CN101221210B

CN101221210B - 一种成品线路板自动测试校正系统及其自动测试校正方法

Info

Publication number: CN101221210B
Application number: CN200710031856A
Authority: CN
Inventors: 薛家祥; 朱思君; 姚屏; 黄文超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: CN101221210A

Abstract

本发明公开了一种成品线路板自动测试校正系统及其自动测试校正方法，该系统包括针床、信号调理板、数据采集控制卡和计算机，信号调理板分别与针床、数据采集控制卡相连接，数据采集控制卡与计算机相连接。该方法包括启动计算机，进行初始化，输入PCBA型号等操作信息，将待测的PCBA放入针床，测试针对PCBA上的多个测试点进行测试，并将测试信号输送给数据采集控制卡，再通过计算机显示。本发明实现了所有电压/波形测试点的一次性测试、自动保存和显示信息的目的，操作方便，成本较低，采集过程稳定可靠，精度高，能够接收和发送数字信号，减少了手工操作，提高了测试效率。本发明适用于各个行业PCBA测试使用。

Description

一种成品线路板自动测试校正系统及其自动测试校正方法

技术领域

本发明涉及印刷线路板和成品线路板的生产检验及测试校正技术领域，具体是指一种成品线路板自动测试校正系统及其自动测试校正方法。

背景技术

印刷线路板(Printed circuit board，PCB)几乎会出现在每一种电子设备当中，除了固定各种电子元器件外，PCB的主要功能是提供板上各项零件的相互电气连接。成品线路板(Printed circuit board Assemble，PCBA)是在印刷线路板的基础上经过SMT上件，再经过DIP插件的整个过程后的成品，简称PCBA。随着电子设备越来越复杂，需要的零件、调节的元件、需要的电压值/电压波形测试点以及测试的功能等都越来越多，直接给许多PCBA厂商带来了巨大的检测包袱，特别是一些中小型专业PCBA生产厂商，因对所生产的PCBA使用行业的不了解，检测和维修困难，甚至无法生产出合格的PCBA。

现有成品线路板的测试方法主要有以下四种：

1、上机测试：是指将成品线路板直接安装在机器上进行测试，该方法具有直观、快速等优点，适合于简单的成品线路板测试，在简单的机型中使用较多，但该方法对于复杂的成品线路板检测却无能为力。

2、单点测试：是指模拟成品线路板正常运行和工作的外部电气环境，通过使用万用表、示波器等测量测试设备，按照测试规范逐项逐测试点进行测试校正，直至满足所有规范要求。该方法适用于较复杂的成品线路板，特别是一些测试点繁多的成品线路板，具有测试较准确、测试人员工作环境随意、成本低的优点，是我国国内使用最多的一种方法，但该方法的测试效率非常低，劳动强度大，很大程度上影响了生产效率。

3、多点测试：是一种在单点测试的基础上的改进方式，该方式设有多个转换开关，转换其中的某个转换开关，相应的多个测试点(一般为5个)的电压信息或波形信息就同时显示在多个电压表或示波器上，显示直观，提高了效率。但该方法工装极其复杂，制作工作量大，维护困难，数据记录费时费力等缺点也制约了它的发展，故在我国国内厂商中只有一些实力较强的公司采用。

4、针床测试：针床由许多弹性针组成的测试点探针和模拟成品线路板正常工作的外部电路组成。测试时，将成品线路板放入针床内固定，通过转换开关就能方便地测试一个或多个测试点的电压和波形。但是，该方法和多点测试一样，需要大量的转换开关，操作不方便，工作较复杂，维护困难，数据记录费力。

综上所述，现有成品线路板测试装置存在的主要问题是一次只能测试少数甚至1个测试点、数据记录繁琐、操作不方便，效率低。由于测试装置的局限，测试方法上也只能局限于用万用表或者示波器等测量仪器直接接触成品线路板上的测试点进行测量，测试过程缓慢、数据记录繁琐、劳动强度较高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种适用于多个行业PCBA测试使用，具有系统稳定性好、测量精度高、调试方便、具有良好操作界面、使用简单、可实现记忆存储功能、成本较低的成品线路板自动测试校正系统及其自动测试校正方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

所述一种成品线路板自动测试校正系统，包括针床、信号调理板、数据采集控制卡和计算机相互连接组成，所述信号调理板分别与针床、数据采集控制卡相连接，所述数据采集控制卡与计算机相连接。

为了更好地实现本发明，所述针床包括床体、测试针、夹紧装置、PCBA外部模拟电路，所述床体上安装有测试针，所述测试针的上方设置有夹紧装置，所述床体内安装有PCBA外部模拟电路，所述PCBA外部模拟电路通过信号接口、测试点信号和控制信号线与信号调理板相连接。所述夹紧装置包括垂直固定于针床上的导轨以及水平安装在导轨上的夹紧板组成。所述信号调理板包括可编程运算放大器、电子开关、数字信号电路、阻抗匹配电路相互连接组成，所述可编程运算放大器分别与电子开关、数字信号电路相连接，并通过测试点信号和控制信号线与针床的信号接口相连接，所述电子开关还分别与数字信号电路、阻抗匹配电路相连接，所述阻抗匹配电路与数据采集控制卡相连接。所述数据采集控制卡为ISA总线采集卡或者PCI总线采集卡。

采用所述一种成品线路板自动测试校正系统的成品线路板自动测试校正方法，包括如下步骤和工艺条件：

启动计算机，运行采集及数据处理程序，进行初始化，同时对数据采集控制卡、信号调理板、针床进行初始化，检测信号连接状态，进入等待状态；

用户向计算机输入PCBA型号等操作信息；

计算机根据PCBA型号再次进行初始化，同时将信号调理板、针床初始化到适合PCBA型号的参数下；

将待测的PCBA放入针床；

针床上的多组测试针对PCBA上的多个测试点进行测试，并以电压信号的方式将测试信号输送给信号调理板中的可编程运算放大器；

经过信号调理板运算放大、通道选择和校正后的测试信号传送到数据采集控制卡，再通过计算机显示测试点的状态信息、电压值、电压波形信息，同时存储数据。

为了更好地实现本发明，所述待测的PCBA放入针床后，首先通过信号调理板的数字信号电路、数据采集控制卡，将针床中的PCBA外部模拟电路状态信息在计算机上显示出来，并提示PCBA准备好，开始测试、采集信息。所述计算机通过数据采集控制卡，对信号调理板、针床的工作状态进行控制，自动调整PCBA外部参数，并对数据进行判断，在PCBA测试信号发生错误时报警，提示用户直至消除错误。所述计算机通过数据采集控制卡自动调节PCBA上的电路设置，进行校正，直至正常。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明保留了PCBA单点和多点调试系统、针床的全部优点，改进了数据显示形式，利用数据采集及处理程序对各测试点信号进行采集处理显示，实现了所有电压值/电压波形测试点的一次性测试、自动保存和显示信息的目的，操作方便，解决了现有技术中各测试装置和方法效率低这一最大问题。

2、本发明采用高速数据采集控制卡采集测试点信息，成本相对较低，适合中小型工厂；采集过程稳定可靠，精度高；具备数字信号I/O口，能够接收和发送数字信号；接口简单。

3、本发明利用数字信号控制继电器从而控制各种开关量，利用电子电位器代替传统电位器调节电位，减少了手工操作，提高了系统的稳定性和测试的效率，减少了测试人员的劳动强度。

4、本发明由于信号调理板中的运算放大部分采用了可编程运算放大器，因此可以通过动态调整适合不同的线路板和测试点，从而减少了成本。

5、本发明适用于各个行业PCBA测试使用，系统稳定性好、测量精度高、调试方便、具有良好操作界面、使用简单，可实现记忆存储功能。

附图说明

图1是本发明所述一种成品线路板自动测试校正系统的结构方框图；

图2是本发明中信号调理板的结构方框图；

图3是本发明中信号调理板可编程运算放大器的电路原理图；

图4是本发明中信号调理板电子开关通道选择的原理示意图；

图5是本发明所述一种成品线路板自动测试校正系统的信号连接示意图；

图6是本发明所述一种成品线路板自动测试校正方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。

实施例一

本实施例以电焊机行业PCBA测试为例。计算机采用台湾研华科技有限公司的产品，详细参数如下：

计算机(工控机)：

PCA-6006LV主板

PCA-6113P4底板

Intel Pentium 42.4GHz CPU

Kingston 256M DDR内存

Seagate 80G IDE硬盘(7200转)

Asus DVD光驱

D-Link 100M网卡

250W 工业电源

数据采集控制卡型号：PCL-1800，为330KHz高速多功能数据采集卡。详细参数如下：

12位A/D，330KS/s采样速率

1K采样FIFO

16路单端或8路差分输入

2路12位D/A(其中一路带DMA)

16路DIO和一个16位计数器

模拟量触发功能

16路用于模拟量触发的模拟量看门狗

如图1所示，本发明所述一种成品线路板自动测试校正系统包括针床、信号调理板18、数据采集控制卡15和计算机相互连接组成，信号调理板18分别与针床、数据采集控制卡15相连接。计算机由主机14、显示器13相互连接组成。数据采集控制卡15通过ISA/PCI总线11与计算机的主机14相连接。

针床包括床体3、测试针5、夹紧装置、PCBA外部模拟电路4相互连接组成，床体3上安装有测试针5，测试针5的上方设置有夹紧装置，床体3内安装有PCBA外部模拟电路4，PCBA外部模拟电路4通过信号接口6、测试点信号和控制信号线7与信号调理板18相连接。夹紧装置包括垂直固定于针床上的导轨2以及水平安装在导轨2上的夹紧板1组成。PCBA线路板12通过导轨2定位，放入测试针5上，测试针5具有弹性，并且准确定位于PCBA线路板12的各个测试点，放置完毕后压紧夹紧板1，测试针5就与PCBA线路板12完全接触上，为PCBA线路板12提供电源和外围电路的电气连接。PCBA外部模拟电路4是为了测试PCBA线路板12正常工作所设计的电路，它包括PCBA线路板12正常工作的所有外围电路，例如电源、测试点连线、电子电位器(模拟PCBA线路板的调节电位器)和继电器(模拟PCBA线路板的转换开关)等。信号接口6的作用是向信号调理板18的测试点信号接口8传递PCBA测试点信号，向针床的PCBA外部模拟电路4传送信号调理板18的控制信号接口9发出的控制信号，当系统测试时需要PCBA外部模拟电路4中某个开关闭合，则控制信号通过信号接口传递至PCBA外部模拟电路4，控制继电器的通断实现开关的闭合。信号调理板18调理后的测试点信号16通过信号接口17送至数据采集控制卡15，数据采集控制卡15则将数字控制量I/O10送至信号调理板18。本发明中的测试点信号均为原始电压信号，信号电压范围为-15V～+15V，可为电压或者波形。由此可见，本发明的针床与现有专业PCBA生产厂商所使用的针床具有明显不同的特征，后者根本没有电子电位器和继电器，也不设信号接口。

由于针床要适应不同的PCBA，而不同的PCBA有不同的测试点和测试点位置，所以针床在设计时采用可移动测试针式针床方案和多套针床方案。前者在更换不同的PCBA时调整测试针的位置较为麻烦，定位较难；而后者虽然成本增加，但定位简便，使用起来切换方便，只需要拔插信号接口线即可。在本实施例中采用后者。

如图2所示，信号调理板包括可编程运算放大器、电子开关、数字信号电路、阻抗匹配电路相互连接组成，可编程运算放大器分别与电子开关、数字信号电路相连接，并通过测试点信号和控制信号线与针床的信号接口相连接，电子开关还分别与数字信号电路、阻抗匹配电路相连接，阻抗匹配电路与数据采集控制卡相连接。其中，可编程运算放大器是对传输出来的测试点信号进行预处理，因为数据采集控制卡只能接收最小-5V、最大+5V的信号，所以在这里需要对各种不同电压的信号进行缩放处理。但是，每个信号的强弱是不同的，有的信号最大只有0.5V，有的信号则有15V，为了充分利用数据采集控制卡A/D转换的精度，需要把各种不同电压范围的信号都转换成-5V～5V的信号，因此本实施例通过可编程运算放大器，利用软件控制放大系数的改变，从而适应不同的PCBA。由于数据采集控制卡最多只有8路差分输入，而本实施例设计最多输入通道数为32路，其中备用8路，使用24路。所以，在信号调理板中设计有多路电子开关，通过分时共享方式采集不同的6路信号，这样通过4次变换就能采集完24个测试点的信息。由于对电压信息更新速度要求不高，所以该方案能够满足设计要求。数字信号电路是用来选择多路电子开关的，也是用来控制和采集针床中外部模拟电路的。阻抗匹配电路的作用是增大采集信号的输入电阻，减小对PCBA测试点电压的影响，防止采集过程对PCBA测试点的电压、电流造成太大影响而损坏PCBA。本发明中阻抗匹配电路采用电压跟随的方式，即输入信号＝输出信号。经过阻抗匹配后的信号直接送入数据采集控制卡。

如图3所示，可编程运算放大器是一种可以通过数字信号控制放大倍数的芯片，可编程运算放大器的输入端输入由针床传来的原始电压信号，设该信号为U_x，运算放大器输出为U_y，则由

其中R4是一电子控制的可变电阻，大小由程序控制，所以U_y的大小也是可控制的，变化规律是U_y的大小随着R4的增大而增大，随着R4的减小而减小，但是，U_y和U_x是反相的。

如图4所示，多路电子开关是由于所要采集的通道数大于数据采集控制卡的最大通道数，所以需要进行分时采集。A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2都为经过可编程运算放大器放大的测试点信号，由于数据采集控制卡设计最多一次只能采集6路信号，所以对于这12个信号需要分两次采集，开始时通过数字量控制电子开关选择A1、B1、C1、D1、E1、F1送入阻抗匹配电路，待数据采集控制卡采集完毕后，再次通过数字量控制电子开关选择A2、B2、C2、D2、E2、F2送入阻抗匹配电路，如此循环。由于采集的速度足够快，所以显示数据时感觉不到数据出现的先后。

如图5所示，针床是用来获取PCBA测试点的信息；信号调理板的作用是预处理信号以达到数据采集控制卡的要求，数据采集控制卡对信号进行采集和发出控制信号；最后由计算机中的数据采集及处理程序负责处理和显示数据。针床向信号调理板传输测试点的信息，同时接收和发送数字状态量；而信号调理板则接收来自针床的测试点信息，并进行处理，最后传递给数据采集控制卡，同时也向针床传递来自数据采集控制卡的控制量，控制针床外部模拟电路；连接数据采集控制卡的计算机是系统的核心，它接收状态信息，同时发出控制信号。接收到的测试点信息经过数据处理后显示在软件界面上，并能实时生成波形图；来自程序的控制命令通过数据采集控制卡传递给信号调理板，进行相应的动作。

如图6所示，本发明所述一种成品线路板自动测试校正方法，包括如下步骤和工艺条件：

启动计算机，运行数据采集及处理程序，进行初始化，同时对数据采集控制卡、信号调理板、针床进行初始化，检测信号连接状态，进入等待状态；

用户通过外接条形码扫描仪或者键盘输入向计算机输入PCBA型号、操作者姓名等操作信息；

计算机根据PCBA型号再次进行初始化，同时将信号调理板、针床初始化到适合PCBA型号的参数下，包括调整信号调理板中可编程运算放大器对测试点信号的放大倍数等；

将待测的PCBA放入针床，固定好；

显示器上显示PCBA外部模拟电路状态信息，并提示PCBA准备好，点击“开始采集”，针床上的多组测试针对PCBA上的多个测试点进行测试，并以电压信号的方式将测试信号输送给信号调理板中的可编程运算放大器；

经过信号调理板运算放大、通道选择和校正后的测试信号传送到数据采集控制卡，再通过计算机显示测试点的状态信息、电压值、电压波形信息，同时存储数据(便于企业信息化发展及产品质量跟踪，保存信息包括：PCBA型号、测试日期、测试人、所有电压数据、电压信号结论、波形信息结论和其它情况)，计算机通过数据采集控制卡，自动调节PCBA上的电路设置(如电子电位器、继电器等)，进行校正，直至正常；

计算机通过数据采集控制卡，对信号调理板、针床的工作状态进行控制，自动调整PCBA外部模拟电路参数，并对数据进行判断，在PCBA测试信号发生错误时报警，则会通过图形和声音的形式提示用户直至消除错误。

测试中，对于有些PCBA需要调节外部模拟电路，比如电位器、开关等来测试PCBA的不同功能，这些测试过程都是由程序预先设计好的。以调整电位器为例，具体的调整过程如下：(1)系统按测试规范控制针床电子电位器调整到最小，系统判断此时测试点信号的情况；(2)系统按测试规范控制针床电子电位器调整到最大，系统再次判断测试点信号的情况，如有异常，则提示调整PCBA上的可调电位器。

在系统测试不同的PCBA时，显示器界面外观随之做相应的改变，可以显示各测试点的电位信息、可调电位器调整范围、测试点实时波形。通过本界面，测试信息一目了然，大大减小了测试及调整的工作量，提高了测试精度及效率。

自动调节PCBA外部电路参数状态，可以根据情况选择手动调节各个参数状态，增加测试的灵活性；测试中，如果测试不通过，可手动调节PCBA板上的相关电位器，使测试点满足要求。

在上述方法中，数据采集及处理程序是在windows98及以上系统环境下使用VC++6.0开发完成，包括采集程序、数据处理程序、数据绘图程序、数据显示程序及各种操作辅助程序，各功能程序的作用如下：

(1)数据采集程序模块：在程序开始采集后通过调用数据采集控制卡的采集函数读取来自信号调理板的信号，并存储在数组里。因数据采集一次只能完成6路，所以在每采集完6路信号时，需要设计一个数字量控制信号输出对通道选择电路进行控制，选择相应的通道进行采集；

(2)数据处理程序模块：在采集过程中难免因各种干扰和测试点本身电平的波动而产生测试点信号的波动，所以必须通过一定的数字滤波后将数据显示出来，否则直接影响可读性。数字滤波的算法是：设每次采样的次数为50次，则程序数组里有50个数据，设这些数据为U_i(i＝0～50)，然后去除严重偏离正常值的点，相应采集次数减少，最后通过

(其中n为不符合要求的点)得到该测试点的非常稳定的电压信息。该处理方法实际应用效果非常好，增强了可读性和可操作性；

(3)数据绘图程序模块：对于电压波形信号的测试点，将采集出来的信号不经数据处理而直接在屏幕相应位置绘出图形，程序中对于单独的和其它波形无相位关系的波形采样频率高达200K，对波形的细节显示非常详细。对于有相位关系的两个波形或三个波形，它们的采样必须尽量在同一个时刻采集才能保证相位关系，所以必须两个或三个通道一起采集，最后先后显示出来，程序中为了实现这种相位关系，对有严格相位关系的波形数据采集设计在同一个循环内，这样两者的误差就不超过采集一个数据点的时间；

(4)数据显示程序模块：对于以电压形式判断的测试点在读取数据后乘以一个比例系数后直接显示在软件界面上。此外，数据显示程序还对各种数据进行判断，对于有异常的信号会在相应位置提示用户，直至异常消除；

(5)辅助操作程序模块：辅助操作程序包括登陆子程序、设置程序、日期记录和数据保存子程序。

实施例二

本实施例以电焊机行业最为常见的KR线路板为例。

将KR系列PCBA放入针床，夹紧工装，检查连线后通电；

启动计算机，运行数据采集及处理程序，输入测试者姓名和PCBA型号，确定后进行一系列的初始化后，进入等待状态；

点击“开始采集”，系统开始采集各个点的信息，经过适当处理后显示在屏幕上。如果没有需要校正，可点击保存，测试结束。

本实施例经过试验，具有以下特点：

1、测试校正效率高：充分发挥软件和数据采集控制卡强大的采集和控制功能的优势，通过针床采集各个测试点的信号，经过信号调理板调理后送入数据采集控制卡，最后在屏幕上显示出来。同时系统也可以通过数据采集控制卡的数字I/O接口对外部电子电位器和继电器进行控制，测试准确、迅速。为提高测试校正的效率，系统还具有智能判断功能，对外部的连线错误和信号错误能够及时地进行提示和纠正。

2、良好的人机界面：数据采集及处理程序采用VC++6.0编写，界面直观。为方便各种文化层次测试者的使用，在程序中增加关键步骤的提示。当测试点出现故障时，会在屏幕的下方提示解决办法。整个软件界面功能齐全，操作简便，适合长时间操作。

3、完善的扩展功能：考虑不同行业的具体需求，本实施例预留了大量接口，以便功能扩展，如测试点就预留了8路用于以后扩展。此外，为了满足不同PCBA的测试要求，针对不同的PCBA可生成不同的界面，如测试点的数目变化，波形显示数目变化，测试内容的区别等都可以在界面上加以改变。

4、升级功能：工控机是适用于工业现场的一种高性能高可靠性微机，但其价格较贵。因此，如果系统能够使用于普通PC机，将能大大方便测试者使用。本实施例设计过程中充分考虑到这一点，其中所有硬件可以同时适用于台湾研华科技有限公司生产的工控机的ISA/PCI插槽和普通PC微机的PCI插槽。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims

1.一种成品线路板自动测试校正系统，其特征是，包括针床、信号调理板、数据采集控制卡和计算机，所述信号调理板分别与针床、数据采集控制卡相连接，所述数据采集控制卡与计算机相连接；

所述针床包括床体、测试针、夹紧装置、PCBA外部模拟电路，所述床体上安装有测试针，所述测试针的上方设置有夹紧装置，所述床体内安装有PCBA外部模拟电路，所述PCBA外部模拟电路通过信号接口、测试点信号和控制信号线与信号调理板相连接；

所述信号调理板包括可编程运算放大器、电子开关、数字信号电路、阻抗匹配电路，所述可编程运算放大器分别与电子开关、数字信号电路相连接，并通过测试点信号和控制信号线与针床的信号接口相连接，所述电子开关还分别与数字信号电路、阻抗匹配电路相连接，所述阻抗匹配电路与数据采集控制卡相连接。

2.根据权利要求1所述的一种成品线路板自动测试校正系统，其特征是，所述PCBA外部模拟电路包括模拟PCBA线路板调节电位器的电子电位器以及模拟PCBA线路板转换开关的继电器。

3.根据权利要求1所述的一种成品线路板自动测试校正系统，其特征是，所述夹紧装置包括导轨和夹紧板，所述导轨垂直固定于针床上，所述夹紧板水平安装在导轨上。

4.根据权利要求1所述的一种成品线路板自动测试校正系统，其特征是，所述数据采集控制卡为ISA总线采集卡或者PCI总线采集卡。

5.采用权利要求1所述一种成品线路板自动测试校正系统的成品线路板自动测试校正方法，其特征是，包括如下步骤和工艺条件：

用户向计算机输入PCBA型号等操作信息；

将待测的PCBA放入针床；

6.根据权利要求5所述的一种成品线路板自动测试校正方法，其特征是，所述待测的PCBA放入针床后，首先通过信号调理板的数字信号电路、数据采集控制卡，将针床中的PCBA外部模拟电路状态信息在计算机上显示出来，并提示PCBA准备好，开始测试、采集信息。

7.根据权利要求5所述的一种成品线路板自动测试校正方法，其特征是，所述计算机通过数据采集控制卡，对信号调理板、针床的工作状态进行控制，自动调整PCBA外部参数，并对数据进行判断，在PCBA测试信号发生错误时报警，提示用户直至消除错误。

8.根据权利要求5所述的一种成品线路板自动测试校正方法，其特征是，所述计算机通过数据采集控制卡自动调节PCBA上的电路设置，进行校正，直至正常。