）或薄膜线路（真空溅射工艺）的通断和绝缘好坏.JCJ-300型检查机可同时检测256个线路端点的导通和绝缘状况.检测部用48V电压测试工件上各个端子的绝缘与点子的导通情况,检测结果通过RS-232串行通讯口发送给工控机.工控机根据检测部的测试结果与预先设定的网络表比较,判断工件的好坏.再通过PLC控制步进电机和气缸在打标台上对不良品作出标记.由于工作台的位置精度要做到50μm才能保证检测部的众多探针与工件接触良好,所以使用了机器视觉对工作台位置做偏差修正.整台设备由微控制器（MCU）构成的检测部、运行Windows操作系统和VisualBasic应用程序的工控机（PC）和中型可编程控制器（PLC）与F150图像处理系统4部分构成.工控机管理协调整机各部分工作,PLC控制多台精密伺服电机、步进电机,还通过电磁阀控制为数众多的气缸做机械运动控制.检测部是由一个8位MCU为核心的,由14块电路板构成的6U子架.

3.检测部的设计原理

3.1检测部的技术指标

具有256个绝缘测试（DRV）端子和256个导通（RCV）测试端子；测试电压48V；绝缘电阻下限1MΩ；导通电阻上限2kΩ.

3.2测试方法

检测部256个绝缘端子和256个导通端子的测试方法是顺序测试：给某1个端子针加上48V电压后读取其余255个端子针的比较器的输出状态,如果读取到的状态都是都是低电平,说明没有绝缘良好.如果从其他端子针的比较器读取的电压是高电平,说明这个端子与其他端子漏电.给某个端子针加电后,读取对应的点子针的比较器输出状态,导通的点子比较器输出应该是高电平,如果是低电平说明工件上的线路没有导通.端子探针由接48V测试电压的开关管和连接探针与基准电压的比较器构成.

4.电路板的结构

4.1端子针和点子针的电路结构

4.2MCU板

MCU板是3U高210mm长的4层板.主要由AT89S52芯片、外部并行总线扩展芯片和RS-232接口芯片等组成.MCU板上的核心器件是C51架构的新型AT89S52芯片.芯片本身的4个8位I/O口实际只能使用30多个,无法直接满足256个绝缘测试端子和256个导通测试端子的数目要求,所以用AT89S52芯片的P0口和P2口组成的外部并行总线做I/O口扩展.把DRV板上与开关管相连的锁存器和比较器,与RCV板上的比较器通过缓冲器接入并行总线.用访问外部数据存储器的方式实现读取比较器的输出状态和控制开关管的开闭.对于访问外部数据存储器,AT89S52芯片具有专门指令,使用非常方便.用“MOVXA,@Ri”指令读取比较器的输出.用“MOVX@Ri,A”指令,把要启动或关闭的开关管的状态写入锁存器,由锁存器控制开关管的开闭.AT89S52芯片内部的16位定时器Timer2做发送接收波特率发生器,提高测试时的通讯速度就可以缩短工件在机器上停留的时间.所以为了提高产量,要尽量提高MUC与PC的通讯速度.为此选用115200bps的波特率.当选用11.0592MHz晶体,RCAP等于65533（0FFFDH）时,Timer2输出的时钟输出频率正好是115200,没有计算误差.也就是说波特率发生器的定时精度只和石英晶体的频率飘移有关.通过向石英晶体的生产厂家的方式,选用精度为±30ppm的晶体.高质量的石英晶体产生了高度准确的波特率,有效的保证了串行口高速通讯的稳定性.检查机的运行地点是具有强干扰的工业环境,即使采用多层PCB板布线,改善了接地效果并对电源加强滤波和隔离措施,也无法保证MCU连续运行几个星期都不会死机,所以开启了芯片内部的硬件WatchDog.在程序指令中穿插了对WatchDog的清零指令.在与PC机的通讯协议中,对于WatchDog定时溢出引起复位后如何恢复通讯,也做了周全的考虑.确保MCU偶尔复位不会对整机连续运行造成影响.

MCU板的电原理图：

4.3DRV板

每个DRV板有64个端子针,4块DRV板组合成256个绝缘测试端子.每个端子由开关管和控制开关管的锁存器和串接了降压电阻的比较器组成.板上全部比较器的同相输入端都连接到同一个基准电压.64个开关管分成8组,由8片与总线相连的74AC564锁存器控制.16个LM339比较器由8片74AHC540缓冲器接入总线.板上2片74ALS138译码器的输出分别控制8片缓冲器的片选信号和8片锁存器的片选信号.1片74ALS520地址比较器用来设定地址范围.

DRV板电原理图第1部分：

DRV板端子针的结构：

DRV板是4层PCB板,片式元器件双面贴装.顶层和低层作为元件层和走信号线,5V电源与48V电源和基准电压这3个最大的网络用分隔平面层的方法放在第三层；地线在第二层,是一个完整的平面层.所有与地线连接的元件管脚都通过花孔与地线层连接.在设计PCB的过程中使用了最先进的“原理图驱动”布局方式,最大限度的缩短了这个元件数量繁多的4层电路板的设计周期.“规则驱动”的布线方式确保最少人工干预,保障无差错布线,降低了设计风险.4.4RCV板

每个RCV板具有128个端子针.2块RCV板组合成256个导通测试端子.板上的128个针由独立的降压元件接入比较器.板上全部比较器的同相输入端都连接到基准电压.128个端子针连接到32片LM339比较器.比较器的输出通过16片74HC540缓冲器接入总线.板上2片74ALS138译码器的输出构成16片缓冲器的片选信号.1片74ALS520地址比较器用来设定地址范围.

由于RCV板上探针线路比DRV板的结构简单,而且没有高电压网络,所以出于降低成本的目的,对RCV板采用双面电路板设计.RCV板与DRV板一样采用“原理图驱动”布局.与DRV板不同的地方是：DRV板为保证视觉美观,机器预布线完成后在规格约束下对布线做了较多人工调整.而RCV板由于工作电压低,对绝缘距离要求不高,布线规则简单,为加快设计速度,基本全部使用自动布线完成.

5.整机结构

检测部由1块背板、1块MCU板、4块端子（DRV）板、2块点子（RCV）板和5V与48V电源构成,全部安装在一个标准的19英寸6U子架内.每块DRV板有600多个零件,每块RCV板有1000多个零件,整机零件数量共计约4500个.DRV板和RCV板是6U高210毫米长的大板,MCU板是3U高210毫米长的小版.一块3U高全长背板连接MCU板,全部DRV板和RCV板.6块小转接板分别连接到各个DRV和RCV板做测试端子的引出.由于MCU板和其它板子高度不同,所以在子架中安装了分层架,把子架内部空间分隔成左右两部分.左侧分隔成上下两层,每层3U高.MCU板安装在子架的左侧上层,DRV板和RCV板均匀排列安装在子架中间偏右侧.前面板上安装电源开关和保险丝.背板上预留了RS-232串行口的插座和全部端子针和点子针的引出插座.为了提高整机抗电磁干扰的性能和防止异物掉落进子架损伤电路板,在子架的顶部和底部安装了铝屏蔽网罩.

6.结束语

整机要具有较强的抗干扰能力和提高电磁兼容性的设计思想,贯彻在设计过程的各个阶段.自2004年9月完成安装调试.投入使用后,在工业现场一直运行稳定可靠,没有发生过故障,实现了高可靠性的设计目标.