基于Arduino 的輔助測試設備設計

吳朋

（同濟大學，上海，200092）

1 系統總體方案設計

■1.1 輔助測試設備總體結構

輔助測試設備用于輔助靜態測試設備進行靜態參數測試，可以適用于各種型號的靜態測試設備。圖1 為該設備的系統總體結構示意圖，控制回路由Arduino 主控板、驅動模塊、AC-DC 電源模塊、外部控制模塊、測試回路等組成。其中，主控板使用Arduino UNO 開發板，主控板對各種的外部控制信號進行采集，并根據控制信號控制驅動模塊的工作，從而實現對測試回路的控制。

圖1 系統總體結構框圖

■1.2 輔助測試設備工作原理

輔助測試設備的主體結構采用手動壓接式的連接方式，將功率模塊放置在固定底座上，在接線盒的針孔板上內嵌有彈簧探針，彈簧探針通過導線連接至驅動控制模塊。通過固定的機械行程方式實現功率模塊與輔助測試設備的可靠連接。通過更換針孔板的方式，可以實現對各種類型的功率模塊使用該設備進行靜態參數的輔助測試，其機械結構外形示意圖如圖2 所示。輔助測試設備使用Arduino UNO 開發板為控制核心，可以通過外部的控制按鈕或PC 上位機來控制測試通道的切換。通過PC 上位機軟件控制時，在串口通信配置完成后，通過上位機軟件發送指令至Arduino UNO 開發板的串口上，Arduino 開發板在接收到指令后，執行相應的測試通道的連接或斷開。

圖2 機械結構外形圖

2 系統硬件設計

■2.1 Arduino UNO 開發板介紹

該輔助測試設備采用Arduino UNO 開發板作為主控制板，用于對外部控制信號或串口接收的信號進行采集和處理，從而控制功率模塊的測試回路的切換連接與斷開。

Arduino 不僅是一種基于Atmel AVR 單片機的控制器，而且是一個開源系統，包含了硬件（Arduino 控制板）、軟件（Arduino IDE）以及開源社區[1]。Arduino 開發板圖如圖3 所示，本項目采用的Arduino 開發板的核心微處理器為ATmega328，該開發板具有14 路的數字輸入/輸出接口、復位接口和USB 轉串口的硬件電路，完全可以滿足輔助測試設備的軟硬件開發需求。

圖3 Arduino UNO 開發板圖

■2.2 驅動模塊硬件設計

由于功率模塊為Six-pack 的封裝結構，因此在測試中，需要對功率模塊的6 個橋臂單獨進行靜態參數測試。以IGBT 功率模塊的U 相上橋臂測試為例，圖4 為Six-pack封裝的IGBT 功率模塊示意圖，測試時需要將柵極G、發射極E、集電極C、功率端子電源正P 和功率端子電源負U連接至靜態測試的測試回路中。驅動模塊由三塊驅動電路板組成，每塊驅動板上具有12 個繼電器，使用12V 電源進行供電，用于驅動功率模塊的任一橋臂的測試回路的連接與斷開。在對任一橋臂測試時，必須保證其他測試回路處于斷開狀態。

圖4 Six-pack 封裝的IGBT 功率模塊示意圖

■2.3 外部控制模塊和LED 顯示模塊

外部控制模塊由2 個常開按鈕和2 個開關組成，2 個常開按鈕分別用于實現復位和測試通道切換的本地控制，2 個開關分別用于控制設備電源的開關和遠程/本地控制的切換。LED 顯示模塊由6 個LED 指示燈組成，用于指示當前處于工作狀態的測試通道。外部控制模塊和LED 顯示模塊都安裝在輔助測試設備的控制盒的前面板和后面板上。

3 系統軟件設計

■3.1 程序開發設計

Arduino 是開源的軟硬開發平臺，軟件編程相對來說比較容易上手，非常適合需要快速進行測試設備系統的軟件功能的開發。可以通過開發板上的USB轉串口硬件電路，實現程序的燒錄和串口通信的功能。

整個程序代碼主要包括五個部分，分別為全局參數申明及定義、輸入/輸出IO 端口和串行端口的setup 配置的初始化、main 主程序、本地控制按鍵輸入子程序、測試通道切換控制子程序。其中，全局參數申明及定義部分，用于定義一些后面程序中需要用到的全局變量，以及給這些變量賦予其初始值。輸入/輸出IO 端口和串行端口的正確的初始化設置，可以保證對IO 端口和串行端口的正確使用。IO 端口配置的初始化與上面提到的IO 端口的功能定義密切相關，只有先定義好IO端口的功能，才能對IO 端口進行功能配置，其IO 端口定義表如表1 所示。

表1 輸入/輸出IO端口定義說明表

軟件流程圖如圖5 所示，軟件程序首先會進行IO 端口和串口的初始化，初始化后所有的測試通道都處于斷開狀態。然后判斷當前是本地控制還是遠程控制，如果是本地控制模式，判斷是否是有效的按鍵輸入，根據按鍵的輸入次數執行相應的測試通道的控制功能。當按鍵次數大于6 時，按鍵總次數會清零，測試通道都會回到初始的斷開連接狀態，這樣可以為下一個模塊的測試做好準備。當處于遠程控制模式時，先判斷串口是否有數據輸入，再判斷串口的數據是否是有效輸入數據，當是有效輸入數據時，控制相應的測試通道工作，并向串口發送文本信息。

圖5 軟件程序流程框圖

■3.2 PC 上位機控制軟件設計

PC 上位機控制軟件使用LabVIEW 軟件編程實現，在進行串口通信時，需要將Arduino 開發板的串行端口參數與上位機程序中的參數配置一致，這樣才能實現上位機軟件與Arduino 開發板進行串行數據通信。其中，將串行數據的傳輸速率設置為9600bit/s，通過Read buffer 文本顯示框和LED 指示燈可以指示當前處于工作狀態的測試通道。

只有測試設備處于遠程控制模式，并設置好上位機的串行端口號，然后打開串行通信的控制按鈕后，才可以通過對應的控制按鈕對測試通道進行控制。最后在測試結束后，可以點擊EXIT 退出按鈕關閉串口通信并退出上位機程序的運行，其上位機軟件控制界面如圖6 所示。

圖6 上位機軟件控制界面

4 測試驗證

在測試過程中，首先將從輔助測試設備引出的線纜連接至靜態測試設備的信號連接端口，并將Arduino 開發板的USB 線纜連接至PC 電腦的接口；再將功率模塊放置到固定底座上，然后使用壓接手柄向下移動至固定的行程位置，實現功率模塊與輔助測試設備的可靠連接，輔助測試設備實物圖如圖7 所示。

圖7 輔助測試設備實物圖

測試模式主要包括本地控制和遠程控制，本地控制主要用于量產測試時使用，遠程控制主要用于開發驗證時使用。

啟動靜態測試設備，并打開輔助測試設備的電源開關。首先驗證本地控制功能，將本地/遠程控制開關置于本地控制模式下，按下一次Control 按鈕后，UT 的LED 指示燈會被點亮，并且可以聽到繼電器工作的聲音，表明當前U 相上橋的測試通道已完成連接，測試準備就緒，然后點擊靜態測試設備的靜態測試開始按鈕，在測試完成后可獲得所需的靜態測試參數。在U 相上橋的測試完成，再次按下Control 按鈕后，可以進入下一個測試通道的連接狀態，其他的通道處于關閉狀態，且對應的LED指示燈會被點亮。這樣連續按下6 次Control 控制按鈕后，可以完成一個功率模塊的6個橋臂的靜態參數的測試任務。

然后驗證一下遠程控制功能，將本地/遠程控制按鈕置于遠程控制狀態。打開PC 電腦上的上位機控制程序，在配置好串口參數并成功打開串口后，就可以點擊任意一個控制通道的按鈕實現對應測試通道的連接、斷開控制。

通過對各個功能的實驗調試后，使用輔助測試設備不僅可以實現本地和遠程控制，而且使用該輔助設備測得的靜態參數與使用手動連接方式測定的靜態參數相比，其誤差值很小，完全可以滿足測試要求，因此在測試中可以快速地完成測試任務。

5 結語

本文基于Arduino 的軟硬件平臺設計了一種輔助測試設備，用于輔助靜態測試設備進行靜態參數的測試。使用該設備對大批量的功率模塊進行了測試驗證，其功能完全可以滿足開發測試和量產測試的要求。該輔助測試設備在功率模塊的測試中大大地提高了測試效率，并且能夠很好地保護功率模塊上的Pin 針引腳和端子，降低了在測試連接過程中損壞的概率。在后續的輔助測試設備的改進方面，可以將手動壓接的機械結構改成電動控制的連接方式，這樣測試效率可以得到進一步的提升。