CN110927461A - 一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，涉及测试系统技术领域。包括包括计算机、主模块以及辅模块，其特征在于：所述计算机通过网络线LAN电连接有主模块，所述主模块与辅模块之间间通过实时CAN总线连接。该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，计算机+主模块+辅模块的功能构造，分布式布局，各子系统独立完成各自采集分析任务，系统效率得以提升，这大大提高了工作效率，计算机负责主控信息发送，读取采集信息，分析波形数据，将占用资源最大的计算部分由CPU担任，充分发挥计算机数据处理的优势，同时将实时控制如电机控制，实时性高的采集数据，数据交互交由下位机处理，充分避免了计算机实时性偏弱的特点。
Description
技术领域
本发明涉及测试系统技术领域，具体为一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统。
背景技术
现有的按键弹力阻抗曲线系统，只能测试单个按键的力量-行程-阻抗曲线，在生产应用中，需要提高测试效率，这时需要使用多个力量传感器同时按压按键，同时绘制多个按键的力量-行程-阻抗曲线，识别按键的弹力及导通阻抗情况。
为了提高测试效率，需要加快测试速度，而高速情况下需要更高的采样速率和更加稳定的信号处理从而保证测试信号不失真，多个力量传感器涉及到的多路mV级信号的处理又通常会引起信号间的串扰；同样的，在键盘模组类的按键测试中，多个按键的线路本身在硬件上线路有重叠(呈矩阵排列)，如何在多个按键同时按压时准确测试多个按键的实时阻抗，本身又是一个难题，为此，提出一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统来解决上述问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，包括计算机、主模块以及辅模块，其特征在于：所述计算机通过网络线LAN电连接有主模块，所述主模块与辅模块之间间通过实时CAN总线连接；
所述主模块包括ADC采集模块、低通滤波器LPF、运算放大器OPA、全差分芯片FDA、高速多通道同步ADC、主MCU、隔离的多轴运动控制接口、MSCAN接口、硬件以太网协议栈芯片以及隔离的GPIO输入输出，所述高速多通道同步AD与主MCU通过隔离电路连接，所述主模块包括一个主MCU，提供所有可编程的程序接口、代码注入以及程序交互，所述MSCAN接口用于与辅模块交换测试点位及阻抗信息，所述隔离的GPIO输入输出用于支持测试系统所必须的IO信号控制，如启动、停止、指示灯控制以及蜂鸣器警示；
所述辅模块包括内置ADC模块、MSCAN接口、隔离输入输出、可编程输出的电流源以及高速模拟开关矩阵，所述隔离输入输出以及MSCAN接口的输出端双向电连接有内置ADC模块的输入端，所述内置ADC模块的输出端双向电连接有高速模拟开关矩阵的输入端，所述高速模拟开关矩阵的输出端双向电连接有可编程输出的电流源的输入端，所述内置ADC模块的MCU提供所有控制、采集相关的处理，所述MSCAN接口用于与主MSCAN通讯，交互电阻测试点位和电阻实时值信息，所述隔离输入输出用于其他必要的输入输出信号连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高速多通道同步AD信号处理的关键在于小信号先进入LPF，然后依次是OPA和FDA，同时使用高速多通道同步ADC。
作为本发明的一种优选技术方案，所述低通滤波器LPF提供了一个至少10KHz的信号低通滤波器，所述高速多通道同步ADC的芯片每个通道的采样频率至少在100kHz，提供了测试系统所必须的采样频率和信号带宽。
作为本发明的一种优选技术方案，所述主模块包括一个隔离的多轴运动控制接口，用于直接驱动步进或伺服电机驱动器，对整个测试系统进行力量加载、XY移动以及测试点位走位，所述主模块应包含1轴的运动控制接口，用于控制力量传感器加载轴运动，其余运动轴可使用其他运动控制驱动总线实现。
作为本发明的一种优选技术方案，所述主模块包含硬件以太网协议栈芯片，用于连接计算机，将采集到的所有力量、电阻、行程信息发送到计算机，同时接受来自计算机主控的各种指令信息，如GPIO控制，运动控制，采集设置，运行状态指令，基于LAN网络的大数据吞吐率，数据波特率至少可达50Mbps，保证高速多通道的采集的大数据传输。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高速模拟开关矩阵包含至少4组子开关矩阵：电流源正端、电流源负端、测试信号正端以及测试信号负端，且电流源正端、电流源负端通过开关矩阵连接至输出PIN脚，测试信号正端、测试信号负端一端连接至ADC采集输入，另一端连接至输出PIN脚。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，具备以下有益效果：
1、该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，计算机+主模块+辅模块的功能构造，分布式布局，各子系统独立完成各自采集分析任务，系统效率得以提升，这大大提高了工作效率。
2、该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，计算机负责主控信息发送，读取采集信息，分析波形数据，将占用资源最大的计算部分由CPU担任，充分发挥计算机数据处理的优势，同时将实时控制如电机控制，实时性高的采集数据，数据交互交由下位机处理，充分避免了计算机实时性偏弱的特点。
3、该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，主模块将电机控制和力量采集集成到一起，利用高速实时力量采集及力量预判断加入CPU计算中，可以实时控制电机的运动，避免力量过载，同时力量信号滤波、放大、采集在最短的电气路径上实现，以及ADC隔离和电机驱动隔离电路导入极大的提升了系统的抗干扰度，力量采集信号更加精准，实测2mV/V的力量传感器可以达到1/100000的有效分辨率，-3dB＝2KhZ情况。
4、该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，辅模块只负责采集电阻信号，同时利用CAN总线的高速+实时特性，通过CAN总线发送出去，确保了力量-阻抗-行程采样的同步和高速读取，实际应用中，电阻采集因线路连接PIN针过多(一般30PIN以上)，导线的分布电容以及回路的EMI均会引入干扰，造成电阻测试不稳定，使用CAN连接方式的辅模块，可以在最短的电气连接距离内与被测产品连接起来，大大提升测试精度及稳定性，同时减少布线的复杂程度。
5、该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，同时辅模块的CAN布局方式，在多工位测试时，仅需要增加一个辅模块，直接将CAN回路连接起来即可，大大降低了软件设计及硬件布线的复杂程度。
附图说明
图1为本发明提出的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统的系统构成示意图；
图2为本发明提出的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统的典型键盘排布图(被测样品)示意图；
图3为本发明提出的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统的典型键盘样品线路图；
图4为本发明提出的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统的模拟开关网络图；
图5为本发明提出的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统的同步分时间片采集力量电阻行程的流程图；
图6为本发明提出的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统的测试系统控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明公开了一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，包括计算机、主模块以及辅模块，所述计算机通过网络线LAN电连接有主模块，所述主模块与辅模块之间间通过实时CAN总线连接；
所述主模块包括一个ADC采集模块、由多路低通滤波器LPF、多路运算放大器OPA、多路全差分芯片FDA、高速多通道同步ADC、主MCU、隔离的多轴运动控制接口、MSCAN接口、硬件以太网协议栈芯片以及隔离的GPIO输入输出，所述高速多通道同步AD与主MCU通过隔离电路连接；以减低系统组件对电桥信号的干扰；所述主模块包括一个主MCU，提供所有可编程的程序接口、代码注入以及程序交互，所述MSCAN接口用于与辅模块交换测试点位及阻抗信息，所述隔离的GPIO输入输出用于支持测试系统所必须的IO信号控制，如启动、停止、指示灯控制以及蜂鸣器警示；
所述辅模块包括内置ADC模块、MSCAN接口、隔离输入输出、可编程输出的电流源以及高速模拟开关矩阵，所述隔离输入输出以及MSCAN接口的输出端双向电连接有内置ADC模块的输入端，所述内置ADC模块的输出端双向电连接有高速模拟开关矩阵的输入端，所述高速模拟开关矩阵的输出端双向电连接有可编程输出的电流源的输入端，所述内置ADC模块的MCU(为提高精度ADC也可以使用单独的芯片)，提供所有控制、采集相关的处理，所述MSCAN接口用于与主MSCAN通讯，交互电阻测试点位和电阻实时值信息，所述辅模块还包含一组隔离输入输出接口，用于其他必要的输入输出信号连接。
作为本实施例的一种具体技术方案，所述高速多通道同步AD信号处理的关键在于小信号先进入LPF，然后依次是OPA和FDA，同时使用高速多通道同步ADC，小信号的预先处理以及全差分的导入，提升了信号的信噪比和抗干扰能力。
作为本实施例的一种具体技术方案，所述低通滤波器LPF提供了一个至少10KHz的信号低通滤波器，所述高速多通道同步ADC的芯片每个通道的采样频率至少在100kHz，提供了测试系统所必须的采样频率和信号带宽。
作为本实施例的一种具体技术方案，所述主模块包括一个隔离的多轴运动控制接口，用于直接驱动步进或伺服电机驱动器，对整个测试系统进行力量加载、XY移动以及测试点位走位，所述主模块应至少包含1轴的运动控制接口，用于控制力量传感器加载轴运动，其余运动轴可使用其他运动控制驱动总线实现。
作为本实施例的一种具体技术方案，所述主模块包含硬件以太网协议栈芯片(硬件以太网协议栈根据MCU的不同，也可以内置于MCU中)，用于连接计算机，将采集到的所有力量、电阻、行程信息发送到计算机，同时接受来自计算机主控的各种指令信息，如GPIO控制，运动控制，采集设置，运行状态指令，基于LAN网络的大数据吞吐率，数据波特率至少可达50Mbps，保证高速多通道的采集的大数据传输。
作为本实施例的一种具体技术方案，所述高速模拟开关矩阵包含至少4组子开关矩阵：电流源正端、电流源负端、测试信号正端以及测试信号负端，且电流源正端、电流源负端通过开关矩阵连接至输出PIN脚，测试信号正端、测试信号负端一端连接至ADC采集输入，另一端连接至输出PIN脚，如图4所示，任意一个P脚可以通过内部开关切换为4种信号的任意一种，PIN脚数目与被测样件有关，大于被测样件，一般为40PIN、48PIN、64PIN等，1对1连接如图4所示的1-34脚位。
作为本实施例的一种具体技术方案，所述模拟开关切换时间ton+toff<1us，所述ADC及测试信号处理电路带宽≥100KhZ；为保证采集电阻信号的实时性，所述CAN总线波特率至少≥250kbps；单次切换模拟开关矩阵并采集有效的电阻数据时间<10us，在同时向下按压10个按键时，采集10个通道电阻<0.1ms，即主模块采样频率10kHz时，可以保证10个通道的力量、电阻信号的同步采集(即在0.1ms的时间片内轮询式测试10个电阻值，每次测试1个，共10次)；
每秒的数据量最低为10(通道)*2(力量+电阻)*32(bits)*10000(采样频率)＝6400000≈6.1Mbps<50Mbps，使用10kHz采样率，在运行速度40mm/s时，可以测量到间隔2.5um的测试点位的力量、行程、阻抗数据；
实际测量时，电阻数据采用16bits，采样5khZ，可以通过1Mbps的CAN总线将采集的电阻值实时发送至主MCU，因CAN总线本身为实时总线，所以在主MCU收集力量-电阻-行程数据时，三种数据任然在至少0.2ms内是同步刷新的，使用最新的CAN-FD协议，扩展CAN总线至10Mbps，同步时间可以压缩到0.1ms以内，
综上所述，该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，计算机+主模块+辅模块的功能构造，分布式布局，各子系统独立完成各自采集分析任务，系统效率得以提升，这大大提高了工作效率，计算机负责主控信息发送，读取采集信息，分析波形数据，将占用资源最大的计算部分由CPU担任，充分发挥计算机数据处理的优势，同时将实时控制如电机控制，实时性高的采集数据，数据交互交由下位机处理，充分避免了计算机实时性偏弱的特点，主模块将电机控制和力量采集集成到一起，利用高速实时力量采集及力量预判断加入CPU计算中，可以实时控制电机的运动，避免力量过载，同时力量信号滤波、放大、采集在最短的电气路径上实现，以及ADC隔离和电机驱动隔离电路导入极大的提升了系统的抗干扰度，力量采集信号更加精准，实测2mV/V的力量传感器可以达到1/100000的有效分辨率，-3dB＝2KhZ情况。
该高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，辅模块只负责采集电阻信号，同时利用CAN总线的高速+实时特性，通过CAN总线发送出去，确保了力量-阻抗-行程采样的同步和高速读取，实际应用中，电阻采集因线路连接PIN针过多(一般30PIN以上)，导线的分布电容以及回路的EMI均会引入干扰，造成电阻测试不稳定，使用CAN连接方式的辅模块，可以在最短的电气连接距离内与被测产品连接起来，大大提升测试精度及稳定性，同时减少布线的复杂程度，同时辅模块的CAN布局方式，在多工位测试时，仅需要增加一个辅模块，直接将CAN回路连接起来即可，大大降低了软件设计及硬件布线的复杂程度。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，包括计算机、主模块以及辅模块，其特征在于：所述计算机通过网络线LAN电连接有主模块，所述主模块与辅模块之间间通过实时CAN总线连接；
所述主模块包括ADC采集模块、低通滤波器LPF、运算放大器OPA、全差分芯片FDA、高速多通道同步ADC、主MCU、隔离的多轴运动控制接口、MSCAN接口、硬件以太网协议栈芯片以及隔离的GPIO输入输出，所述高速多通道同步AD与主MCU通过隔离电路连接，所述主模块包括一个主MCU，提供所有可编程的程序接口、代码注入以及程序交互，所述MSCAN接口用于与辅模块交换测试点位及阻抗信息，所述隔离的GPIO输入输出用于支持测试系统所必须的IO信号控制，如启动、停止、指示灯控制以及蜂鸣器警示；
所述辅模块包括内置ADC模块、MSCAN接口、隔离输入输出、可编程输出的电流源以及高速模拟开关矩阵，所述隔离输入输出以及MSCAN接口的输出端双向电连接有内置ADC模块的输入端，所述内置ADC模块的输出端双向电连接有高速模拟开关矩阵的输入端，所述高速模拟开关矩阵的输出端双向电连接有可编程输出的电流源的输入端，所述内置ADC模块的MCU提供所有控制、采集相关的处理，所述MSCAN接口用于与主MSCAN通讯，交互电阻测试点位和电阻实时值信息，所述隔离输入输出用于其他必要的输入输出信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，其特征在于：所述高速多通道同步AD信号处理的关键在于小信号先进入LPF，然后依次是OPA和FDA，同时使用高速多通道同步ADC。
3.根据权利要求1所述的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，其特征在于：所述低通滤波器LPF提供了一个至少10KHz的信号低通滤波器，所述高速多通道同步ADC的芯片每个通道的采样频率至少在100kHz，提供了测试系统所必须的采样频率和信号带宽。
4.根据权利要求1所述的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，其特征在于：所述主模块包括一个隔离的多轴运动控制接口，用于直接驱动步进或伺服电机驱动器，对整个测试系统进行力量加载、XY移动以及测试点位走位，所述运动控制接口用于控制力量传感器加载轴运动，其余运动轴可使用其他运动控制驱动总线实现。
5.根据权利要求1所述的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，其特征在于：所述主模块包含硬件以太网协议栈芯片，用于连接计算机，将采集到的所有力量、电阻、行程信息发送到计算机，同时接受来自计算机主控的各种指令信息，如GPIO控制，运动控制，采集设置，运行状态指令，基于LAN网络的大数据吞吐率，数据波特率至少可达50Mbps，保证高速多通道的采集的大数据传输。
6.根据权利要求1所述的一种高速多通道按键弹力阻抗曲线测试系统，其特征在于：所述高速模拟开关矩阵包含至少4组子开关矩阵：电流源正端、电流源负端、测试信号正端以及测试信号负端，且电流源正端、电流源负端通过开关矩阵连接至输出PIN脚，测试信号正端、测试信号负端一端连接至ADC采集输入，另一端连接至输出PIN脚。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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