智能燃氣表主控電路板仿真檢測技術

向海堂， 權亞強， 梁永增

(成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川成都610100)

1 概述

智能燃氣表主控電路板作為智能燃氣表的重要硬件組成部分，為智能燃氣表的集成電路及各種電子元器件提供機械支撐，實現集成電路與各種電子元器件之間的布線、連接以及電絕緣。主控電路板組成結構相對復雜，組成電子元器件較多，在裝配完成后，主控電路板上電子元器件可能存在缺失、偏移、錯件以及短路等現象，直接影響智能燃氣表的產品性能。為了保證產品質量，需要對每個主控電路板進行檢測，以確保智能燃氣表能夠正常工作。

2 檢測項目及傳統檢測技術

① 檢測項目

智能燃氣表主控電路板主要包括計量脈沖模塊、閥門控制模塊、第二電源模塊以及第二擴展功能接口模塊，智能燃氣表主控電路板功能模塊見圖1。計量脈沖模塊具有計量功能，閥門控制模塊具有閥門控制功能，第二電源模塊具有異常電壓和異常電流保護功能，第二擴展功能接口模塊具有功能擴展功能。

圖1 智能燃氣表主控電路板功能模塊

a.計量功能檢測

能夠準確計量是對智能燃氣表的最基本要求，因此膜式燃氣表基表計量數據是否能夠準確地轉化為電子脈沖信號并被接收，對于計量結果準確性至關重要。而智能燃氣表主控電路板作為接收電子脈沖信號的核心部件，必須對其計量功能進行檢測。計量功能檢測包括電子脈沖信號接收、識別功能檢測和抗磁干擾功能檢測。

b.閥門控制功能檢測

智能燃氣表主控電路板是否能夠對閥門行使有效的控制是主控電路板功能的重要標志。

c.異常電壓和異常電流保護功能檢測

智能燃氣表主控電路板存在最佳工作電壓和電流，電壓和電流無論是過高還是過低均會對智能燃氣表的穩定性和可靠性產生影響。因此主控電路板均設有異常電壓和電流保護功能，無論是從計量方面考慮還是燃氣使用安全方面考慮，都需要對主控電路板的異常電壓和異常電流保護功能進行檢測。

d.擴展功能檢測

為了滿足智能燃氣表不同的使用場景需求，主控電路板設置有第二擴展功能接口模塊以實現功能擴展，如燃氣泄漏報警器功能接口、地震傳感器功能接口等。因此，在對智能燃氣表主控電路板進行檢測時其擴展功能檢測同樣必不可少。

② 傳統檢測技術

a.人工目測檢測法

人工目測檢測法是依靠工作人員肉眼對主控電路板電路及其電子元器件進行檢測。由于智能燃氣表產品和功能的多樣性，主控電路板的檢測往往需要多套人工檢測程序才能完成，帶來了生產設備管理成本的增加。同時，人工目測檢測主觀性太強，隨意性大，勞動強度高，眼睛易疲勞，漏檢率很高，易造成誤檢測，不僅效率低，而且功能檢測不夠全面[1]。隨著主控電路板生產工藝的不斷提高，主控電路板正在向電子元器件封裝微型化、數字化、高密度化方向發展，主控電路板故障也呈現出復雜化，人的肉眼已經無法有效分辨主控電路板上電子元器件的細節輪廓。

b.光學檢測法

光學檢測法是通過數碼照相機或掃描儀等儀器獲取主控電路板掃描圖像信息，與標準圖像數據進行比較，實現對電路板缺陷的檢測。光學檢測法與人工目測檢測法原理是一樣的，均是將待測主控電路板與標準主控電路板進行對比來發現電路板存在的問題。光學檢測法相對于人工目測檢測法對主控電路板的檢測更微觀，更細致，提高了檢測效率和準確度[2]，具有快捷迅速、故障定位準確等特點，但其缺陷也很明顯：只能識別物理缺陷，無法診斷主控電路板的動態功能故障。

c.傳統的功能檢測法

傳統的功能檢測法是將主控電路板與擬安裝電路板的產品連接，通過的輸入相應的驅動信號，觀察產品響應情況，將響應情況與預期的正確結果進行比較，如果一致，則認為主控電路板滿足裝配要求；若不一致，則認為電路板存在故障，需對主控電路板電路及電子元器件進行進一步檢測。傳統功能檢測法優點是能夠對電路板進行動態功能檢測，檢測準確度高，但其處于生產線的末端，是對成品整體進行檢測，發現問題后需要對主控電路板進行拆卸修理或更換，增加了生產成本，因此傳統的主控電路板功能檢測法并不適用于生產線檢測。

3 主控電路板仿真檢測技術

為了克服傳統電路板檢測技術存在的不足，本文提出了一種智能燃氣表主控電路板仿真檢測技術(已取得國家專利[3])，通過對主控電路板輸入相應的仿真信號，觀察響應信號是否與預期的正確結果一致：如果一致，則認為主控電路板滿足裝配要求；若不一致，則認為主控電路板存在故障，需對主控電路板進行進一步物理缺陷和功能缺陷檢測。本技術不需要將主控電路板與燃氣表基表連接，所有檢測信號均由電路板檢測裝置的軟件生成，一次性對電路板所有功能進行檢測，自動化運行，其檢測結果與成品檢測結果一致。

① 電路板檢測裝置

本文所述電路板檢測裝置能夠實現對主控電路板各項功能的檢測和驗證，電路板檢測裝置功能模塊見圖2。主控模塊與各模塊之間信號相連，電壓指示模塊、電流指示模塊以及檢測模塊與主控電路板相連。

圖2 電路板檢測裝置功能模塊

a.主控模塊

主控模塊負責電路板檢測裝置中所有模塊的協調工作，是電路板檢測裝置的核心。主控模塊內預置有檢測結果判定程序，能夠通過分析接收到的檢測信號，判斷主控電路板電子元器件及電路焊接等裝配是否合格。

b.觸發模塊

當觸發模塊被啟動時，會向主控模塊發出高低電平，主控模塊通過解讀電平信號，決定是否啟動檢測指令。當檢測指令被激活時，電路板檢測裝置會進入主控電路板檢測流程，對電路板各項功能進行檢測。

c.設置模塊

通過設置模塊可設置當前被檢測主控電路板的電路板型號，以啟動與該電路板型號相對應的檢測程序。在設置模塊中儲存有多個與電路板型號相對應的檢測程序，不同檢測程序對應不同型號電路板。

d.第一電源模塊

第一電源模塊的作用在于提供穩定的能源給電路板檢測裝置，以保證電路板檢測裝置中各功能模塊正常運行。

e.程控電源模塊

程控電源模塊用于提供能源給主控電路板。主控模塊能夠控制程控電源模塊輸出的電壓以及電流，以驗證主控電路板低電壓保護、高電壓保護以及掉電保護等功能。

f.電壓指示模塊

電壓指示模塊與程控電源模塊連接，用于實時監控程控電源模塊提供給主控電路板的電壓。

g.檢測模塊

檢測模塊用于接收主控電路板的響應信號，并將響應信號發送給主控模塊，以使主控模塊通過分析響應信號來判斷主控電路板各項功能是否正常，并驅動顯示模塊顯示。檢測模塊結構見圖3。檢測模塊由閥門開關檢測模塊、計量脈沖檢測模塊以及擴展功能檢測模塊組成。

圖3 檢測模塊結構

閥門開關檢測模塊用于向主控電路板輸出閥門開關模擬信號，檢測主控電路板輸出的閥門開關響應信號，并負責將閥門開關信號發送給主控模塊，用以檢測主控電路板閥門控制線路和相關元器件功能是否正常。

計量脈沖檢測模塊用于輸出計量信號或磁干擾信號給主控電路板，并將主控電路板的響應信號傳輸給主控模塊。主控模塊中儲存有檢測判定協議，可根據該檢測判定協議對檢測結果進行驗證。例如，當計量脈沖檢測模塊向主控電路板輸入磁干擾信號時，主控模塊應能通過閥門開關檢測模塊傳輸來的信息判斷閥門開關狀態，當主控模塊接收到的是閥門關閉信號時，則判斷檢測結果通過了驗證，否則，則判斷主控電路板存在故障。

擴展功能檢測模塊用于檢測主控電路板的各擴展功能是否正常，如燃氣泄漏報警關閥功能等。

h.程序下載模塊

下載模塊是為了增加電路板檢測裝置的可擴展性。程序下載模塊與主控模塊連接，可將程序代碼編譯后錄入到主控模塊中，以實現對主控模塊中檢測程序的更新或新增。

i.電流指示模塊

電流指示模塊與主控電路板連接，用于檢測主控電路板工作過程中的電流大小以及變化情況。

j.第一擴展功能接口模塊

第一擴展功能接口模塊與主控模塊連接，用于對主控電路板的擴展接口功能進行檢測，如燃氣泄漏報警接口模塊等。第一擴展功能接口模塊能夠模擬智能燃氣表擴展功能信號，以對主控電路板的擴展功能進行檢測。

k.顯示模塊

顯示模塊用于顯示檢測過程和檢測結果。合格與不合格以指示燈不同顏色區分。如主控電路板通過檢測，則綠燈閃爍，若未通過檢測，則紅燈閃爍。

② 檢測流程

電路板檢測裝置的程控電源模塊能為主控電路板第二電源模塊提供穩定的能源支持，以保證主控電路板對各項模擬檢測信號作出響應，同時能控制主控電路板電壓和電流。電路板檢測裝置的檢測模塊與主控電路板中的計量脈沖模塊、閥門控制模塊以及第二擴展功能接口模塊連接：其中計量脈沖檢測模塊與計量脈沖模塊連接，用于接收計量脈沖模塊傳輸來的計量檢測數據；閥門開關檢測模塊與閥門控制模塊連接，用于接收閥門控制模塊傳輸來的閥門狀態信息；擴展功能檢測模塊與第二擴展功能接口模塊連接，用于接收第二擴展功能接口模塊傳輸來的附加功能相關信息：電路板檢測裝置第一擴展功能接口模塊能夠模擬擴展功能相關信號，通過檢測模塊傳輸至主控電路板，主控電路板第二擴展功能接口模塊會將響應信號傳輸至電路板檢測裝置主控模塊，進而對主控電路板的擴展功能進行檢測。

對主控電路板進行功能檢測時應首先對閥門控制功能進行檢測，以摒除檢測其他功能時閥門控制功能問題對檢測結果的影響，例如在進行異常電壓和異常電流保護功能檢測時，可能主控電路板此功能是正常的，但因為閥門控制功能存在問題，造成對主控電路板異常電壓和異常電流保護功能誤判斷。智能燃氣表主控電路板檢測流程見圖4。

圖4 智能燃氣表主控電路板檢測流程

a.首先依據主控電路板型號，通過電路板檢測裝置的設置模塊選擇對應的檢測程序。

b.在檢測到設置模塊設置完成后，觸發模塊啟動相應的檢測程序。

c.主控模塊在接收到觸發模塊傳輸來的檢測啟動信號后，控制第一電源模塊向主控電路板第二電源模塊提供穩定的電源。

d.閥門控制功能檢測：電路板檢測裝置主控模塊向主控電路板閥門控制模塊發出模擬的閥門控制信息，閥門開關檢測模塊通過檢測主控電路板的閥門狀態判斷主控電路板的閥門控制功能是否正常。若閥門功能異常，則需要人工介入，進行進一步物理缺陷檢測；若閥門功能正常，則繼續進行下列檢測。

e.計量功能檢測：主控模塊通過計量脈沖檢測模塊向主控電路板輸出頻率由低到高的脈沖信號，主控電路板中的計量脈沖模塊接收到這些信號并記錄，通過計量脈沖檢測模塊，將計量脈沖模塊記錄的脈沖數量與主控模塊發出的脈沖數量做對比，以判斷主控電路板計量功能的好壞。若計量功能異常，則需要人工介入，進行進一步物理缺陷檢測。

f.異常電壓和異常電流保護功能檢測：主控模塊通過程控電源模塊控制主控電路板電壓和電流。主控電路板檢測開始后，主控模塊首先會向主控電路板提供低電壓和低電流：若主控電路板功能正常，則閥門開關檢測模塊能夠檢測到主控電路板閥門控制模塊發送來的關閥信號，若主控電路板功能異常，則無法檢測到關閥信號。當確定主控電路板功能正常，并檢測到主控電路板發出的關閥信號后，此時主控模塊會認為閥門處于關閉狀態，為了方便后續檢測，主控模塊需先向主控電路板發出開閥信號，在閥門開關檢測模塊接收到開閥信號后，此時主控模塊會向主控電路板提供高電壓和大電流，以檢測主控電路板高電壓大電流保護功能。若異常電壓和異常電流保護功能異常，則需要人工介入，進行進一步物理缺陷檢測。

g.擴展功能檢測：電路板檢測裝置的第一擴展功能接口模塊可模擬不同模塊信息，如模擬燃氣泄漏信息：主控電路板第二擴展功能接口模塊在接收到燃氣泄漏信息后，若其功能正常，應能及時關閥并輸出相應的報警信息。電路板檢測裝置通過閥門開關檢測模塊能夠檢測到閥門開關信息，通過擴展功能檢測模塊能夠檢測到燃氣泄漏報警信息，則認為主控電路板擴展功能正常。若擴展功能異常，則需要人工介入，進行進一步物理缺陷檢測。

h.檢測完成后，若主控電路板檢測通過，則電路板檢測裝置顯示模塊綠燈閃爍；若主控電路板檢測未通過，則顯示模塊紅燈閃爍。根據顯示模塊狀態，將通過檢測的和未通過檢測的主控電路板分別儲存和處理。

4 結語

本文所述電路板檢測裝置能夠實現智能燃氣表主控電路板檢測的集成化和自動化，只需設置一次程序，便能夠實現電路板的集成化和自動化檢測，非常適合用于電路板生產線上的檢測，能夠降低生產設備的管理成本以及提高對主控電路板進行檢測的效率和準確性。