基于單片機的通用元器件測試設備的設計

洪明

（河北翼凌機械制造總廠，河北石家莊，050000）

0 引言

隨著時代的進步，信息時代的到來，各部隊信息化裝備越來越多，數字化設備越來越多，這也帶來了裝備維修難度的提升，不認識、不明白、不敢動制約了部隊基層對設備的修理能力，鑒于部隊人員的流動性，在技術積累上有一定的劣勢，故而針對設備維修的基礎操作，降低元器件維修的技術入門門檻，提高自學維修的效果，設計了基于單片機的通用元器件測試設備。系統采用ATMEGA644P作為主控，通過內置的A/DC接口對目標元器件進行電壓采樣，由CPU進行相應的算法處理，自動分析器件型號和計算測試參數，將結果通過LCD液晶屏顯示，LED顯示界面根據面向低技術人群，添加了更加人性化幫助提示功能，可以顯示測試方法、測試說明、好壞判斷、小技巧等，進一步幫助操作者提升維修能力。

1 設計思路

設計結合實際工作需求，確定需要檢測的常用元器件，即測試設備可以對電阻、電容、電感、二極管和三級管（包括場效應管MOS和BGT晶體管等）進行元器件的識別和測試，可以測試直插引腳和貼片引腳的器件，鋰電池電源供電，有詳細幫助提示功能。為此本設計的通用元器件測試設備由ATMEGA644P單片機、TL431A電源、鋰電池供電電路、接口保護電路，USART HMI液晶顯示屏組成。

系統結構工作原理如圖1所示，電池為整個系統供電，單片機系統供電電路為整個測試系統提供穩定的5V電壓，ATMEGA644P主控板在核心位置，起程序控制采集處理功能，并進行A/DC信號采集處理、元器件類型邏輯判斷，接口電路進行元器件連接固定和信號匹配，端口保護電路對主控電路輸入的信號進行電壓防護，防止測試電壓超出測試端口的范圍，顯示與人機界面交互電路用以顯示測試結果，并根據測試元器件的類型，顯示提示信息，讓操作者在日常檢測使用中學習元器件知識。

圖1 系統結構工作原理

2 系統設計

■ 2.1 機械結構設計

在系統設計時，采用內外并行設計的流程，根據預期的使用操作方法，進行外觀結構和面板接口等設計，設備考慮到基層使用人群的非專業性和使用環境的適應性，根據液晶屏和接口等產品尺寸進行設備內部模塊的結構設計，先使用SOLIDWORKS軟件繪制3D結構圖，按實際產品尺寸規劃設備內部板卡模塊尺寸和安裝結構，并設計優化外觀，方便操作者使用和進行人機交互。

該設計采用鋁合金殼體為主體結構，兩邊安裝橡膠護件，按鍵和TYPE-C充電口采用防水款式，可防水防塵，液晶面板和接口測試處進行防水防塵處理。內部采用框架結構，便于安裝，提升牢固性和整體的可靠性，鋁殼體還以提升設備的EMI性能。

設備上面板的測試連接座采用插接結構，方便在損壞、氧化等情況下進行更換，也可以根據不同的測試器件和設備擴展不同的測試座，以便提高設備的通用性。

設備上采用5寸LCD液晶屏，在界面操作功能選擇和數據瀏覽上有很明顯的優勢，液晶屏工作溫度為-20°C~ 60°C，內部芯片皆為工業級，通過觸控操作，接縫殼體使用硅膠進行加固和防水，使設備在環境適應性上有很大優勢。使該款設備不止是檢測設備，還是維修教材，可以將檢測時的提示信息存儲到設備的TF卡中，在檢測結果旁邊顯示提示，做到隨用隨學，學以致用。

圖2 設備機械結構設計

■ 2.2 主控芯片選擇

主控芯片的作用是接收來自串口顯示屏發送的指令，并處理指令，此時主控芯片輸出測試信號，同時采集電壓信號，根據不同引腳采集到的不同電壓值，進行算法處理、器件類型判斷、測量參數指標的計算，將測試結果的數據發送給串口顯示屏，交由串口顯示屏進行處理，顯示屏在得到數據后，根據不同的器件類型，顯示不同的圖片和提示信息。

根據設計采用串口顯示屏，在接口使用上有了大幅度的減少；對比市面上各類單片機，最終主控芯片選擇了ATMEGA644P, Microchip ATmega644P 8位AVR? CMOS微控制器是基于AVR?增強型RISC架構的低功耗器件，在單個時鐘周期內使用多達131個功能強大的指令，產生接近每1MHz 1MIPS的吞吐量，實現的吞吐量比傳統CISC微控制器快10倍，而且ATMEGA644P芯片的IO引腳輸入輸出電壓高，A/DC采集電壓范圍寬，滿足大多數器件的測試需求。

■ 2.3 供電電路設計

供電系統采用TP4056X芯片控制的充電電路，TP4056是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，外部無需 MOSFET、檢測電阻器或隔離二極管，電池正負極反接保護、輸入電源正負極反接保護，充電電壓固定于 4 2V±1%，而充電電流可通過一個電阻器進行外部設置，高達1000mA的可編程充電電流，有電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結束的 LED狀態引腳，電路如圖3所示。配合一節18650寬溫鋰離子電池，工作溫度在-40℃~85℃，且安全環保。

圖3 充電電路設計

ME431AGX用作5V基準電壓電路，為系統提供測試用參考電壓，用以提高設備的測量精度，該芯片電路是三端可調分流調節器，可編程精確輸出電壓從2 5~36V的電壓，是非常準確的參考電壓，低輸出噪聲，寬操作范圍為-40℃~150℃。

XL6007E1穩壓器用以產生50V電壓，用來為高壓器件檢測提供條件，該芯片具有寬輸入范圍，電流模式，芯片能夠產生正或負輸出電壓，它可以配置作為升壓、反激、EPIC或反相轉換器。 XL6007內置N通道功率MOSFET和固定頻率振蕩器，電流模式架構導致在廣泛的供應范圍內穩定運行和輸出電壓。

■2.4 超高頻分頻器電路設計

超高頻分頻器采用富士通MB506，通過分頻使儀器可以測量射頻信號的頻率，該芯片是頻率高達2 4GHz的分頻器，可用于頻率合成器以形成鎖相環PLL一個相位。它將把輸入頻率按128或256的模量進行分頻，輸出電平為1 6Vp-p值，可廣泛用于射頻收發器，電路如圖4所示。

圖4 超高頻分頻器電路設計

■2.5 A/DC電路設計

設計采用單片機內置A/DC來電壓采集信號，該芯片有一個10位ADC，8個單端通道，7個差分通道，2個差分通道具有可編程增益（1倍，10倍，200倍），在工作時采集元器件引腳連接的TP1、TP2、TP3引腳電壓，電路如圖5所示。

圖5 A/DC采集電路設計

■ 2.6 人機交互設計

在測試和查看測試結果時，一塊能與單片機交互的屏幕顯得尤為重要，相較于傳統的SPI，I2C通信的OLED還是管腳較多的TFT屏幕，串口屏綜合了以上屏幕的特點，即尺寸大、管腳少，能夠充分減少占用單片機的I/O資源，且支持觸摸，開發難度小，操作簡單，軟件要求低且擁有專門的上位機輔助開發。該設備在只使用1/3的面積即可滿足測試結果的顯示，剩余的可視面積用于顯示與測試器件相關的幫助信息，做到隨測隨學。

該設備選用5寸串口屏，共有4根線分別是5V、TX、RX、GND 當串口屏與與單片機通訊時，我們要軟件配置使用串口從而決定硬件連接。

使用USART1接口：

RX------------PD0

TX------------PD1

根據項目的需求去設計對應的界面，以達到我們預期的效果。我們使用官方給出的上位機USART HMI軟件去設計界面。

在測試程序中首頁添加了4個按鈕控件1個文本控件。首頁的文本控件用以顯示功能介紹，測試頁的文本控件用以隨機顯示被測元器件的小貼士信息。通過觸屏可控制我們的功能模式選擇。所以再添加4個子頁面（智能測量，電壓測量，頻率測量，高壓器件測量）通過主頁面的按鍵來切換頁面。所以在主頁面下分別點擊對應按鈕控件，下方會出現事件界面，通常在彈起事件中做操作，可以達到一個防誤觸的效果（設備在測試完成后，會對界面進行外觀優化），如圖6所示。

圖6 人機界面設計

3 系統軟件流程設計

主控模塊、顯示屏等模塊如果是人類的大腦和四肢，系統程序也可以理解為人類的神經，四肢再發達頭腦再清晰，神經連接處理流程不對，人動作起來也會不協調。規劃好系統運行的流程，搭建好程序框架就非常重要。該系統主控程序設計，是以實際業務操作流程為依據，適應各個模塊的工作特點，遵照各模塊之間的通信協議而設計的，如圖7所示。

圖7 系統流程

■ 3.1 初始化流程

系統上電后，單片機看門狗開始工作，時鐘和各接口系進行初始化和用戶配置，通信接口收發應答數據，基準電壓等參數進行檢測，在所有檢測正常后，進入系統界面。

■3.2 人機交互及功能選擇流程

LCD顯示屏上顯示系統主界面，并提供4個功能選項的選擇操作，小貼士為提前編輯錄入多個提示，隨機顯示，相較于傳統單片機做UI設計，串口屏設計時信息顯示更方便和多樣化，在功能選擇及按鍵界面處理等事件交由串口屏進行處理，使單片機的事件處理得到簡化。

■3.3 通道控制與算法分析器件型號流程

根據選擇的功能，單片機選擇相應的輸入接口，每一路接口都有相應的信號調制電路和保護電路，并通過單片機來控制，準備對元器件進行測試。

算法分析器件型號主要是根據選擇的功能，進行不同的控制處理，通過對輸出引腳進行邏輯控制和精準電壓輸出，對被測器件供電，單片機A/DC輸入引腳對被測器件進行信號采集，通過不同的電壓信號根據軟件邏輯進行判斷，此時測試的是哪種元器件，引腳定義是什么。

■3.4 參數計算與發送數據流程

設計采用單片機內置A/DC在系統中主要流程是接口初始化，配置接口，設置增益，在通道控制相關通路切換成功后，采集所有接口的電壓并返回采集的電壓值，系統進行參數計算。測試完成后，單片機將元器件型號、引腳位置、元器件參數進行成幀處理，將數據幀通過UART接口發送至串口顯示屏。

■3.5 顯示屏處理數據流程

串口顯示屏在接收到單片機發送的數據后，會對數據幀進行判斷，判斷長度是否正常，判斷幀數據的CRC檢驗是否正常，數據無誤后進行幀處理解析出元器件型號、元器件引腳接法、元器件測量參數。

串口顯示屏確定所有信息后，顯示屏會顯示相應元器件的原理圖片，給操作者直觀展示，同時顯示器件引腳的實際連接方式，并顯示元器件測量出來的參數，之后顯示屏文本框會根據當前元器件的型號，從提示列表中隨機選擇一個進行顯示，這樣每次測試時都可以學習到一些不同經驗。

4 總結

本次設計通過軟件與硬件的相互使用證明設計是否符合目標要求，項目使用先外觀在內部的設計，軟硬件并行開發，主流的控制模塊的選型，專業的開發軟件使開發效率得到提升，并最大程度上考慮了安全性、環境適應性和電磁兼容性。

通過LCD液晶屏的設計，優化了人機交互，提升了使用感受；幫助貼士的顯示在對于一般操作者的學習起到重要的作用。

此設備可以滿足常用元器件的測試，為操作者提供簡單易行的測試方法，對應三極管和場效應管這種外形一樣的器件，提供了自動判斷引腳，自動分析器件的功能，并添加了隨機提升小貼士的提示功能，讓設備成為了助手和老師，讓操作者不再畏懼設備維修，并通過每次元器件的檢測時學到一下相應的知識，該設備通用性和實用性強，使用方便，測試速度快，此設備的設計制作，在工作上提升了檢修效率，提高了檢測準確度，并可以廣泛適應于多種檢測環境，可作為現場維護保障，設備維修的重要補充手段。