高同輝， 任國璽

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

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基于LabVIEW的非接觸式電路板短路檢測系統(tǒng)設(shè)計

高同輝， 任國璽

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

由于現(xiàn)有印制電路板采用飛針或針床的接觸式短路檢測方法，存在著IC接觸點小和檢測區(qū)域受限兩個主要弊端。本文開發(fā)出以電磁感測的非接觸式印制電路板短路檢測系統(tǒng)，該非接觸式檢測系統(tǒng)利用虛擬儀器LabVIEW將硬件和軟件互相整合，將待測印制電路板某區(qū)域加上一定電壓的正弦波信號，然后利用電磁感應(yīng)探頭測量印制電路板的電磁場密度分布情況，從而獲取電路短路或開路的位置。該電路板短路檢測系統(tǒng)通過實驗證明，能夠較準確發(fā)現(xiàn)電路板短路導(dǎo)線的位置，為印制電路板短路檢測提供了新的方法。

LabVIEW； 印制電路板； 非接觸式； 短路； 電磁感應(yīng)

0 引 言

印刷電路板制作過程中，常見有因制作工藝問題而造成某兩條不應(yīng)該連接在一起的兩導(dǎo)線短路，從而造成電子產(chǎn)品工作不正常甚至電源燒毀。一般業(yè)界常見的方式是采用飛針測試或針床測試等探針進行接觸式測量[1]，查找短路故障點。然而現(xiàn)今的集成電路(IC)的體積越來越小，印刷電路板上其引腳越來越細，引腳間距越來越小，已接近探針的極限，同時檢測空間也受限于機械手臂的工作范圍。

本文提出一種電磁感測的非接觸的方式進行印刷電路板走線短路檢測的方法，該方法是通過檢測印刷電路板電路的短路與開路時電流產(chǎn)生電磁場的變化數(shù)據(jù)實現(xiàn)的，能夠解決元件引腳體積和間距的限制，同時解決工作區(qū)域范圍受限的問題，從而突破探針接觸式檢測的局限。

1 電路板檢測系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本設(shè)計采用NI公司整合式硬件，通過虛擬儀器LabVIEW將各個功能模塊整合在一起，達到預(yù)期設(shè)計的目的。系統(tǒng)主要由人機操作界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、四軸馬達控制模塊和感測器模塊4個功能模塊構(gòu)成[2]，如圖1所示。

圖1 電路板檢測系統(tǒng)功能模塊

1.1 人機操作界面模塊設(shè)計

人機操作界面的前面板如圖2所示，主要完成馬達控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲[3]。

圖2 人機操作界面

1.1.1 馬達控制

電磁感應(yīng)探頭對電路板的掃描位置控制，由4組步進馬達控制X方向、Y方向、Z方向與旋轉(zhuǎn)角度，以實現(xiàn)使用者對電路板不同測量點的移動與測量。利用LabVIEW圖形化[4]設(shè)計將圖片、控制物件與顯示物件整合在一起，讓使用者可以更容易地了解操作方式，如圖3所示，操作者可以直接修改所要達到的位置坐標。系統(tǒng)的X、Y、Z行程分別為200 mm×200 mm×50 mm，再加入了1個可以空中旋轉(zhuǎn)馬達，可以使感測器測量不同方向的導(dǎo)線。本設(shè)計使用PCI-7354做為馬達控制卡與接線盒，并將其整合至系統(tǒng)內(nèi)。

圖3 馬達控制界面

1.1.2 信號產(chǎn)生、采集和存儲

非接觸式電路板短路檢測系統(tǒng)需要提供一個正弦波信號源，輸入至待測印制電路板，再透過感測器量測感應(yīng)的電磁信號。正弦波信號源參數(shù)設(shè)定可以由使用者自行調(diào)整頻率與振幅，同時使用者根據(jù)選擇感測器類型，讓系統(tǒng)自行計算并輸出合適的頻率與振幅。

本文使用NI自行定義的TDMS(Technical DataManagement Streaming)的儲存格式[5]，因其具有使用者能夠自行定義信號的屬性及加快存取速度的優(yōu)點。TDMS可以與最常用的Excel與Matlab互通，具有很好的擴展性。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

使用NI DAQ X系列的多功能信號采集器[6]，提供一個穩(wěn)定的正弦波信號源，并流經(jīng)電路板導(dǎo)線系統(tǒng)后通過感測器再將產(chǎn)生的電磁場信號讀取回系統(tǒng)，然后通過LabVIEW軟件分析處理。并采用NI USB-6356做為信號產(chǎn)生與收集電路。

2 非接觸式短路檢測原理與物理模型

2.1 電磁信號端物理模型

本文提出的測量方法基本原理是電磁感應(yīng)，由法拉第定律設(shè)計物理模型，圖4為電流與其產(chǎn)生磁場的關(guān)系，圖5為感應(yīng)探頭測量磁場的示意圖，印制電路板導(dǎo)線短路的情況下，電流在流過的短路部分的長度范圍內(nèi)產(chǎn)生電場E或磁場B。磁場的強度與短路導(dǎo)線的長度和位置有關(guān)，并可由畢歐沙瓦定律(Biot-Savart Law)描述[7]：

(1)

其中：L是導(dǎo)線長度的總和；dl是電流的向量；μ0是磁性常數(shù)；r是dl與電場計算的距離；r′為r單位矩陣向量。式(1)中表示出電流I與磁場B或電場E成正比，與距離r成反比，其電磁感應(yīng)如圖4、6所示。

圖4 電流與產(chǎn)生磁場的關(guān)系

圖5 感應(yīng)探頭與磁場的關(guān)系

圖6 磁場總量示意圖

電流流經(jīng)的路徑會產(chǎn)生電場，其總磁通量可以分割成幾部分的疊加，得到的總磁通量密度[8]：

B=∫dB

(2)

(3)

磁場總量的示意圖如圖6所示，有限線段電流I流過區(qū)域所產(chǎn)生在P點的磁場，其總量為不同角度θ與距離a的總合量[9]，可推導(dǎo)整理成：

(4)

2.2 測量感應(yīng)端的物理模型

非接觸式測量重要的元件為電感，電感線圈可以感應(yīng)到磁場能量并產(chǎn)生相對應(yīng)的電壓或電流，此信號作為后續(xù)系統(tǒng)測量與分析使用。磁場與電流的關(guān)系，可由畢歐沙瓦定律推導(dǎo)出。最后，推導(dǎo)出輸入與輸出的關(guān)系式為：

(5)

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟體設(shè)計采用Hierarchy[12]架構(gòu)，使用LabVIEW內(nèi)部子函數(shù)VI與自行設(shè)計的子VI，架構(gòu)出測量系統(tǒng)軟件程式設(shè)計如圖7所示，程式架構(gòu)主要由有限狀態(tài)機[13]構(gòu)成，并將主要的控制修改參數(shù)，用事件觸發(fā)的方式來設(shè)計。

圖7 軟件設(shè)計圖

4 實驗測試

(1) 首先測試電磁感應(yīng)探頭是否可以感應(yīng)電路板線路電流所產(chǎn)生的磁場。利用正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生一電流輸入至電路板某一回路，并使用電磁感應(yīng)探頭接近此電流回路進行測試[14]，測試結(jié)果如圖8所示，在圖8(a)無電流回路的情況下，示波器并無感應(yīng)到任何信號，在圖8(b)產(chǎn)生一電流回路，此時示波器上可看到正弦波信號由電磁感應(yīng)探頭捕獲，此實驗簡單驗證電磁感應(yīng)探頭對電磁感應(yīng)的可行性。

圖8 回路測試波形

(2) 測試推導(dǎo)的物理模型是否與實際測量相近。相關(guān)參數(shù)L=100 μH，N=70，r=2.9 mm,α=00，輸入電壓1～10 V，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，電磁感應(yīng)探頭量取電壓值與其輸入比值平均為0.156，若將參數(shù)代入推導(dǎo)的公式中，并求出計算的比值為0.127，兩個數(shù)據(jù)的誤差量為18%。

若改變測量時電磁感應(yīng)探頭與電路板之間的高度，并比較測量與計算的數(shù)值差異。其測試結(jié)果見表2。其測試的結(jié)果同上一個實驗，其量測值與計算值皆有約12%左右的誤差，不過對實驗已經(jīng)夠用了。

(3) 電路板短路故障測量。將電路板大小約為100 mm×150 mm固定在XYZ平臺上，預(yù)設(shè)電路短路如圖9所框的區(qū)域，實驗中電磁感應(yīng)探頭距離電路板高度為固定5 mm，通過DAQ系統(tǒng)來實現(xiàn)電磁感應(yīng)功能。圖9為設(shè)置短路故障的待測電路板，圖10為電磁感應(yīng)探頭測量后的磁場強度分布圖。由測試結(jié)果的電磁感應(yīng)的強度分布可以發(fā)現(xiàn)，在電路板左下部短路區(qū)域部分呈現(xiàn)較強的電磁反應(yīng)，其他部份相對比較低的強度反應(yīng)，此現(xiàn)象正好符合圖9左下框的短路區(qū)。

表1 測試數(shù)據(jù)

表2 改變測量高度的測試數(shù)據(jù)

圖9 預(yù)設(shè)短路的待測電路板

圖10 磁場強度分布圖

5 結(jié) 語

本設(shè)計針對印制電路板的短路檢測方面，存在的接觸點小和檢測區(qū)域受限兩項主要問題，提出了一套通過電磁感測方式，檢測出電路板導(dǎo)線的短路與開路情況的解決方案。除了非接觸測量引腳克服元件腳位限制之外，同時電磁探頭設(shè)計成便攜式，可解決工作區(qū)域范圍受限的問題。本設(shè)計充分發(fā)揮了LabVIEW軟件與硬件快速整合與驗證的特色，為印制電路板的短路檢測提供了另一個途徑。

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Design of Non-contact Short-circuit Detection System for Circuit Board Based on LabVIEW

GAOTong-hui，RENGuo-xi

(Department of Automation and Information Engineering，Pingdingshan Industrial College of Technology， Pingdingshan 467001, China)

The existing printed circuit board uses contact short-circuit detection method such as flying probe or needle bar, there are two main disadvantages of little contact point and limited contact IC detection area. A non-contact electromagnetic sensing printed circuit board short detection system is developed, the non-contact detection system uses LabVIEW virtual instrument hardware and software to integrate with each other Printed circuit board is tested in a region with a certain voltage of a sine wave signal, and then the density distribution of electromagnetic field in the printed circuit board is measured by electromagnetic induction probe. Thereby, the position of a short circuit or open circuit is obtained. The board short detection system is proved by experiments, it can accurately find the position of shorted wires in the board, so it provides a new approach for the short detection of printed circuit board.

LabVIEW; printed circuit board; non-contact; short circuit; electromagnetic induction

2015-08-30

高同輝(1975-)，男，河南魯山人，副教授，主要研究方向為嵌入式技術(shù)。Tel.：13937581974; E-mail：gthteacher@163.com

TP 277

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1006-7167(2016)02-0124-04