Главная » Статьи » Автоматизированный контроль РЭАиП

Автоматизированный контроль РЭАиП

Контрольно-проверочные и измерительные системы: Автоматизированный контроль электронных устройств

Область применения

На производстве электронной аппаратуры, так или иначе, возникает необходимость тестирования выпускаемой продукции. Методы контроля зависят в основном от количества однотипной продукции выпускаемой производством. Если несколько обобщить, получим следующие решения, которые применяются на производстве.

Единичные количества продукции – в подавляющем большинстве случаев электронные узлы и готовые приборы проходят инструментальный контроль с привлечением квалифицированных и обученных специалистов. Для контроля используются приборы общего назначения (не специализированные): осциллографы, различные мультиметры и RLC-метры, частотомеры, анализаторы спектра и т.п. Это и не удивительно – гораздо дешевле и быстрее посадить “человека” на проверку, чем задействовать команду разработчиков для изготовления специализированного стенда, который может оказаться дороже тех двух-трех проверяемых приборов.

Мелкосерийное производство – самый неоднозначный тип производства с точки зрения автоматизации контроля выпускаемой продукции. В случае жестких требований к качеству выпускаемой продукции, использование штата обученных специалистов уже не так очевидно по сравнению с использованием специальных средств контроля (стендов) как по стоимости, так и по качеству тестирования. Человек, выполняющий монотонные операции может задуматься, отвлечься, полениться и в списке операций вроде “включить питание – проверить ток потребления – замерить напряжение к точке 1 – проверить осциллограмму в точке 2 – переключиться в режим…” появится пропуск операции или человек просто не обратит внимание на неверное значение. Но специализированную аппаратуру изготавливать все еще накладно, либо просто отсутствует необходимое на разработку время у разработчиков электронного оборудования. Часто, при отсутствии автоматизированных систем контроля, специалисты, занятые тестированием продукции делают различные приспособления с переключателями, светодиодами, лампочками и т.п. которое помогает ускорить процессы тестирования. Тем не менее, такие “домашние заготовки” являются недостаточными и не обеспечивают должной автоматизации тестирования.

Среднесерийное и выше производства – практически всегда используют специализированные средства контроля и приспособления, даже в том случае, если проверяется не вся продукция, а только часть. Стоимость контрольно-проверочного оборудования не оказывает существенного влияния на цену выпускаемой продукции и позволяет экономить средства на гарантийном обслуживании за счет повышения качества продукции и снижения количества отказов.

Все вышесказанное имеет отношение к той продукции, которая по требованиям или статусу должна быть выше среднего по качеству. Например, однодолларовые зарядки вряд ли кто-то тестирует в Китае. Заряжать или нет такой зарядкой дорогой телефон – личное дело каждого.

Тестированию могут подвергаться отдельные радиодетали (ЭРЭ), печатные платы (с напаянными радиоэлементами), сборки из нескольких плат и жгутов с разъемами, электронные узлы, готовые приборы.

Тестирование ЭРЭ

Тестирование электронных радиоэлементов называется входным контролем. Обычно, из катушки или пенала с элементами выбирают несколько штук элементов и тестируют. Резисторы, конденсаторы, диоды, индуктивности тестируют с помощью обычных приборов – мультиметров, RLC-метров. Для точных элементов требуется проверка в термоциклической камере. Чип конденсаторы, резисторы и индуктивности без маркировки, на мой взгляд, необходимо выборочно тестировать в обязательном порядке, поскольку бывают случаи пересортицы и ошибочной маркировки на упаковке, с такими случаями я сталкивался лично. Для транзисторов, кварцевых резонаторов и т.п. можно найти готовые решения. Для реле, DC-DC преобразователей, модулей радиоприема и передачи можно разработать несложные средства проверки, в этом они мало отличаются от продукции собственной разработки. Сложнее с такими элементами как микроконтроллеры, специализированные микросхемы, например, MCP2515 и т.п. Из-за миниатюрных размеров ЭРЭ и мелкого шага выводов существует проблема с подключением ЭРЭ к испытательному оборудованию. Устраивать ли тестирование таким ЭРЭ – решается в каждом случае индивидуально.

Тестирование плат, узлов и приборов

Принцип работы автоматического тестирования обычно заключается в воздействии на проверяемое изделие тестовыми сигналами и наблюдением откликов от проверяемого изделия. Представим некую “печатную плату в вакууме” с тремя резисторами. Пусть эта плата называется «Плата сопротивлений», а стенд исполняет роль автоматического тестера.

Контроль резисторов на плате

Рис. 1. Схема контроля резисторов на плате

На IO микроконтроллера стенда, настроенные как логический выход, поочередно генерируются сигналы положительной амплитуды, т.е. на каждом выходе необходимо выставить логическую единицу на определенное время. Пока единица воздействует на один из резисторов, необходимо провести измерений каналами АЦП. АЦП, обычно, встроен в микроконтроллер. Резисторы проверяемой платы со стороны АЦП подгружены эталонными резисторами. Зная величину логической единицы в вольтах на выходе IO контроллера, величину эталонных резисторов, величину напряжения, измеренную АЦП, можно рассчитать величину сопротивлений на тестируемой плате. Расчет выполняет MCU. Далее MCUсравнивает рассчитанную величину сопротивления с требуемой величиной и делает выводы об исправности тестируемой платы. Эта информация выводится на дисплей стенда. Заодно, на дисплей выводится подсказка для оператора, где кроется проблема, если плата сопротивлений не пройдет тест.

Конечно, в реальной плате будет не три резистора, а гораздо больше. Кроме резисторов будут присутствовать и конденсаторы, и микросхемы, и транзисторы, и много чего еще. Поэтому и начинка стенда получится весьма сложной. Вот пример платы из устройства контроля одного электронного модуля:

Пример платы из устройства контроля

 

Пример платы из устройства контроля

Рис. 2. Пример платы из устройства контроля

Одна из основных задач автоматизированной аппаратуры контроля – обеспечить беспристрастную, автоматическую, с минимальным вмешательством оператора проверку.

Узкоспециализированные контрольно-измерительные устройства

Выше, в качестве примера, было показано типовое решение при построении такого рода оборудования: одна узкоспециализированная плата (один стенд или устройство), как правило, с микроконтроллером, тестирует другую плату, блок, узел и т.п. Такой подход имеет смысл в случае выпуска действительно большого количества однотипных изделий.

Специализированный стенд

Рис. 3. Типовая структурная схема узкоспециализированного стенда

На рисунке 3 показана типовая блок-схема специализированного стенда. Стенд тестирует изделие как автономно, так и под управлением ПК. Для управления с ПК пишется специальная программа для ОС Windows XP и новее. За счет развитого человеко-машинного интерфейса, в программе ПК можно реализовать дополнительные функции: графическое или схематичное изображение проверяемого изделия, управление тестированием не по заданной программе, а произвольно и т.п. Это позволяет быстро находить неисправности, вести лог-файл, обеспечивать автоматическое документирование тестирования и т.д.

У специализированных стендов есть вполне определенные недостатки. Первый недостаток вытекает из необходимости разрабатывать достаточно сложную электронику для тестирования всего лишь одного устройства. Это означает, что изготовление стенда всегда будет сильно отставать от начала выпуска продукции, требующей тестирования. Второй недостаток вытекает из архитектуры специализированных стендов. В таких стендах все задачи ложатся на один микроконтроллер: тестирование устройства, расчет этапов тестирования, съем показаний АЦП, активная работа с I/O, таймерами, внешней периферией, обработка кнопок, поддержание меню на дисплее, обмен с ПК и многое другое. Программный код для микроконтроллера становится слишком громоздким и неповоротливым, добавление  и изменение одних функций может привести к нестабильной работе других. Поддерживать такой код проблематично.

Универсальные Контрольно-измерительные системы

Решить проблемы тестеров с “узкой специализацией” могут универсальные КИС (контрольно-измерительные системы), обеспечивающие контроль широкой номенклатуры выпускаемой продукции и узлов. Разумеется, у любой универсальности должна быть грань разумного – не стоит разрабатывать устройство, способное тестировать одновременно кабели, жгуты, печатные узлы, высоковольтную электронику и высокоскоростную цифровую электронику, а заодно и микрополосковые СВЧ модули. Тем не менее, всегда можно определить широкий спектр более-менее однотипной продукции, для которой имеет смысл разрабатывать общее устройство контроля.

Пример, внимание – это только пример, такого деления показан на рисунке 4.

Разбиение многофункциональных средств контроля на группы

Рис. 4. Пример разбиения многофункциональных средств контроля на группы.

Серая область является опциональной и позволяет автоматизировать бумажную работу при тестированиях, вести журналы о проверке продукции, в том числе с номерами – некоторые микроконтроллеры на проверяемых платах могут иметь уникальный номер и т.п.

Важно понять:

1) Универсальное устройство тестирования не оперирует такими понятиями как “проверить плату такую-то”. Оно оперирует такими понятиями как:

  • Число логических выходов
  • Число логических входов
  • Число аналоговых выходов
  • Число аналоговых входов
  • Число фиксированных нагрузок
  • Число электронных регулируемых нагрузок
  • Число счетчиков импульсов
  • Число модулей контроля интерфейса (SPI, UART, CAN и т.д.)
  • … и так далее в зависимости от задач.

2) Перечисленные задачи реализуются не на одной большой плате, а в виде относительно небольших электронных схем. Такой подход позволяет разделить между микроконтроллерами задачи, сделав их простыми и легко описываемыми, позволяет оперативно добавлять новые модули, если не хватает имеющихся. Пример структурной схемы показан на рисунке 5.

Типовая структурная схема многофункционального устройства контроля

Рис. 5. Типовая структурная схема многофункционального устройства контроля (стенда).

Каждый блок схемы – небольшая схема со своим микроконтроллером. Все схемы объединяются внутри стенда информационной шиной. Все схемы, кроме тех, которые гарантированно используются в единичном числе в стенде, желательно выполнять в одном форм-факторе. Корпус стенда конструктивно должен предусматривать возможность установки дополнительных плат. При разработке методики тестирования новых образцов выпускаемой продукции необходимо проанализировать возможности стенда. Если не хватает, например, каналов АЦП, необходимо добавить в стенд нужное количество модулей. Если потребуется модуль с функцией, которой еще нет в стенде, его можно разработать и добавить в стенд. Кроме прочего, можно предусмотреть возможность объединения двух или более стендов с целью их совместной работы, что значительно расширяет возможности по тестированию устройств.

Может показаться, что решение с применением нескольких микроконтроллеров получится перегруженным. На самом деле, решение получается даже проще, поскольку для всех однотипных модулей пишется одна программа микроконтроллера. Сами программы тоже достаточно просты, разные модули не мешают друг другу при работе (не делят процессорное время) и т.п. Эти утверждения базируются на моем личном опыте, т.к. я участвовал в разработке системы включающей более тысячи микроконтроллеров. Попытки уменьшить количество микроконтроллеров переложив функции подчиненных микроконтроллеров на главные были неудачными.

Как и у любого другого решения, универсальные стенды имеют недостатки. Универсальный стенд имеет сложную конструкцию и требует много времени на разработку как в конструктивном, так и в схемотехническом планах. Еще один недостаток заключается в большой стоимости универсального решения. С другой стороны, заменив три-четыре узкоспециализированных стенда, универсальный стенд себя окупит как по времени разработки, так и по конечной стоимости.

 

Измерительные приборы в контрольно-измерительной аппаратуре

Тестируемая продукция может генерировать сложные сигналы, иметь выходы образцового тока или напряжения, высокой частоты, в т.ч. с требованиями к стабильности сигнала и т.п. В таких случаях разработка анализирующих устройств становится долгой и дорогой, и в результате – невыгодной. Избежать затяжных разработок можно применением приборов общего назначения. Например, для контроля формы сигнала можно использовать осциллограф с тестами по маске. Разумеется, для автоматизации контроля, осциллограф должен иметь связь с ПК по USB, LAN, RS-232 и т.п. для обмена информацией, а также развитую систему дистанционного управления и съема информации.

Недостаток такого решения кроется в необходимости покупать дорогое оборудование из профессионального сегмента, т.к. недорогое оборудование не имеет связи с ПК, либо недостаточно развитую систему команд в протоколе обмена. На мой взгляд, наличие высококлассного оборудования на производстве и у разработчиков минусом не является.

Метки::

Ваш отзыв