1. 引言
随着制冷机控制器大规模应用，在研发、生产和检验过程中，需要大量测试不同性能指标的器件。设计研发可靠性更强、精确性更高且经济实用的自动测试系统来快速准确测试产品对微电子研发生产企业提升产品性能和质量是亟待完成的工作。
现有的制冷机控制器测试系统相较于以往的手动测试，加快了生产进度和提高了测试效率，保证了测量结果的可靠性。但是该系统的专用性较强，需要在测试系统中使用制冷机控制器对应的制冷机负载，这大大增加了测试成本。本文介绍的制冷机控制器常温功能参数自动测试系统使用价格低廉的普通三相直流无刷电机代替价格较高的制冷机，降低了测试成本，提高了测试效率。
2. 测试方案设计
2.1. 制冷机控制器常温功能参数测试原理
制冷机控制器常温功能参数测试的主要参数包括缓启动时间、霍尔电压、控温电压设置功能、待机功能、待机电压修改功能、最大输出功率值设置功能、输出偏流等[1]。霍尔电压和输出偏流可以通过万用表的直流电压和直流电流挡测出。缓启动时间是从电路上电开始到电机全速运行的时间，判断电路是否到达全速运行状态可通过示波器读取控制器输出的三相信号的占空比来判断。控温电压设置功能测试和待机电压修改功能是通过计算机给控制器的单片机发送串口指令来修改控制器的控温电压和待机电压[2]，再通过调整精密源表的输出电压看控制器在多大的电压下进入控温状态，判断电路是否到达控温状态同样是通过示波器读取控制器输出的三相信号的占空比来判断[3]。最大输出功率值设置功能测试通过计算机给控制器发送串口指令来修改控制器输出三相信号的全速运转的占空比，通过读取电源输入电流是否变化来判断输出功率值能否修改成功。
2.2. 系统总体结构框图
根据制冷机控制器常温功能参数测试系统功能的需求分析，考虑设计一套自动化测试系统，可以在常温下对制冷机控制器的缓启动时间、霍尔电压、控温电压设置功能、待机功能、待机电压修改功能、最大输出功率值设置功能、输出偏流等进行测量，并对上述参数根据用户需求进行测试数据自动存储。一套自动测试系统需要有各个模块的子系统系统合作，这些子系统直接影响了测试系统的性能、成本以及维护方式。设计整个系统前确定系统的体系结构，可以方便后期自动测试系统的调试和故障追踪。硬件体系结构如图1所示，主要由六个主要的子系统组成。
Figure 1. Hardware architecture diagram of automatic testing system
图1. 自动测试系统硬件结构图
2.3. 自动测试系统工作原理
制冷机控制器常温功能参数自动测试系统需要一台计算机、一台电源、一台万用表、一个继电器、1台示波器和1台精密源表。
测试系统通过对上位机接入的VISA (Virtual Instrument Software Architecture)资源进行搜索，并与仪器仪表的VISA资源名进行比对来自动进行仪表和资源名称的一一对应。
霍尔电压和输出偏流可以通过万用表读取的数据通过USB串口直接传输到上位机。缓启动时间通过上位机控制电源上电，由示波器读取控制器输出的三相信号波形并通过USB串口传到上位机，上位机读取波形的占空比来判断电机是否工作在全速运行状态，上位机500毫秒检测一次电路是否到达全速状态，并最终计算出缓启动时间。控温电压设置功能测试和待机电压修改功能是通过上位机给控制器的单片机发送串口指令来修改控制器的控温电压和待机电压，再通过上位机调整精密源表的输出电压来模拟制冷机的测温二极管电压，当输出电压到达设置控温电压附近时，通过示波器采集的控制器三相波形占空比来判断控制器是否进入控温状态。最大输出功率值设置功能测试通过给控制器发送串口指令来修改控制器输出三相信号的全速运转的占空比，上位机读取修改前和修改后电源输出电流是否变化来判断输出功率值修改功能是否正常。
对上述参数根据用户需求进行测试数据自动存储通过测试系统程序实现自动保存。
3. 系统硬件设计
3.1. 系统的组成
制冷机控制器常温功能参数自动测试系统采用基于NI公司的Labview人机交互软件和程控仪器仪表方案，自动化测试台的整体系统设计框图如图2所示。系统由计算机、程控电源、16通道串口IO继电器、精密源表、万用表以及示波器组成。
Figure 2. Design block diagram of automatic testing system for room temperature functional parameters of refrigerator controller
图2. 制冷机控制器常温功能参数自动测试系统设计框图
3.2. 精密源表
制冷机控制器是通过采集制冷机测温二极管两端的电压来判断应该工作在什么状态。如果测试控制器的时候使用制冷机来提供电压，不仅会造成制冷机产品的损耗从而增加测试成本，而且通用性不强。
3.3. 电源模块
电源模块是整个自动测试系统中必须具有的模块，待测对象的工作都需要由电源驱动，所以，拥有稳定可靠、低功耗的电源模块是自动测试系统能够完成测试任务的必要保证。本系统中电源模块需要分别给制冷机控制器和16通道串口IO继电器提供24 V的电压，且需要对电源的电流进行采集，因此选用DH1766-2型三路可编程直流电源，采用USB-A口实现上位机和电源的数据传输。
3.4. 测量模块
设计中对于制冷机控制器的控温点的测量采用示波器采集三相电机驱动信号中的PWM波形信号，计算占空比，使用万用表读取控温状态下的电压。数字万用表和数字示波器所组成的谐振频率测量模块搭建简单，能达到测试系统精确测量的要求。由于对控温点的测量精度需要达到小数点后5位，因此测试系统采用是德的34,461 A万用表，这款数字万用表测量精度可以达到6位半，具有直流电压和电流的测试功能，可以满足测试系统需求。数字示波器采用是德公司的DSOX3024T，该示波器拥有4通道，具有波形检测及高速采集功能，内置电压表；支持区域触发，分段存储，通讯接口支持USB和LAN口通信。
3.5. 信道开关
由于制冷机控制器的测试需要使用多个输出引脚，而多路复用器串口IO继电器可以使单个测量系统测量多个通道，将每个输出引脚连接至测量系统，并通过上位机控制输出引脚连接，每次测量一个，然后自动转移至下一个，所以，数据采集模块必须增加一个串口IO继电器。本测试系统选用的是SRND-CM-16DO通道串口IO继电器。该继电器具有16路继电器输出，支持RS485和RS232通信。
4. 系统软件设计
4.1. 上位机软件Labview介绍
本文基于Labview平台设计上位机软件。Labview能够和支持GPIB、RS-232/RS-485、VXI接口的仪器仪表和采集设备的通讯，使虚拟仪器的开发更为方便[4]。常用于进行自动测试系统仪器仪表控制、进行数据采集和数据保存，在工业测控及自动化测量等地方使用广泛，并得到快速发展[5]。Labview编写的程序写在VI (Virtual Instrument)中，VI中包括前面板以及框图程序[6]。与以往的测试系统软件相比Labview具有很大的优势：VI可以由开发者灵活编辑仪表功能，而不是仪表生产公司设定好，因此采用Labview开发的自动测试系统具有很大的开发空间[7]。
4.2. 软件开发需求分析
Labview人机交互软件是测试系统的大脑，将整个测试的流程串联起来，所以设计一个能够较好的完成自动测试任务的上位机软件是非常重要的一项工作。因此这里对制冷机控制器常温功能参数自动测试系统的需求情况进行了分析，总结了系统上位机软件应当满足以下需要：具有登录界面、具有设备驱动功能、具有一键测试功能、具有复测功能、具有界面显示功能、具备信息存储功能、具备容错性处理功能。
4.3. 软件整体流程设计
通过对软件开发需求的分析，描绘了如图3所示的制冷机控制器常温功能参数自动测试系统主流程图。
Figure 3. Main flowchart of automatic testing system for normal temperature functional parameters of refrigeration machine controller
图3. 制冷机控制器常温功能参数自动测试系统主流程图
4.4. 上位机前面板介绍
自动测试系统软件开发的第一步需要进行前面板界面的设计。这是人机交互软件开发的一项非常重要的工作，因为搭建自动测试系统需要让测试人员测试时能够简洁明了的观察待测器件的参数。根据上位机前面板的一致性原则、简明性原则、设计原则，设计了如图4所示的制冷机控制器常温功能参数自动测试系统的上位机前面板，主要包括测试信息填写、电路状态选择、测试数据显示、设备初始化、测试结果显示以及生成汇总表。
Figure 4. The front panel of the upper computer of the automatic testing system for the normal temperature functional parameters of the refrigeration controller
图4. 制冷机控制器常温功能参数自动测试系统的上位机前面板
4.5. 自动测试过程
4.5.1. 系统初始化
系统初始化采用上位机自动识别设备的方式。仪器仪表自动识别根据仪器仪表的VISA资源名称的正则表达式，采用VISA查找资源函数来自动匹配VISA资源名称对应的仪表名称。如图5所示为VISA查找电源资源。
串口号自动识别则通过遍历电脑识别的串口号给串口下位机发送指令，通过下位机是否返回数据来自动匹配串口号和下位机。如图6为串口号自动识别。
Figure 5. VISA searches for power resources
图5. VISA查找电源资源
Figure 6. Automatic serial number recognition
图6. 串口号自动识别
4.5.2. 霍尔电源电压测试
制冷机控制器的霍尔电源电压参数的测试是通过上位机给串口IO继电器发送指令打开通道7和通道11，使得万用表的DCV和GND分别与制冷机控制器的HV+和HV−口进行连接。进而通过万用表测量HV+和HV−两端的电压，上位机通过串口读取万用表测量的电压值，并判断电压值是否在4.8 V~9 V之间，如果在4.8 V~9 V之间则判断该指标合格。霍尔电源电压测试程序如图7所示。
Figure 7. Hall power supply voltage testing program
图7. 霍尔电源电压测试程序
4.5.3. 电机驱动功能
1) 全速
设置制冷机控制器控温电压为1.099 V，设置源表输出0.9 V，看电源输出电流是否为正常的全速运转电流，通过示波器读取三相电机驱动信号中的PWM波形的占空比看是否为正常的全速占空比。读取全速运转占空比程序如图8所示。
Figure 8. Read the full speed operation duty cycle program
图8. 读取全速运转占空比程序
2) 控温
设置源表起始输出电压为1.091 V，逐步增加输出电压至制冷机控制器的控温电压，通过读取电源的输出电流看能否到达控温时候的电流，通过示波器读取三相电机驱动信号中的PWM波形的占空比看是否为正常的控温占空比。读取控温阶段占空比程序如图9所示。
Figure 9. Read the duty cycle program of the temperature control stage
图9. 读取控温阶段占空比程序
4.5.4. 缓启动时间测试
通过上位机控制程控电源为制冷机控制器供电，控制源表输出0.9 V，使制冷机控制器开始工作并开始计时；通过上位机每隔500 ms读取示波器测量的三相电机驱动信号中的PWM波形的占空比；当读取的占空比η达到η全(0.7~0.9)之间时，则电机达到全速运转的占空比，停止计时并用结束计时时间减去开始计时时间计算出缓启动时间，计算出的缓启动时间在2S~4S内则该指标合格。缓启动时间测试软件流程图如图10所示。
Figure 10. Software flowchart for testing slow start time
图10. 缓启动时间测试软件流程图
4.5.5. 控温电压设置功能
通过上位机串口设定制冷机控制器的控温电压为V控，例如设置为1.047 V，再对控温电压进行测试；通过上位机调整精密源表的输出电压来模拟制冷机的测温二极管电压给制冷机控制器提供反馈电压，初始电压设定为V始 = V控 − 0.02 V (即1.027 V)；通过调整精密源表输出电压，使制冷机控制器进入控温状态；每200 ms读一次电源的输出电流看是否进入控温状态；通过万用表测量精密源表在制冷机控制器进入控温状态时的输出电压；将万用表测量的电压值与正常控温电压范围：V控 ± 0.012 V (即1.035 V~1.059 V)进行比较，来判断控温电压是否合格。控温电压设置功能测试软件流程图如图11所示。
Figure 11. Flow chart of temperature control voltage setting function test software
图11. 控温电压设置功能测试软件流程图
4.5.6. 待机功能
通过上位机串口设定制冷机控制器的控温电压为V待，例如设置为0.9501 V，再对待机电压进行测试；通过上位机调整精密源表的输出电压来模拟制冷机的测温二极管电压给制冷机控制器提供反馈电压，初始电压设定为V始 = V待 − 0.02 V (即0.9301 V)；通过调整精密源表输出电压，使制冷机控制器进入控温状态；每200 ms读一次电源的输出电流看是否进入控温状态；通过万用表测量精密源表在制冷机控制器进入控温状态时的输出电压；将万用表测量的电压值与正常控温电压范围：V控 ± 0.012 V (即0.9381 V~0.9621 V)进行比较，来判断控温电压是否合格。
4.5.7. 最大功率值输出值设置功能
设置PWM占空比为80%，读取电源的输出电流，再设置PWM占空比为100%，读取电源的输出电流，将两个输出电流值相减，看差值是否正常。
4.5.8. 板温数值读取
通过上位机给制冷机控制器发送读取板温指令，读取制冷机控制器返回的板温数据。
4.5.9. 输出偏流
制冷机控制器的输出偏流的测试是通过上位机给串口IO继电器发送指令打开通道10和通道12，使得万用表的DCI和GND分别与制冷机控制器的D+和D−口进行连接。进而通过万用表测量D+和D−两端的输出偏流，上位机通过串口读取万用表测量的电流值，并判断电流值是否在460 μA~540 μA之间，如果在460 μA~540 μA之间则判断该指标合格。
4.6. 数据存储
4.6.1. 生成测试数据
本文测试系统使用的是CSV (Comma-Separated Values)格式进行数据保存操作，CSV格式是指逗号分隔值，其占用空间更小，存储速度更快，可以满足自动测试系统的要求。如图12所示为创建csv文件。
Figure 12. Create CSV file
图12. 创建csv文件
CSV文件的写入操作如图13所示。需要配置格式、文件路径、二维数组和分隔符。csv文件的默认分隔符是逗号，因此这里分隔符设置成逗号。
Figure 13. Write operation of CSV file
图13. CSV文件的写入操作
4.6.2. 生成数据汇总表
通过创建报表，设置窗口状态、报表类型和模板，创建报表子vi如图14所示，再通过添加数组表格至报表将从csv文件中读取的合格的数据存储至汇总表中。添加数据到报表子vi如图15所示。
Figure 14. Create report sub vi
图14. 创建报表子vi
Figure 15. Add data to report sub vi
图15. 添加数据到报表子vi
5. 结论
本文研究了国内外自动测试系统的发展状况和搭建方法，并以此为研究背景，对制冷机控制器常温功能参数自动测试系统的设计进行了深入研究，经过对用户需求和相关技术现状的研究，采用了基于仪器仪表和Labview相结合的自动测试系统设计方案。根据系统的测试需要和待测器件的电特性对仪器仪表进行选型和上位机软件的编写，完成了一套具备通用性的制冷机控制器常温功能参数自动测试系统的搭建。该系统充分发挥了程控仪器仪表精准采集、Labview软件数据处理的特长，具有测试结果准确度高、方便维护以及经济实用的特点。