ST450 PI网络晶体中间测试机控制系统的设计与实现

1、引言

ST450 PI网络晶体中间测试机是一种应用于石英晶体生产的测试设备。在石英晶体生产的中测工序，中间测试机对石英晶体半成品按照工艺参数进行筛选。将参数合格的产品送到下一工序，将参数不合格但可以进一步调整的产品送回上一工序。中间测试机的核心是一台装有PI网络测试卡的电脑，由测试卡采集信号，然后由电脑进行计算得到测试结果。设备电控部分实现的功能由驱动电机定位石英晶体、触发测试卡进行测试，根据测试结果改变电路板上LED指示灯的状态，并且指示灯的状态要跟随着运动的石英晶体。操作人员可根据LED灯的指示判断对心石英晶体的品质。

中间测试机一次可以测试144个石英晶体，每个石英晶体的测试结果要分为频高、频低、电阻不良、频高和电阻不良、频低和电阻不良、开路、良好几类。测试时机械结构带着石英晶体沿圆周步进运动，LED指示的状态要跟随运动的石英晶体，确保任何时刻石英晶体与LED的状态指示对应。测试完成后，操作人员按照LED灯的指示分类提取石英晶体。

2、 控制框图

根据上述的要求，设备的电控由装有PI网络测试卡的电脑、控制电路和LED指示、操作按钮、电源和驱动箱、电机组成（见图1）。主控电路是由一块AT89C52单片机和外围电路组成，LED指示使用的是8255和一些驱动电路组成的动态刷新电路。整个电路板为圆形，LED排列在圆周上。设备运行时石英晶体是沿圆周运动，并且临近电路板边缘，操作者很容易看清任何一个石英晶体对应的LED状态，主控板与测试电脑之间利用串口进行通讯。

3、 LED的动态刷新

每个石英晶体有7种状态需要指示，如果每一个状态一个LED指示，那么电路板上就需要144×7=1008个LED，很不经济。如果利用多个LED组合（LED亮和LED灭的组合）代表状态，那么电路板上就需要144×3=432个LED。

为了减少器件的使用量，我们用2个LED代表一个石英晶体的所有状态。具体实现方法为使用一个红色和一个绿色的LED，除了使用LED全亮全暗的4个状态外；我们又使用LED闪烁表示信息，分别为绿色闪烁红色暗，绿色暗红色闪烁，绿色闪烁红色闪烁。如此，仅用288个二级管代表144个石英晶体的7种状态。经过生产线的生产实践表明这种方式效果良好。

关于LED的驱动方案，选择的是动态刷新的方式。为了确保有足够快的刷新频率，需把每144个LED分在一个刷新矩阵中，每个矩阵每次刷新12个LED（见图2）。

刷新的过程为12条阴极驱动线依次接通，12条阳极驱动线输出阴极驱动线所在的LED的状态。由于LED只有1／12的时间通电，因此我们使用了很高的驱动电流。用人的眼睛观察，LED的亮度并不会受到影响。

4、 LED状态的控制

我们在电路中使用了廉价的AT89C52单片机，其硬件资源很有限。在本应用中有144个石英晶体的状态要保存。而单片机仅仅有256字节的内存，如何合理使用有限的内存是编程中需要解决的主要问题之一。

共解决方案为：

a．使用汇编语言编制控制程序，这样可以精确地控制内存的使用；

b．使用半个字节（4位）代表一个石英晶体的8个状态，使用72个字节就可表示144个石英晶体的所有状态；

c．刷新LED的子程序将读取到的石英晶体状态转换成LED的状态输出。

5、 LED的状态跟随机械运动

因为机械在不停的运动，因为对应的LED显示也必须跟着变化。同时，测试电脑传来的测试结果必须实时记录并显示在石英晶体对应的LED上，如果机械结构的每次运动，就在内存中调整一次与LED对应的状态值，必然会有较大的CPU运算开销。同时，同一个石英晶体的测试结果在内存中的位置在不停的变动，使得测试结果的更新算法用汇编语言不好实现。其采取的办法是，每个石英晶体的测试结果在内存中的位置是固定的。但在刷新LED的状态时，读取测试结果的开始位置是变化的。当刷新子程序从第二组LED状态数据开始读取时。电路扳上的第一组LED的状态指示第二个石英晶体的测试结果，其他的LED的状态也依次提前一个。从外观上看所有LED的指示状态向前移动了一个位置。

6、 串行通讯

主控电路需要触发电脑测试过程，并且在测试结束时取得测试结果。为了电路的通用性和易于扩展，直接使用计算机COM口，采用9针非标准RS232通讯协议。根据RS232通讯协议，电脑COM口的RXD、TXD信号为±12 V电平，而单片机上的信号为TTL电平。此电路只需要

单一的5V电源，内部通过电荷泵提供±12V电源，（详见图3）。

在电脑上开发上位软件，由其控制PI网络测试卡的测试过程，并且将测试结果传到单片机上，在单片机上的程序也同样编制了相应的通讯模块与其配合，同时制定了一个单字节的软件通讯协议，完成各种信息的通讯。

上位机程序主要的通讯代码为：

下位机通讯主要代码：

7、 结束语

虽然ST450 PI网络晶体中间测试机的控制部分使用得器件均为廉价的通用器件，使用的技术也是成熟的通用技术。但PI网络晶体中间测试机在生产线上连续运行几年，运行状态良妤。简单的专用电子设备的设计不一定非得使用高新技术或者先进器件，其实通用器件不但廉价，而且可靠性也较高。通用技术经过很多的应用考验，而且有丰富资料可以参考。合理的选用器件和使用技术，不但可以降低成本而且设计风险也比较小。