基于LabVIEW的非接觸式電路板短路檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高同輝， 任國(guó)璽

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

?

基于LabVIEW的非接觸式電路板短路檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高同輝， 任國(guó)璽

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

由于現(xiàn)有印制電路板采用飛針或針床的接觸式短路檢測(cè)方法，存在著IC接觸點(diǎn)小和檢測(cè)區(qū)域受限兩個(gè)主要弊端。本文開發(fā)出以電磁感測(cè)的非接觸式印制電路板短路檢測(cè)系統(tǒng)，該非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)利用虛擬儀器LabVIEW將硬件和軟件互相整合，將待測(cè)印制電路板某區(qū)域加上一定電壓的正弦波信號(hào)，然后利用電磁感應(yīng)探頭測(cè)量印制電路板的電磁場(chǎng)密度分布情況，從而獲取電路短路或開路的位置。該電路板短路檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，能夠較準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電路板短路導(dǎo)線的位置，為印制電路板短路檢測(cè)提供了新的方法。

LabVIEW； 印制電路板； 非接觸式； 短路； 電磁感應(yīng)

0 引 言

印刷電路板制作過(guò)程中，常見有因制作工藝問(wèn)題而造成某兩條不應(yīng)該連接在一起的兩導(dǎo)線短路，從而造成電子產(chǎn)品工作不正常甚至電源燒毀。一般業(yè)界常見的方式是采用飛針測(cè)試或針床測(cè)試等探針進(jìn)行接觸式測(cè)量[1]，查找短路故障點(diǎn)。然而現(xiàn)今的集成電路(IC)的體積越來(lái)越小，印刷電路板上其引腳越來(lái)越細(xì)，引腳間距越來(lái)越小，已接近探針的極限，同時(shí)檢測(cè)空間也受限于機(jī)械手臂的工作范圍。

本文提出一種電磁感測(cè)的非接觸的方式進(jìn)行印刷電路板走線短路檢測(cè)的方法，該方法是通過(guò)檢測(cè)印刷電路板電路的短路與開路時(shí)電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)的變化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的，能夠解決元件引腳體積和間距的限制，同時(shí)解決工作區(qū)域范圍受限的問(wèn)題，從而突破探針接觸式檢測(cè)的局限。

1 電路板檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用NI公司整合式硬件，通過(guò)虛擬儀器LabVIEW將各個(gè)功能模塊整合在一起，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。系統(tǒng)主要由人機(jī)操作界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、四軸馬達(dá)控制模塊和感測(cè)器模塊4個(gè)功能模塊構(gòu)成[2]，如圖1所示。

圖1 電路板檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊

1.1 人機(jī)操作界面模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)操作界面的前面板如圖2所示，主要完成馬達(dá)控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[3]。

圖2 人機(jī)操作界面

1.1.1 馬達(dá)控制

電磁感應(yīng)探頭對(duì)電路板的掃描位置控制，由4組步進(jìn)馬達(dá)控制X方向、Y方向、Z方向與旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)電路板不同測(cè)量點(diǎn)的移動(dòng)與測(cè)量。利用LabVIEW圖形化[4]設(shè)計(jì)將圖片、控制物件與顯示物件整合在一起，讓使用者可以更容易地了解操作方式，如圖3所示，操作者可以直接修改所要達(dá)到的位置坐標(biāo)。系統(tǒng)的X、Y、Z行程分別為200 mm×200 mm×50 mm，再加入了1個(gè)可以空中旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，可以使感測(cè)器測(cè)量不同方向的導(dǎo)線。本設(shè)計(jì)使用PCI-7354做為馬達(dá)控制卡與接線盒，并將其整合至系統(tǒng)內(nèi)。

圖3 馬達(dá)控制界面

1.1.2 信號(hào)產(chǎn)生、采集和存儲(chǔ)

非接觸式電路板短路檢測(cè)系統(tǒng)需要提供一個(gè)正弦波信號(hào)源，輸入至待測(cè)印制電路板，再透過(guò)感測(cè)器量測(cè)感應(yīng)的電磁信號(hào)。正弦波信號(hào)源參數(shù)設(shè)定可以由使用者自行調(diào)整頻率與振幅，同時(shí)使用者根據(jù)選擇感測(cè)器類型，讓系統(tǒng)自行計(jì)算并輸出合適的頻率與振幅。

本文使用NI自行定義的TDMS(Technical DataManagement Streaming)的儲(chǔ)存格式[5]，因其具有使用者能夠自行定義信號(hào)的屬性及加快存取速度的優(yōu)點(diǎn)。TDMS可以與最常用的Excel與Matlab互通，具有很好的擴(kuò)展性。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

使用NI DAQ X系列的多功能信號(hào)采集器[6]，提供一個(gè)穩(wěn)定的正弦波信號(hào)源，并流經(jīng)電路板導(dǎo)線系統(tǒng)后通過(guò)感測(cè)器再將產(chǎn)生的電磁場(chǎng)信號(hào)讀取回系統(tǒng)，然后通過(guò)LabVIEW軟件分析處理。并采用NI USB-6356做為信號(hào)產(chǎn)生與收集電路。

2 非接觸式短路檢測(cè)原理與物理模型

2.1 電磁信號(hào)端物理模型

本文提出的測(cè)量方法基本原理是電磁感應(yīng)，由法拉第定律設(shè)計(jì)物理模型，圖4為電流與其產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)系，圖5為感應(yīng)探頭測(cè)量磁場(chǎng)的示意圖，印制電路板導(dǎo)線短路的情況下，電流在流過(guò)的短路部分的長(zhǎng)度范圍內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)E或磁場(chǎng)B。磁場(chǎng)的強(qiáng)度與短路導(dǎo)線的長(zhǎng)度和位置有關(guān)，并可由畢歐沙瓦定律(Biot-Savart Law)描述[7]：

(1)

其中：L是導(dǎo)線長(zhǎng)度的總和；dl是電流的向量；μ0是磁性常數(shù)；r是dl與電場(chǎng)計(jì)算的距離；r′為r單位矩陣向量。式(1)中表示出電流I與磁場(chǎng)B或電場(chǎng)E成正比，與距離r成反比，其電磁感應(yīng)如圖4、6所示。

圖4 電流與產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)系

圖5 感應(yīng)探頭與磁場(chǎng)的關(guān)系

圖6 磁場(chǎng)總量示意圖

電流流經(jīng)的路徑會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，其總磁通量可以分割成幾部分的疊加，得到的總磁通量密度[8]：

B=∫dB

(2)

(3)

磁場(chǎng)總量的示意圖如圖6所示，有限線段電流I流過(guò)區(qū)域所產(chǎn)生在P點(diǎn)的磁場(chǎng)，其總量為不同角度θ與距離a的總合量[9]，可推導(dǎo)整理成：

(4)

2.2 測(cè)量感應(yīng)端的物理模型

非接觸式測(cè)量重要的元件為電感，電感線圈可以感應(yīng)到磁場(chǎng)能量并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電壓或電流，此信號(hào)作為后續(xù)系統(tǒng)測(cè)量與分析使用。磁場(chǎng)與電流的關(guān)系，可由畢歐沙瓦定律推導(dǎo)出。最后，推導(dǎo)出輸入與輸出的關(guān)系式為：

(5)

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟體設(shè)計(jì)采用Hierarchy[12]架構(gòu)，使用LabVIEW內(nèi)部子函數(shù)VI與自行設(shè)計(jì)的子VI，架構(gòu)出測(cè)量系統(tǒng)軟件程式設(shè)計(jì)如圖7所示，程式架構(gòu)主要由有限狀態(tài)機(jī)[13]構(gòu)成，并將主要的控制修改參數(shù)，用事件觸發(fā)的方式來(lái)設(shè)計(jì)。

圖7 軟件設(shè)計(jì)圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

(1) 首先測(cè)試電磁感應(yīng)探頭是否可以感應(yīng)電路板線路電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。利用正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一電流輸入至電路板某一回路，并使用電磁感應(yīng)探頭接近此電流回路進(jìn)行測(cè)試[14]，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，在圖8(a)無(wú)電流回路的情況下，示波器并無(wú)感應(yīng)到任何信號(hào)，在圖8(b)產(chǎn)生一電流回路，此時(shí)示波器上可看到正弦波信號(hào)由電磁感應(yīng)探頭捕獲，此實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單驗(yàn)證電磁感應(yīng)探頭對(duì)電磁感應(yīng)的可行性。

圖8 回路測(cè)試波形

(2) 測(cè)試推導(dǎo)的物理模型是否與實(shí)際測(cè)量相近。相關(guān)參數(shù)L=100 μH，N=70，r=2.9 mm,α=00，輸入電壓1～10 V，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，電磁感應(yīng)探頭量取電壓值與其輸入比值平均為0.156，若將參數(shù)代入推導(dǎo)的公式中，并求出計(jì)算的比值為0.127，兩個(gè)數(shù)據(jù)的誤差量為18%。

若改變測(cè)量時(shí)電磁感應(yīng)探頭與電路板之間的高度，并比較測(cè)量與計(jì)算的數(shù)值差異。其測(cè)試結(jié)果見表2。其測(cè)試的結(jié)果同上一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其量測(cè)值與計(jì)算值皆有約12%左右的誤差，不過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)夠用了。

(3) 電路板短路故障測(cè)量。將電路板大小約為100 mm×150 mm固定在XYZ平臺(tái)上，預(yù)設(shè)電路短路如圖9所框的區(qū)域，實(shí)驗(yàn)中電磁感應(yīng)探頭距離電路板高度為固定5 mm，通過(guò)DAQ系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)功能。圖9為設(shè)置短路故障的待測(cè)電路板，圖10為電磁感應(yīng)探頭測(cè)量后的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。由測(cè)試結(jié)果的電磁感應(yīng)的強(qiáng)度分布可以發(fā)現(xiàn)，在電路板左下部短路區(qū)域部分呈現(xiàn)較強(qiáng)的電磁反應(yīng)，其他部份相對(duì)比較低的強(qiáng)度反應(yīng)，此現(xiàn)象正好符合圖9左下框的短路區(qū)。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 改變測(cè)量高度的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 預(yù)設(shè)短路的待測(cè)電路板

圖10 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)針對(duì)印制電路板的短路檢測(cè)方面，存在的接觸點(diǎn)小和檢測(cè)區(qū)域受限兩項(xiàng)主要問(wèn)題，提出了一套通過(guò)電磁感測(cè)方式，檢測(cè)出電路板導(dǎo)線的短路與開路情況的解決方案。除了非接觸測(cè)量引腳克服元件腳位限制之外，同時(shí)電磁探頭設(shè)計(jì)成便攜式，可解決工作區(qū)域范圍受限的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了LabVIEW軟件與硬件快速整合與驗(yàn)證的特色，為印制電路板的短路檢測(cè)提供了另一個(gè)途徑。

[1] 王 猛.基于LabVIEW的電路板故障測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京:北方交通大學(xué),2012.

[2] 張 琪,侯加林,閆銀發(fā),等.基于虛擬儀器的電路板故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(2):135-140.

[3] 李 兵.基于電磁信息的印制電路板故障檢測(cè)系統(tǒng)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[4] 彭 勇,潘曉燁,謝龍漢.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)及分析[M].北京:清華大學(xué)出社,2011.

[5] 李 淼,陳春俊,繆曉郎.基于CompactDAQ的動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試,2014,40(6):144-148.

[6] 王大虎,張且且,孫一帆.基于LabVIEW的電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013,26(8):42-43.

[7] 徐 彬,石文星,張立輝,等.生活環(huán)境中的電磁輻射檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(10):25-27.

[8] 李 響.印刷電路板智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

[9] 陳 棟，王鈞銘，鮑安平，等.基于LabVIEW 的光伏并網(wǎng)逆變器溫升自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(12):135-138.

[10] 楊 斌，胡瑞雪，張亞萍，等.磁性材料多功能測(cè)量?jī)x的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(1):85-88.

[11] 梁美富.非接觸式感應(yīng)充電電路的研制[D].武漢:武漢科技大學(xué),2010.

[12] 李 剛，邢 佳.一種非接觸式高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2010,25(2):43-46.

[13] 段 練.基于圖像處理的印制電路板缺陷檢測(cè)的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[14] 史賢俊，張樹團(tuán)，張文廣，等.基于虛擬儀器的通用數(shù)字電路板測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(6):1263-1265.

Design of Non-contact Short-circuit Detection System for Circuit Board Based on LabVIEW

GAOTong-hui，RENGuo-xi

(Department of Automation and Information Engineering，Pingdingshan Industrial College of Technology， Pingdingshan 467001, China)

The existing printed circuit board uses contact short-circuit detection method such as flying probe or needle bar, there are two main disadvantages of little contact point and limited contact IC detection area. A non-contact electromagnetic sensing printed circuit board short detection system is developed, the non-contact detection system uses LabVIEW virtual instrument hardware and software to integrate with each other Printed circuit board is tested in a region with a certain voltage of a sine wave signal, and then the density distribution of electromagnetic field in the printed circuit board is measured by electromagnetic induction probe. Thereby, the position of a short circuit or open circuit is obtained. The board short detection system is proved by experiments, it can accurately find the position of shorted wires in the board, so it provides a new approach for the short detection of printed circuit board.

LabVIEW; printed circuit board; non-contact; short circuit; electromagnetic induction

2015-08-30

高同輝(1975-)，男，河南魯山人，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。Tel.：13937581974; E-mail：gthteacher@163.com

TP 277

A

1006-7167(2016)02-0124-04