JCJ－300型基板檢查裝置的檢測原理與設(shè)計思路

中國電子科技集團公司第二研究所 鄭 毅

1.前言

真空熒光顯示器件（VFD）的顯示對比度高、顏色醒目、工作溫度范圍寬，還有高可靠性和壽命長的特點。特別是由于具有自發(fā)光的特長，在環(huán)境光線暗處使用時，與需要背光的LCD比較，具有不可替代的優(yōu)勢。從上世紀60年代至今，VFD已經(jīng)在儀器儀表、消費電子和汽車電子裝置上廣泛應(yīng)用。

2.整機的功能與構(gòu)成

基板檢查裝置是VFD器件生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備。它的功能是測試玻璃板上的厚膜線路（印刷銀漿工藝）或薄膜線路（真空濺射工藝）的通斷和絕緣好壞。JCJ－300型檢查機可同時檢測256個線路端點的導(dǎo)通和絕緣狀況。檢測部用48V電壓測試工件上各個端子的絕緣與點子的導(dǎo)通情況，檢測結(jié)果通過RS-232串行通訊口發(fā)送給工控機。工控機根據(jù)檢測部的測試結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)表比較，判斷工件的好壞。再通過PLC控制步進電機和氣缸在打標(biāo)臺上對不良品作出標(biāo)記。由于工作臺的位置精度要做到50μm才能保證檢測部的眾多探針與工件接觸良好，所以使用了機器視覺對工作臺位置做偏差修正。整臺設(shè)備由微控制器（MCU）構(gòu)成的檢測部、運行Windows操作系統(tǒng)和Visual Basic應(yīng)用程序的工控機（PC）和中型可編程控制器（PLC）與F150圖像處理系統(tǒng)4部分構(gòu)成。工控機管理協(xié)調(diào)整機各部分工作，PLC控制多臺精密伺服電機、步進電機，還通過電磁閥控制為數(shù)眾多的氣缸做機械運動控制。檢測部是由一個8位MCU為核心的，由14塊電路板構(gòu)成的6U子架。

3.檢測部的設(shè)計原理

3.1 檢測部的技術(shù)指標(biāo)

具有256個絕緣測試（DRV）端子和256個導(dǎo)通（RCV）測試端子；測試電壓48V；絕緣電阻下限1MΩ；導(dǎo)通電阻上限2kΩ。

3.2 測試方法

檢測部256個絕緣端子和256個導(dǎo)通端子的測試方法是順序測試：給某1個端子針加上48V電壓后讀取其余255個端子針的比較器的輸出狀態(tài)，如果讀取到的狀態(tài)都是都是低電平，說明沒有絕緣良好。如果從其他端子針的比較器讀取的電壓是高電平，說明這個端子與其他端子漏電。給某個端子針加電后，讀取對應(yīng)的點子針的比較器輸出狀態(tài)，導(dǎo)通的點子比較器輸出應(yīng)該是高電平，如果是低電平說明工件上的線路沒有導(dǎo)通。端子探針由接48V測試電壓的開關(guān)管和連接探針與基準(zhǔn)電壓的比較器構(gòu)成。

4.電路板的結(jié)構(gòu)

4.1 端子針和點子針的電路結(jié)構(gòu)

4.2 MCU板

MCU板是3U高210mm長的4層板。主要由AT89S52芯片、外部并行總線擴展芯片和RS－232接口芯片等組成。MCU板上的核心器件是C51架構(gòu)的新型AT89S52芯片。芯片本身的4個8位I/O口實際只能使用30多個，無法直接滿足256個絕緣測試端子和256個導(dǎo)通測試端子的數(shù)目要求，所以用AT89S52芯片的P0口和P2口組成的外部并行總線做I/O口擴展。把DRV板上與開關(guān)管相連的鎖存器和比較器，與RCV板上的比較器通過緩沖器接入并行總線。用訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的方式實現(xiàn)讀取比較器的輸出狀態(tài)和控制開關(guān)管的開閉。對于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，AT89S52芯片具有專門指令，使用非常方便。用“MOVX A,@Ri”指令讀取比較器的輸出。用“MOVX @Ri,A”指令，把要啟動或關(guān)閉的開關(guān)管的狀態(tài)寫入鎖存器，由鎖存器控制開關(guān)管的開閉。AT89S52芯片內(nèi)部的16位定時器Timer2做發(fā)送接收波特率發(fā)生器，提高測試時的通訊速度就可以縮短工件在機器上停留的時間。所以為了提高產(chǎn)量，要盡量提高MUC與PC的通訊速度。為此選用115200bps的波特率。當(dāng)選用11.0592MHz晶體，RCAP＝65533（0FFFDH）時，Timer2輸出的時鐘輸出頻率正好是115200，沒有計算誤差。也就是說波特率發(fā)生器的定時精度只和石英晶體的頻率飄移有關(guān)。通過向石英晶體的生產(chǎn)廠家定制的方式，選用精度為±30ppm的晶體。高質(zhì)量的石英晶體產(chǎn)生了高度準(zhǔn)確的波特率，有效的保證了串行口高速通訊的穩(wěn)定性。檢查機的運行地點是具有強干擾的工業(yè)環(huán)境，即使采用多層PCB板布線，改善了接地效果并對電源加強濾波和隔離措施，也無法保證MCU連續(xù)運行幾個星期都不會死機，所以開啟了芯片內(nèi)部的硬件WatchDog。在程序指令中穿插了對WatchDog的清零指令。在與PC機的通訊協(xié)議中，對于WatchDog定時溢出引起復(fù)位后如何恢復(fù)通訊，也做了周全的考慮。確保MCU偶爾復(fù)位不會對整機連續(xù)運行造成影響。

MCU板的電原理圖：

4.3 DRV板

每個DRV板有64個端子針，4塊DRV板組合成256個絕緣測試端子。每個端子由開關(guān)管和控制開關(guān)管的鎖存器和串接了降壓電阻的比較器組成。板上全部比較器的同相輸入端都連接到同一個基準(zhǔn)電壓。64個開關(guān)管分成8組，由8片與總線相連的74AC564鎖存器控制。16個LM339比較器由8片74AHC540緩沖器接入總線。板上2片74ALS138譯碼器的輸出分別控制8片緩沖器的片選信號和8片鎖存器的片選信號。1片74ALS520地址比較器用來設(shè)定地址范圍。

DRV板電原理圖第1部分：

DRV板電原理圖第2部分：

DRV板端子針的結(jié)構(gòu)：

DRV板是4層PCB板，片式元器件雙面貼裝。頂層和低層作為元件層和走信號線，5V電源與48V電源和基準(zhǔn)電壓這3個最大的網(wǎng)絡(luò)用分隔平面層的方法放在第三層；地線在第二層，是一個完整的平面層。所有與地線連接的元件管腳都通過花孔與地線層連接。在設(shè)計PCB的過程中使用了最先進的“原理圖驅(qū)動”布局方式，最大限度的縮短了這個元件數(shù)量繁多的4層電路板的設(shè)計周期。“規(guī)則驅(qū)動”的布線方式確保最少人工干預(yù)，保障無差錯布線，降低了設(shè)計風(fēng)險。

4.4 RCV板

每個RCV板具有128個端子針。2塊RCV板組合成256個導(dǎo)通測試端子。板上的128個針由獨立的降壓元件接入比較器。板上全部比較器的同相輸入端都連接到基準(zhǔn)電壓。128個端子針連接到32片LM339比較器。比較器的輸出通過16片74HC540緩沖器接入總線。板上2片74ALS138譯碼器的輸出構(gòu)成16片緩沖器的片選信號。1片74ALS520地址比較器用來設(shè)定地址范圍。

由于RCV板上探針線路比DRV板的結(jié)構(gòu)簡單，而且沒有高電壓網(wǎng)絡(luò)，所以出于降低成本的目的，對RCV板采用雙面電路板設(shè)計。RCV板與DRV板一樣采用“原理圖驅(qū)動”布局。與DRV板不同的地方是：DRV板為保證視覺美觀，機器預(yù)布線完成后在規(guī)格約束下對布線做了較多人工調(diào)整。而RCV板由于工作電壓低，對絕緣距離要求不高，布線規(guī)則簡單，為加快設(shè)計速度，基本全部使用自動布線完成。

5.整機結(jié)構(gòu)

檢測部由1塊背板、1塊MCU板、4塊端子（DRV）板、2塊點子（RCV）板和5V與48V電源構(gòu)成，全部安裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的19英寸6U子架內(nèi)。每塊DRV板有600多個零件，每塊RCV板有1000多個零件，整機零件數(shù)量共計約4500個。DRV板和RCV板是6U高210毫米長的大板，MCU板是3U高210毫米長的小版。一塊3U高全長背板連接MCU板，全部DRV板和RCV板。6塊小轉(zhuǎn)接板分別連接到各個DRV和RCV板做測試端子的引出。由于MCU板和其它板子高度不同，所以在子架中安裝了分層架，把子架內(nèi)部空間分隔成左右兩部分。左側(cè)分隔成上下兩層，每層3U高。MCU板安裝在子架的左側(cè)上層，DRV板和RCV板均勻排列安裝在子架中間偏右側(cè)。前面板上安裝電源開關(guān)和保險絲。背板上預(yù)留了RS-232串行口的插座和全部端子針和點子針的引出插座。為了提高整機抗電磁干擾的性能和防止異物掉落進子架損傷電路板，在子架的頂部和底部安裝了鋁屏蔽網(wǎng)罩。

6.結(jié)束語

整機要具有較強的抗干擾能力和提高電磁兼容性的設(shè)計思想，貫徹在設(shè)計過程的各個階段。自2004年9月完成安裝調(diào)試。投入使用后，在工業(yè)現(xiàn)場一直運行穩(wěn)定可靠，沒有發(fā)生過故障，實現(xiàn)了高可靠性的設(shè)計目標(biāo)。

[1]AT89S52 數(shù)據(jù)手冊[S].ATMEL公司.

[2]Standard Logic & Linear Selection Guide CD-ROM Texas Instruments.