晶體振蕩器溫度漂移測試系統的軟件設計與實現

張 壯，吳震宇

（1.浙江理工大學 機械工程學院，杭州 310018；2.浙江理工大學 新昌技術創新研究院，紹興 312599）

從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，簡稱為石英晶體或晶體，而在封裝內部添加IC 組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器，其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝。通用晶體振蕩器用于各種電路中，產生振蕩頻率[1]。晶振在現代電子技術領域具有顯著地位，其出色的時鐘信號生成能力使其在各種應用中發揮著關鍵作用。從計算機、通信設備、移動電話到工業自動化、航空航天等領域，晶振都發揮著重要的作用。一些精度要求較高的設備當中，由于環境溫度變化導致的晶體振蕩器振蕩頻率波動對精度高的設備有很大影響[2]。我國在晶體振蕩器的溫度漂移測試研究方面相對滯后，難以實現晶振溫度漂移的大批量檢測，這也意味著在晶振技術的應用和研究方面仍有巨大的發展空間。通過改進溫度漂移測試方法，可以更準確地評估晶振性能，提高其在各個領域的應用效能，這對于我國電子技術產業的發展具有重要意義。本文基于工控機、采集卡、運動控制卡、傳感器和工業相機，結合上位機軟件，實現了智能化控制和實時檢測。本文為實現晶體振蕩器溫度漂移檢測與實驗研究，并對晶體振蕩器FT 數據進行曲線顯示、開環或閉環控制，基于C# 編程語言開發了一種晶體振蕩器溫度漂移測試系統軟件，軟件以RS232為與終端機通信的接口協議，在VisualStudio2022 中設計了軟件的主界面、控制參數設置界面，為晶體振蕩器溫度漂移檢測監控提供了一種兼容性良好的上位機系統。

1 溫度漂移檢測工藝和硬件組成

1.1 溫度漂移檢測工藝

晶體振蕩器的溫度漂移的檢測工藝流程如圖1所示，料盤由機械手傳遞到傳送帶上，經過渡箱進行預處理，料盤進入測試箱內在調溫裝置上進行溫度調節，當裝有晶體振蕩器的料盤溫度達到設定值，檢測裝置對當前溫度箱的晶體振蕩器頻率數據進行采集，當多組頻率-溫度數據采集完成后，對晶體振蕩器的溫度漂移進行評估。外接冷水機對內部制冷調溫裝置進行水冷散熱。

圖1 晶體振蕩器檢測工藝流程Fig.1 Crystal oscillator detection process flow chart

1.2 溫度漂移檢測系統硬件組成

整個系統的硬件組成如圖2 所示。該方案包括多個核心組件，工控機是整個系統的核心控制中心，負責管理和協調所有其他硬件組件的操作。通過控制算法來確保系統的穩定性和性能。PCIE 數據采集卡是關鍵的數據接口，負責采集各種信號，包括測試箱內的負壓信號、晶體振蕩器料盤表面的溫度數據以及晶振器當前溫度下的頻率數據。雷賽1C80運動控制卡負責控制各電機的運動位置、報警信號、開關信號等。溫度傳感器和壓力傳感器用于監測測試箱內的環境參數，這些參數影響晶體振蕩器的頻率性能。MV-GE502M 工業相機用于料盤號的識別；機械泵用于測試箱內進行抽真空；端子排用于連接和管理系統中的電纜和線路，確保整個系統的可靠性和安全性；數據采集卡負責采集不同信號，包括測試箱內負壓信號、晶體振蕩器料盤表面的溫度數據、晶振器當前溫度下的頻率數據，這些數據經過處理后，能夠得出當前位置晶振的溫度漂移數據。晶體振蕩器的溫度漂移數據會進行詳細的分析和存儲，以便后續的晶體振蕩器溫度漂移評估。這種方案能夠更準確地評估晶振的溫度漂移情況，從而能夠采取適當的措施來優化晶振的性能和穩定性。

圖2 測試系統總體方案Fig.2 Overall scheme of test system

2 上位機軟件設計

2.1 上位機軟件系統架構編寫

上位機軟件需要合適的編程語言實現，C# 是微軟公司發布的一種由C 語言和C++語言衍生出來的面向對象的、運行于.NET Framework 之上的高級編程語言，有許多組件、封裝的函數可以使用，編程比較高效，可以節約開發時間[3-5]，本文所介紹的上位機軟件就是使用C# 語言編寫的。晶體振蕩器溫度漂移測試上位機軟件構架如圖3 所示。本文通過對晶振的溫度漂移檢測試驗工藝過程分析，設計的晶振溫度漂移測試上位機系統需要具備以下功能：①晶振溫度漂移測試系統信息配置；②晶振溫度漂移測試過程中信息采集和工況檢測；③晶振溫度漂移測試過程中數據存儲和歷史信息查閱；④工業相機定位參數設置；⑤運動控制參數設置。

圖3 上位機軟件架構Fig.3 Software architecture of the host computer

2.2 用戶權限管理

在進行首次測試之前，需要進行用戶信息的配置。這包括創建不同級別的用戶角色，如超級管理員和普通管理員，并進行相應的權限設置。這樣可以確保系統在運行過程中的合規性和安全性。超級管理員擁有最高權限，可以對各個普通管理員進行權限賦予，這使得超級管理員能夠精確控制普通管理員可以執行的操作，以便在后續回溯時驗證管理員的操作是否符合規定。此外，超級管理員還具備管理普通管理員賬號的能力，包括創建、刪除等操作，以實現對管理員賬號的整體管理。用戶信息界面如圖4 所示。

圖4 用戶信息界面Fig.4 User information interface

2.3 信息采集和數據處理

在晶體振蕩器溫度漂移測試中，關鍵是實時采集和監控測試晶振的溫度和測試箱內的壓強。同時，需要對從測試箱內采集到的所有晶振頻率數據進行詳細的分析。這一分析過程還涉及將測試數據按照行業標準進行分類，通常分為C1、C2、C3 等不同等級，這種分類使得我們能夠清楚地區分晶振的測試數據結果。此外，還需要對不合格的晶振進行位置標記，以便后續的篩除操作。通過采用圖標展示方式，可以更加直觀地呈現各品質晶振的位置。通過一定的觸發條件能夠展示各晶振的溫度漂移測試曲線圖，從而更好地理解晶振的溫度漂移情況。整體而言，晶體振蕩器溫度漂移測試涉及到多個關鍵步驟，包括實時采集溫度和壓強信息、頻率數據分析與分類、合格率統計、不合格晶振標記以及數據可視化展示。這些步驟的結合使得我們能夠全面地評估晶振的性能，并根據測試結果采取相應的措施，確保高質量的晶體振蕩器被選中使用。如圖5所示為工位信息界面。

圖5 實時參數和工位信息界面Fig.5 Real-time parameters and station information interface

石英晶體對溫度變化非常敏感，其頻率-溫度（FT）曲線不是線性的。通過使用三階多項式，可以創建一個更準確的模型，描述晶體的頻率如何在更廣泛的溫度范圍內變化。這有助于設計和校準電子電路，以確保即使溫度波動，晶體的頻率仍保持在可接受的公差范圍內。FT 數據收集溫度范圍應該從-30℃到85℃，測得的頻率值與25℃時的頻率進行比較確定頻差，通常以ppm 作為頻差單位。晶振的FT 曲線可以建模為一個三階多項式。式中的C1、C2、C3為晶體振蕩器溫度漂移檢測優良的評判數據。

2.4 通訊接口配置和參數配置

在晶體振蕩器溫度漂移測試的上位機系統中，需要實施信號的輸入和輸出控制，這些信號對測試的準確性和可靠性至關重要。在測試過程中，需要與多種傳感器和控制設備進行交互，以確保測試數據的收集和分析。上位機軟件和無線傳輸網關可以通過移動4G 網絡進行通信[6-8]，或者直接通過RS232和RS485 串口進行通信。在晶體振蕩器溫度漂移測試的上位機系統中，需要實施信號的輸入和輸出控制，這些信號對測試的準確性和可靠性至關重要。圖6 所示為IO 配置界面。

圖6 IO 配置界面Fig.6 I/O configuration interface

在進行晶體振蕩器溫度漂移測試時，必須對運動硬件的參數進行調整，這些參數包括運動位置、運行速度、總運行時間和脈沖方式等。同時，還可以通過微調位置來實現對運動位置的精準定位。圖7所示為某電機設置參數的調試界面。

圖7 頂升電機調試界面Fig.7 Debugging interface of the jacking motor

2.5 數據存儲和查詢

在進行晶體振蕩器溫度漂移測試時，需要在實時環境下展示晶體振蕩器在各種溫度下頻率的變化情況。測試結束后，軟件能夠按照預先設定的數據庫屬性，有效地存儲和檢索數據，這其中包括能夠儲存和查閱特定工作運行下的所有料盤數據、機器運行步驟、報警信息[9]。圖8 所示為歷史信息查閱界面。

圖8 歷史信息查閱界面Fig.8 Historical information viewing interface

為了實現這一設計，本文采用SQLServer 數據庫來儲存數據，同時通過ADO.NET 方式來實現上位機軟件與SQLServer 數據庫的連接，部分代碼如下。

3 晶體振蕩器溫度漂移檢測自動控制方案

3.1 系統控制程序設計

測試開始時，上位機軟件會借助250B 采集卡獲取當前傳感器的數據，其中包括測試箱內溫度數據、真空度數據和晶體振蕩器頻率數據等。上位機軟件通過雷賽運動控制卡輸入輸出各種運動信號，包括電機脈沖信號、放氣閥、以及光信號傳感器等開關量信號[10]。在進行測試之前，操作人員只需要在上位機軟件中選擇所需的測試工位。接著，上位機軟件會根據事先設定的工藝要求，自動運行直至整個測試過程結束。通過這樣的設計，上位機軟件能夠在測試開始時獲取各傳感器的數據，并根據工藝要求自動進行控制操作。這樣的自動化控制方式使得測試過程更加高效和可靠，減少了人為操作的干預，從而確保了測試結果的準確性。圖9 所示為系統自動控制邏輯流程。

圖9 系統自動控制邏輯流程Fig.9 Logical flow chart of system automatic control

3.2 應用分析

經過對控制程序和系統功能的不斷修改與完善，本系統已正式投入使用，靈活的控制模式以及測試箱本身的獨立結構設計，實現了晶體振蕩器溫度漂移的自動測量與系統的自動控制，水冷機和晶體振蕩器測試現場如圖10 所示。系統采用外接冷水機，增加了設備的使用周期和可更換性。現場檢測儀器如果出現了故障，可通過切換控制模式避免測試生產的耽擱，若出現緊急停車，系統會自動保留停車前的控制參數用以指導下一次開車生產。

圖10 軟件系統控制的設備Fig.10 Device controlled by software system

4 結語

本文主要介紹了一款應用于晶體振蕩器溫度漂移測試系統，該上位機系統軟件基于C# 語言和.NET 平臺開發。文章提供了部分邏輯圖和演示界面，以展示軟件的設計和功能。該軟件具備自動控制功能，能夠滿足晶體振蕩器溫度漂移測試的工藝要求，并實現數據采集和存儲，以及精確的測試控制，旨在提高晶振溫度漂移測試的效率，對我國的晶振溫度漂移測試工作具有一定的參考價值。