提高電子元器件可靠性的電子元器件檢測設計

賀養芬，張艷

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

隨著電子產品的不斷發展和應用領域的不斷拓展，電子工業對電子元器件的可靠性要求越來越高[1]。無論是在航空航天、醫療設備、汽車工業還是消費電子領域，電子元器件的可靠性都對產品的安全性、性能和壽命產生了深遠的影響[2]。在過去的幾十年中，電子元器件的制造工藝得到了巨大的改進，與此同時，電子元器件的集成度也在不斷提高，使得元器件內部的復雜性也隨之增加，導致其潛在的故障點也越來越多[3]。因此需要更加精密和全面的檢測方法來確保電子元器件的可靠性。本文介紹的電子元器件檢測系統旨在應對這一挑戰，系統結合先進的硬件和軟件技術，利用多種傳感器來監測元器件的各種參數，從而能夠全面、實時地評估元器件的性能。此系統的設計和實驗結果將有望為電子工業提供一種有效的手段，幫助制造商和工程師更好地提高電子元器件的可靠性，以滿足不斷增長的市場需求。

1 電子元器件檢測系統框架設計

電子元器件檢測系統采用了一種分層的系統架構，由多個關鍵組件組成，彼此協同工作，以確保測試的全面性和可靠性，電子元器件檢測系統框架如圖1 所示。

圖1 電子元器件檢測系統框架圖

傳感器單元負責實時采集電子元器件的各種參數，系統選用多種高精度傳感器，包括溫度傳感器、電壓和電流傳感器、振動傳感器等，以涵蓋電子元器件的多個關鍵性能指標。各種傳感器通過RS485 總線與控制單元連接，控制單元主要負責協調傳感器單元的工作，接收傳感器采集到的數據并進行整合處理。同時控制單元與數據庫和用戶界面進行通信，確保數據的存儲和實時監控。數據庫用于存儲歷史數據和測試結果，考慮數據的安全性和可擴展性，數據庫基于MySQL 語言開發，以應對大規模數據的存儲需求。用戶界面提供了一個直觀友好的圖形界面，使操作員能夠通過不同的外界設備實時監控電子元器件狀態、查看檢測結果和配置測試參數。

2 硬件設計

參與本文所設計的電子元器件檢測系統的硬件部分主要包括各類傳感器，RS485 傳輸線，控制單元以及網絡設備，其中傳感器主要包括LM35 的溫度傳感器，其精度為±0.5℃，檢測工作范圍為-55℃～150℃。電壓和電流傳感器采用了型號為INA219 的電流傳感器，其精度可達±0.1%。此傳感器可以同時測量電壓和電流，用于監測電子元器件的電源特性，其電壓的測量范圍為±26V，電流測量范圍為0～3.2A。振動傳感器采用型號為ADXL345的三軸加速度傳感器，測量范圍為±16g，頻率響應范圍0.1Hz～3.2kHz，可用于檢測電子元器件在振動環境下的性能。控制單元選用型號為Advantech UNO-2484G 的嵌入式工控計算機，其搭配Intel Core i7-8700T，6 核心，12線程，2.4GHz 主頻處理器，16 內存GB，Windows7 操作系統以及多個USB 端口、以太網接口和RS-232 串口，以支持數據采集和與其他設備的通信。

3 軟件設計

■3.1 檢測數據采集及整合

在電子元器件檢測系統中，數據采集是關鍵步驟之一，需要精確地收集各種傳感器測量到的數據以供后續的分析和處理[4]。在該過程中，根據電子元器件的類型和測試需求，需要將各種傳感器部署到需要監測的位置。舉例來說，在測試一個電子電路板時，將溫度傳感器附加到電路板的不同部位，以確保在運行過程中溫度分布的準確監測；同時，電壓和電流傳感器會連接到電源輸入和輸出端口，以監測電路板的電能變化；而振動傳感器則會被附加在電路板上，以便檢測振動情況，這有助于評估其在實際環境中的穩定性和耐久性。連接完成后，將傳感器與控制單元通過RS485 連接起來。在控制單元上，運行特定的數據采集軟件應用程序，這些應用程序專門設計用于對電子元器件進行檢測數據采集。采集到的數據將會通過控制單元進行初步整合處理。在本次設計的檢測系統中，主要關注的是溫度、電壓、電流以及振動參數。控制單元將采集到的數據進行初步處理和整合，為后續的數據分析和處理提供準備。在這個系統中，為了實現更加精準地檢測，系統采用了將整合算法嵌入到控制單元的方式。這意味著采集到的數據將會受到算法的計算和整合，從而得到更為準確和可靠的結果。這種整合算法可以根據實際情況對不同傳感器采集到的數據進行加權、修正或組合，以提高檢測的準確性和可信度。考慮到數據類型的多樣性，數據計算整合的計算公式如式(1)所示：

式中，a表示數據類型平均值，ix表示第i 個數據，n表示數據總數。控制單元會將采集到的數據基于MQTT 協議格式進行打包處理，并通過WLAN 傳輸到數據庫。

■3.2 數據庫搭建

電子元器件檢測系統中的數據庫用于存儲和管理采集到的電子元器件參數數據以及相關信息的關鍵組成部分，本文基于MySQL 搭建電子元器件檢測信息的儲存數據庫，根據電子元器件的參數類型為每種參數搭建一個單獨的數據表，以數據類型的名稱為每個數據表定義字段，每個數據表的字段類型和長度會根據特定參數數據的類型進行定義，以確保數據的存儲和檢索的準確性和效率。時間戳使用DATETIME 類型，而數值字段則會根據實際情況選擇合適的數據類型，如FLOAT 或DECIMAL，并根據具體需求設置長度和精度，數據庫數據記錄表如表1 所示。

表1 數據庫數據記錄表

讀寫效率的提高可大幅度提升系統的應用性能，將電子元器件的名稱作為索引主鍵，以區別不同表的結構和字段屬性，同時在各類表中的主鍵上建立聚集索引，以此實現可搜索多項狀態數據的效果，提高數據讀寫的效率。

■3.3 檢測結果可視化

檢測結果可視化通過搭建數據查詢Web 端完成，這種方法基于前后端分離的方式，將數據庫中的數據通過統一的數據接口向外傳輸，以此為外界設備在數據接收上提供便利，同時確保數據的安全性和可靠性[5]。本文對檢測結果可視化的設計主要包括RESTful 設計、JWT 身份認證、HTTPS 加密以及使用Spring Boot 和Spring Cloud 框架的擴充。首先根據電子元器件檢測系統的數據將各種資源（如電子元器件參數、測試數據、用戶信息等）定義為RESTful資源，每個資源對應一個唯一的URL。使用HTTP 方法（GET、POST、PUT、DELETE 等）來操作這些資源，實現CRUD（創建、讀取、更新、刪除）操作。例如使用GET 方法來獲取電子元器件參數數據，使用POST 方法來創建新的測試數據記錄。按照HTTP 標準使用對應的狀態碼來表示每個請求的結果，包括200 表示成功、201 表示創建成功、404 表示資源未找到、500 表示服務器錯誤。

JWT 身份認證用于身份認證和授權的開放標準，將用戶信息以JSON 格式進行編碼，并使用數字簽名保證數據完整性。在系統中，用戶登錄后，服務器會頒發一個JWT令牌，客戶端將在每次請求中發送該令牌，服務器使用密鑰驗證令牌的有效性。之后采用集成Spring Security 框架，使其與JWT 配合使用，實現用戶認證和授權功能。HTTPS使用SSL/TLS 協議對數據進行加密，防止數據被竊聽或篡改，同時為Web 服務器配置SSL 證書，確保通信雙方的身份驗證和數據加密。Spring Boot 和Spring Cloud 提供了豐富的數據訪問和數據庫集成功能，可以輕松連接MySQL數據庫，實現數據的訪問和管理，為此本文采用以上技術實現數據庫與外界設備連接的搭建，數據查詢流程圖如圖2所示。

圖2 數據查詢原理圖

在進行數據查詢時，用戶可以通過Web 端的實時數據監測界面輕松查看到電子元器件的各種實時數據，如溫度、電流、電壓和振動等。這種及時的數據反映了設備當前的運行狀態，為用戶提供了即時的監測和分析能力。同時，用戶還可以選擇是否查詢同一電子元器件的歷史數據記錄，這使得用戶能夠深入了解電子元器件的運行歷史，從而更好地評估其性能和長期趨勢。歷史數據記錄是非常有價值的，其可以提供關于電子元器件在不同時間段內性能變化的重要信息。通過選擇特定的日期范圍，用戶可以分析過去的數據，識別是否存在異常或周期性變化。這種分析有助于用戶提前發現潛在問題，并采取適當的措施，以確保電子元器件的穩定運行。同時實時監測和歷史數據查詢的結合，為用戶提供了有效管理電子元器件的手段，不僅可以提高設備的運行可靠性，降低維護成本，還可以最大程度地延長設備的壽命。通過及時發現問題并采取預防性維護措施，用戶可以有效地減少設備停機時間，并確保生產或服務的連續性。因此，這種綜合的數據查詢和監測系統對于各種行業的用戶都具有重要的意義。

4 測試實驗

■4.1 實驗準備

為驗證系統的性能進行了一系列測試實驗，實驗中選擇了3 個不同類型的電子元器件，在相同的測試時間下進行檢測數據采集，包括溫度、電流電壓波動和機械振動的參數，其中溫度合格范圍為55℃～75℃，電壓合格范圍為3.2V～5.0V，電流合格范圍為0.1A～0.3A，振動頻率合格范圍為900Hz～1300Hz。

■4.2 實驗結果

經過測試后，對3 個電子元器件進行檢測實驗后得到的實驗結果如表2 所示。

表2 實驗數據結果表

由表中的數據可知，3 個電子元器件中，1 號和3 號元器件的測試數據都處于合格范圍內，2 號元器件的振動頻率低于合格范圍，平均為800Hz，系統提示出該元器件檢測結果為不合格狀態，由此可見本文設計的檢測系統可以實時檢測出電子元器件的各項數據參數，給出對應的檢測結果，通過結果可使相關人員了解每個電子元器件的性能和是否符合規格要求，提高電子元器件的可靠性。

5 結束語

本文介紹了一種用于提高電子元器件可靠性的電子元器件檢測系統的設計方法，詳細介紹了該系統的硬件設計和軟件設計內容，通過測試實驗的結果證明該系統可以有效地檢測出元器件的故障問題，從而提高產品質量和可靠性。這種系統的應用將對各個領域的電子設備制造產生積極影響，確保產品在各種條件下都能穩定運行。未來可以進一步研究和改進這一系統，以滿足不斷增長的電子元器件可靠性要求。