賀養(yǎng)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(chǎn)品的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，電子工業(yè)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(yī)療設(shè)備、汽車工業(yè)還是消費(fèi)電子領(lǐng)域，電子元器件的可靠性都對產(chǎn)品的安全性、性能和壽命產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(jìn)，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(nèi)部的復(fù)雜性也隨之增加，導(dǎo)致其潛在的故障點(diǎn)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(tǒng)旨在應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，系統(tǒng)結(jié)合先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)，利用多種傳感器來監(jiān)測元器件的各種參數(shù)，從而能夠全面、實(shí)時地評估元器件的性能。此系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)結(jié)果將有望為電子工業(yè)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(tǒng)框架設(shè)計

電子元器件檢測系統(tǒng)采用了一種分層的系統(tǒng)架構(gòu)，由多個關(guān)鍵組件組成，彼此協(xié)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(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 電子元器件檢測系統(tǒng)框架圖

傳感器單元負(fù)責(zé)實(shí)時采集電子元器件的各種參數(shù)，系統(tǒng)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(guān)鍵性能指標(biāo)。各種傳感器通過RS485 總線與控制單元連接，控制單元主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)傳感器單元的工作，接收傳感器采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行整合處理。同時控制單元與數(shù)據(jù)庫和用戶界面進(jìn)行通信，確保數(shù)據(jù)的存儲和實(shí)時監(jiān)控。數(shù)據(jù)庫用于存儲歷史數(shù)據(jù)和測試結(jié)果，考慮數(shù)據(jù)的安全性和可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)庫基于MySQL 語言開發(fā)，以應(yīng)對大規(guī)模數(shù)據(jù)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(shè)備實(shí)時監(jiān)控電子元器件狀態(tài)、查看檢測結(jié)果和配置測試參數(shù)。

2 硬件設(shè)計

參與本文所設(shè)計的電子元器件檢測系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(dá)±0.1%。此傳感器可以同時測量電壓和電流，用于監(jiān)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(yīng)范圍0.1Hz～3.2kHz，可用于檢測電子元器件在振動環(huán)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(jī)，其搭配Intel Core i7-8700T，6 核心，12線程，2.4GHz 主頻處理器，16 內(nèi)存GB，Windows7 操作系統(tǒng)以及多個USB 端口、以太網(wǎng)接口和RS-232 串口，以支持?jǐn)?shù)據(jù)采集和與其他設(shè)備的通信。

3 軟件設(shè)計

■3.1 檢測數(shù)據(jù)采集及整合

在電子元器件檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵步驟之一，需要精確地收集各種傳感器測量到的數(shù)據(jù)以供后續(xù)的分析和處理[4]。在該過程中，根據(jù)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(jiān)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(yùn)行過程中溫度分布的準(zhǔn)確監(jiān)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(jiān)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(shí)際環(huán)境中的穩(wěn)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(yùn)行特定的數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序?qū)ｉT設(shè)計用于對電子元器件進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)將會通過控制單元進(jìn)行初步整合處理。在本次設(shè)計的檢測系統(tǒng)中，主要關(guān)注的是溫度、電壓、電流以及振動參數(shù)?？刂茊卧獙⒉杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和整合，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供準(zhǔn)備。在這個系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)地檢測，系統(tǒng)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(shù)據(jù)將會受到算法的計算和整合，從而得到更為準(zhǔn)確和可靠的結(jié)果。這種整合算法可以根據(jù)實(shí)際情況對不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)、修正或組合，以提高檢測的準(zhǔn)確性和可信度?？紤]到數(shù)據(jù)類型的多樣性，數(shù)據(jù)計算整合的計算公式如式(1)所示：

式中，a表示數(shù)據(jù)類型平均值，ix表示第i 個數(shù)據(jù)，n表示數(shù)據(jù)總數(shù)?？刂茊卧獣⒉杉降臄?shù)據(jù)基于MQTT 協(xié)議格式進(jìn)行打包處理，并通過WLAN 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。

■3.2 數(shù)據(jù)庫搭建

電子元器件檢測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫用于存儲和管理采集到的電子元器件參數(shù)數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息的關(guān)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(shù)據(jù)庫，根據(jù)電子元器件的參數(shù)類型為每種參數(shù)搭建一個單獨(dú)的數(shù)據(jù)表，以數(shù)據(jù)類型的名稱為每個數(shù)據(jù)表定義字段，每個數(shù)據(jù)表的字段類型和長度會根據(jù)特定參數(shù)數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行定義，以確保數(shù)據(jù)的存儲和檢索的準(zhǔn)確性和效率。時間戳使用DATETIME 類型，而數(shù)值字段則會根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的數(shù)據(jù)類型，如FLOAT 或DECIMAL，并根據(jù)具體需求設(shè)置長度和精度，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄表如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄表

讀寫效率的提高可大幅度提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能，將電子元器件的名稱作為索引主鍵，以區(qū)別不同表的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)可搜索多項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的效果，提高數(shù)據(jù)讀寫的效率。

■3.3 檢測結(jié)果可視化

檢測結(jié)果可視化通過搭建數(shù)據(jù)查詢Web 端完成，這種方法基于前后端分離的方式，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口向外傳輸，以此為外界設(shè)備在數(shù)據(jù)接收上提供便利，同時確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性[5]。本文對檢測結(jié)果可視化的設(shè)計主要包括RESTful 設(shè)計、JWT 身份認(rèn)證、HTTPS 加密以及使用Spring Boot 和Spring Cloud 框架的擴(kuò)充。首先根據(jù)電子元器件檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將各種資源（如電子元器件參數(shù)、測試數(shù)據(jù)、用戶信息等）定義為RESTful資源，每個資源對應(yīng)一個唯一的URL。使用HTTP 方法（GET、POST、PUT、DELETE 等）來操作這些資源，實(shí)現(xiàn)CRUD（創(chuàng)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(shù)數(shù)據(jù)，使用POST 方法來創(chuàng)建新的測試數(shù)據(jù)記錄。按照HTTP 標(biāo)準(zhǔn)使用對應(yīng)的狀態(tài)碼來表示每個請求的結(jié)果，包括200 表示成功、201 表示創(chuàng)建成功、404 表示資源未找到、500 表示服務(wù)器錯誤。

JWT 身份認(rèn)證用于身份認(rèn)證和授權(quán)的開放標(biāo)準(zhǔn)，將用戶信息以JSON 格式進(jìn)行編碼，并使用數(shù)字簽名保證數(shù)據(jù)完整性。在系統(tǒng)中，用戶登錄后，服務(wù)器會頒發(fā)一個JWT令牌，客戶端將在每次請求中發(fā)送該令牌，服務(wù)器使用密鑰驗(yàn)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(shí)現(xiàn)用戶認(rèn)證和授權(quán)功能。HTTPS使用SSL/TLS 協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)被竊聽或篡改，同時為Web 服務(wù)器配置SSL 證書，確保通信雙方的身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密。Spring Boot 和Spring Cloud 提供了豐富的數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)庫集成功能，可以輕松連接MySQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和管理，為此本文采用以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與外界設(shè)備連接的搭建，數(shù)據(jù)查詢流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)查詢原理圖

在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時，用戶可以通過Web 端的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面輕松查看到電子元器件的各種實(shí)時數(shù)據(jù)，如溫度、電流、電壓和振動等。這種及時的數(shù)據(jù)反映了設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，為用戶提供了即時的監(jiān)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(shù)據(jù)記錄，這使得用戶能夠深入了解電子元器件的運(yùn)行歷史，從而更好地評估其性能和長期趨勢。歷史數(shù)據(jù)記錄是非常有價值的，其可以提供關(guān)于電子元器件在不同時間段內(nèi)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(shù)據(jù)，識別是否存在異?；蛑芷谛宰兓＿@種分析有助于用戶提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以確保電子元器件的穩(wěn)定運(yùn)行。同時實(shí)時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢的結(jié)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(shè)備的運(yùn)行可靠性，降低維護(hù)成本，還可以最大程度地延長設(shè)備的壽命。通過及時發(fā)現(xiàn)問題并采取預(yù)防性維護(hù)措施，用戶可以有效地減少設(shè)備停機(jī)時間，并確保生產(chǎn)或服務(wù)的連續(xù)性。因此，這種綜合的數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)測系統(tǒng)對于各種行業(yè)的用戶都具有重要的意義。

4 測試實(shí)驗(yàn)

■4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能進(jìn)行了一系列測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行檢測數(shù)據(jù)采集，包括溫度、電流電壓波動和機(jī)械振動的參數(shù)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過測試后，對3 個電子元器件進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表

由表中的數(shù)據(jù)可知，3 個電子元器件中，1 號和3 號元器件的測試數(shù)據(jù)都處于合格范圍內(nèi)，2 號元器件的振動頻率低于合格范圍，平均為800Hz，系統(tǒng)提示出該元器件檢測結(jié)果為不合格狀態(tài)，由此可見本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以實(shí)時檢測出電子元器件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)，給出對應(yīng)的檢測結(jié)果，通過結(jié)果可使相關(guān)人員了解每個電子元器件的性能和是否符合規(guī)格要求，提高電子元器件的可靠性。

5 結(jié)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(tǒng)的設(shè)計方法，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計內(nèi)容，通過測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明該系統(tǒng)可以有效地檢測出元器件的故障問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。這種系統(tǒng)的應(yīng)用將對各個領(lǐng)域的電子設(shè)備制造產(chǎn)生積極影響，確保產(chǎn)品在各種條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。未來可以進(jìn)一步研究和改進(jìn)這一系統(tǒng)，以滿足不斷增長的電子元器件可靠性要求。