PCBASE控制电路与连接器测试系统方案

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1、PCBASE控制電路與連接器測試系統組員：蔡英俊、蕭士閔、重褀、今馨、張芸珮德霖技術學院機械工程系夜二技在職專班095A指導老師：諶其騮老師摘要當我們處理電源或信號源時,了解其內阻甚為重要。由於內阻造成之壓降,我們實際可獲得之電壓可能較開路時為低。因此需要透過測量以了解電壓源之內阻,以正確預估不同負載下可獲得之工作電壓。以甲醇燃電池為例,在它的活化啟動程序中就需要測量燃電池之內阻。本專題使用已知負載電壓降來推算內阻的方法,利用單晶片量取開路電壓及負載電壓,藉已知之負載電阻,算出電壓源之內阻,並透過七段顯示器顯示測值。本專題成品之功能、準度及價位適於中等學校教學實驗及學生專題、科學專題研究活動。

2、致謝感謝指導老師及任課老師的指導,提供我們一些資訊,讓我們的作品更加完美。267 / 11一、前言目前在工業上使用自動化量測,大多是利用RS-232做傳輸1,在數據擷取的應用上,或許足以使用,但是運用在機構的控制上,由於傳輸速度較慢,一次僅有一個BIT的傳送2,所以並不適用於自動化機構,尤其對於操作人員安全的考量上,如機器對人員可能會造成傷害時必須緊急停機,一旦由電腦下達命令時,先確定電腦與裝置的連線,再互相傳遞資料,等到電腦接收完畢,再發出讓機器緊急停止運作,這時候可能會有人員發生意外。所以本專題選用PRINT PORT為控制,每次傳輸8BIT的資料,適用於高速的傳輸3,僅使用PC基本傳輸

3、Print Port配合8255 I/O Card轉換成多工輸出,即能簡單又可靠提供多項控制傳輸模式,同時解決不同設備之間互動控制4。二、製作動機與發展現況本專題應用上是針對電子連結器的廠商設計,由於市場上的3C產品不斷地推陳出新,所以廠商不斷地設計各種連接器來運用,如CPU用的ZIF 370、PGA478、479,PC及週邊裝置的USB,RAM的插槽從早期的DIMM 144P、DIMM168,至目前的DDR200,知名的大廠如鴻海、AMP、華碩。這些廠商在生產連接器產品時,大多是以人工的方式將金屬端子插入塑膠座內,當然也有人以自動化機器來達成,最後必須對產品做驗証,判別產品的好壞,簡單的方式

4、是以三用電表量測端子兩端是否導通,但是講求效率的生產線上是不會這樣使用的。所以我們將製作一個可夾持待測物的機構,來做實際的驗証,並於每一接腳以線路連接至PC,由PC讀取各I/O點的連接情形,以判斷待測物是否為良品。圖1 基本架構圖圖2 實體架構照片三、並列埠通信協定3-1PRINT PORT腳位PRINT PORT的接腳採用open-collector或open-drain設計5,在信號號未動作之前,以高電位呈現。3-2.PRINT PORT的Interface RegistersPrint port由三個不同功能的Register來分工合作6,1.資料暫存器:共有8個位元,是資料進出必經之處

5、,在硬體設計上沒有硬體反向,而且都接到Print port的DB-25接腳。此位址是Print port的基本位址,例如:LPT1為378H。2.狀態暫存器:共有8個位元,該暫存器的內容只能讀取不能寫入。實質上只有5個狀態位元接至DB-25接腳,它們是用來指示PRINTER的使用狀態,在這裏被規劃為輸入用。S0:時間過時指示,當資料在傳輸時發生逾時狀況時,該位元從邏輯0轉態為邏輯1。S3:印表機發生錯誤時,該位元從邏輯1轉態為邏輯0。S4:印表機電源打開並且備妥連線時,該位元的邏輯為1。S5:印表機缺紙時,該位元的邏輯為1。S6:印表機將此線的邏輯設定為0,向主控端的個人電腦表示傳送過來的資料

6、已完成接收。S7:當印表機處於忙碌狀態時,該位元邏輯被設定為1。3.控制暫存器:共有8個位元,該暫存器的存取動作剛好與狀態暫存器相反,只能寫入資料不能讀取資料。實質上它只有四個位元被接到Print port的DB-25接腳。在本專題中我們將上面所述的三個暫存器進行資料輸出/輸入存取的動作,每一個Print Port Register的功能規劃如下:1.資料暫存器用來存放欲傳送的資料或已接收到的資料。2.控制暫存器用來設定資料的傳輸方向是對外輸出或對內輸入。3.狀態暫存器用來檢查外界的通信狀態結果。四、8255可程式IO原理4-1 PRINTER 8255卡我們用電腦寫程式並透過Printer

7、Port輸出輸入訊號以達到控制外界硬體的作用,因此以下我們來介紹Printer 8255 卡的各部分圖3中我們可以看到最大兩顆晶片就是8255單晶片,剩下左邊三顆就小的由上而下分別為,Latch、3-to-8 line decoder、解碼器,其各個用途如下8255單晶片由圖4中我們可以看到接腳分為6個部分,分別為左上角D0D7 的資料部份、右邊三個讀取寫入部分、左邊中間A0、A1選擇PA、PB或PC的選擇部分、左下是在選好PA或PB、PC後決定要讓其讀取或是寫入的決定部分、其實晶片內部還內嵌了一個暫存器沒有在圖上標示出來。圖3 Printer 8255卡圖4 8255腳位圖4-2 步進馬達控

8、制器可將Printer 8255卡配合步進馬達控制器作步進馬達控制。步進馬達控制器可以控制12V24V步進馬達的正轉或反轉。規格:PIN1: Low=正轉 / Hi=反轉PIN2: 方波輸入PIN3:HI=自轉 / LOW=方波輸入運轉PIN4:HI=STOP / LOW=RUNPIN56可自由規劃A:Bipolar stepping motor driverB:輸出至馬達最大電流 Imax2AC:輸出至馬達最大電壓 Vmax 40V圖5 步進馬達線路連接圖外觀:圖6驅動器外觀圖7 驅動器實體外觀五、製作原理5-1 機構動作圖8 夾持機構的不等角視圖如圖9中所示,將待測物D-SUB 9 PIN

9、,放入圖中的位置,目前選定的待測物,在一般的電腦上都可看得到,有的是RS-232接頭,也有的是滑鼠或數據機的接頭,目前仍然有工廠在生產這樣的產品,而且各電子零件行也都買得到,當然,如果要改用其他的待測物,那麼圖中的夾持部份機構及探針型式都可能要更改。圖9 放置待測物此時的狀態,探針還未接觸到待測物的兩端。圖10 測試前探針接觸當按下開始鍵之後,馬達帶動螺桿機構,使上部機構向下運動下半部壓板有彈簧,目的是要測試結束後,使壓板彈開,讓探針與待測物無接觸,我們一般稱此為脫模機構。下圖的狀態是上半部的壓板和下半部的壓板接觸,此時探針和待測物的兩端尚未接觸,但待測物已被圖中的機構夾住。圖11 測試中探針

10、接觸圖12顯示的是,運動機構由上向下走到了終點,此時待測物的兩端與探針接觸,而每一支探針的線路接到8255卡的I/O PORT,由電腦的程式開始測試。圖12 探針完全接觸待測物測試結束之後,馬達反轉螺桿,使上半部機構向上移動,下壓板被彈簧彈開,待測物與探針無任何接觸,判斷結果在電腦上顯示,此時可以拿出待測物,再準備下一次的測試。圖13 機構動作完成5-2測試原理如表1之線路,由第一顆8255的A PORT第一隻腳輸出HI電位,第二顆8255的A埠與B埠接收,第一次得到的結果應為0000 0000 0000 0001,16進制應為0001H,第二次由第一顆8255A PORT第二隻腳輸出HI電位

11、,接收的結果應為0000 0000 0000 0010,16進制為0002H,若待測物的此腳位缺PIN,得到的結果為0000 0000 0000 0000,若待測物的第一隻腳與第二隻腳呈現短路狀態,則第一次與第二次的接收結果皆為0000 0000 0000 0011,依此類推,直到將所有腳位掃描完畢。本專題中的硬體為2顆8255,最多可測試14PIN的待測物,當待測物的腳位大於14PIN時,可擴充8255的數量,當然硬體電路必須修改,並以74LS138來解碼,或是以74LS164及74LS165串入並出的方式來掃描。動作流程圖:表1 測試I/O點的線路圖14 機構實體照片圖15 上遮斷開關圖1

12、6 下遮斷開關圖17 外部按鍵開關必須同時按下機構左右兩側的啟動鍵,程序才會啟動。六、軟體設計本專題使用LABVIEW7.0的版本來設計,是因為LABVIEW為圖控程式,介面比較人性化,使我們不需花費太多時間學習即可在短時間內完成8。另一方面,在程式範例中,原廠已經有ActiveX的套件可以使用,大縮短了開發程式的時間。6-1 控制面板圖18 控制面板歸零:按下此鍵,會將三個計數器-測試總數、良品數、不良品及暫存表格歸零。測試:按下此鍵,會由第一顆8255輪流輸出HI電位,第二顆8255接收並分析資料。上:按此鍵時,機構向上,但碰到遮斷開關上A時,則停止向上的程序。下: 按此鍵時,機構向上,但

13、碰到遮斷開關上A時,則停止向上的程序。停止:在上或下的程序進行中,按下此鍵,則動作停止。A埠輸出值:第一顆8255之A PORT的輸出即時資料,以二進位方式顯示。B埠輸出值:第一顆8255之B PORT的輸出即時資料,以二進位方式顯示。標準參考值:良品的規範,以16進位數字顯示,每次測試時,接收的資料與標準參考值比對,相同的為良品,不同的即為不良品。實際讀取值:由第二顆8255之A PORT、B PORT接收的資料值。PASS:若判斷為良品,則亮綠燈。NG: 若判斷為不良品,則亮紅燈。外部輸入:第二顆8255之C PORT的掃描即時值。統計表:按下此鍵時,將暫存表格的資料製作成EXCEL報表。

14、6-2 基本輸出/入在使用85255之前必須先將其初始化,確定為使用模式0、模式1或模式2的方式,各PORT為輸出或輸入,在此將第一顆8255的A PORT和B PORT設為I/O點的電位輸出,接線在上針盤的位置,C PORT輸出至馬達控制器,第二顆8255設為輸入,APORT、B PORT接線在下針盤,以接收來自於第一顆8255的信號,C PORT接收機構上的啟動鍵、停止鍵及遮斷開關的信號。程式執行開始時,開機初始值為FALSE,所以依順序執行圖26中FALSE內的程式。如圖11所示,將第二顆8255的控制字組設為9BH,即第二顆8255為輸入。此時開機初始值經過反向器,變成TURE,故執行

15、下方8255 IN的SUBVI,當控制字組為32H時,即為讀取第二顆8255的C PORT。圖19 8255_2規劃圖20 8255_1的規劃如圖20所示,將第一顆8255的控制字組設為80H,即第一顆8255為輸出。圖21 讀取外部輸入值圖22 外部輸入值分析分解外部輸入值的資料,C PORT的第7PIN為外部的啟動鍵,第6PIN為停止鍵,第5PIN為遮斷開關上A,第3PIN為遮斷開關下A,第2PIN為遮斷開關下B。6-3 馬達控制圖23 馬達控制_1馬達驅動器的操作步驟:1.設定正反轉2.設定自轉或方波輸入單步執行3.啟動脈波如圖23所示,馬達帶動機構向上時,於第一顆8255的C PORT

16、輸出00001001,由LSB的第二個0為正轉,第三個0為啟始脈波,當狀態由0變為1時才會動作,第4位的1為設定自轉,必須要收到啟始脈波時,動作才會開始。在機構向下的程序中,輸出的是00001011與向上程序不同的是LSB的第二位,輸出1時代表反轉馬達。圖24 馬達控制_2圖24 中輸出啟始脈波,馬達依照圖24中的設定運行。只要按下面板的上按鍵或測試PASS時,機構便會向上,但是到達上A遮斷開關時,向上的動作停止。只要按下面板的下按鍵時,機構便會向下,但是到達下B遮斷開關時,向下的動作便會停止。圖25 馬達停止圖25為馬達停止的程序,在第一顆8255的C PORT全部停止輸出,馬達即停止。停止

17、的時機為,按下控制面板的停止鍵、上A遮斷開關或下B遮斷開關的行程時或是按下機構上的停止鍵時。6-4測試判別當按下控制面板的測試鍵,或是在自動程序之下,機構的行程走到了下B遮斷開關時,進入判定程序。判別的方式是讀取接收資料值與標準值做比對。圖26 測試判定圖27 計數與歸零當接收到PASS或NG信號時,代表判定程序已輸出結果,此時做計數值累加的動作,方法是讀回上一次的計數值,並且加1,若為PASS,則在PASS的計數器加1。圖中TRANS TABLE是一個SUBVI,就是一段副程式,是在每一次測試完畢後,就將資料值、計數值及測試時間等資料寫入一個*.TXT的暫存檔。歸零動作是隨時偵測是否按下控制

18、面板的歸零鍵,若按下歸零鍵,則計數器全部放0,並且刪除暫存檔。6-5 產生報表圖28 讀取暫存檔圖28中,是偵測按到統計表的按鍵時,就將暫存檔的資料提取出來,並轉換成EXCEL的資料型態。圖29 產生EXCEL報表圖29中是將暫存檔已轉換為EXCEL型態的資料填入EXCEL的表格中。並且打開EXCEL中已錄製的MARCO,EXCEL便會自動執行,產生如圖30的統計圖。若想查閲詳細的資料,則按左下SHEET,便會出現如圖31的統計表。統計表中的資料為計數值的資料、接收的數據及測試當時的日期、時間。圖30 自動產生統計圖圖31 統計表七、結論目前在工業上使用自動化量測,大多是利用RS-232做傳輸

19、,在數據擷取的應用上,或許足以使用,但是運用在機構的控制上,由於傳輸速度較慢,一次僅有一個BIT的傳送,所以並不適用於自動化機構,尤其對於操作人員安全的考量上,如機器對人員可能會造成傷害時必須緊急停機,一旦由電腦下達命令時,先確定電腦與裝置的連線,再互相傳遞資料,等到電腦接收完畢,再發出讓機器緊急停止運作,這時候可能會有人員發生意外。所以本專題選用PRINT PORT為控制,每次傳輸8BIT的資料,適用於高速的傳輸,僅使用PC基本傳輸 Print Port配合8255 I/O Card轉換成多工輸出,即能簡單又可靠提供多項控制傳輸模式,同時解決不同設備之間互動控制。本專題應用上是針對電子連結器

20、的廠商設計,由於市場上的3C產品不斷地推陳出新,所以廠商不斷地設計各種連接器來運用,如CPU用的ZIF 370、PGA478、479,PC及週邊裝置的USB,RAM的插槽從早期的DIMM 144P、DIMM168,至目前的DDR200,知名的大廠如鴻海、AMP、華碩。這些廠商在生產連接器產品時,大多是以人工的方式將金屬端子插入塑膠座內,當然也有人以自動化機器來達成,最後必須對產品做驗証,判別產品的好壞,簡單的方式是以三用電表量測端子兩端是否導通,但是講求效率的生產線上是不會這樣使用的。所以我們將製作一個可夾持待測物的機構,能自動計算不良率,提升品質管理達成節省人力成本的目標。八、參考文獻:1

21、黃新賢、羅希哲、朱旗生,微電腦介面控制與實習-使用並列埠,全華,2000。2 Harold S. Stone,Microcomputer InterfacingAddison-Wesley,1982。3 Yu-Cheng Liu、Glenn A.Gibson Microcomputer System:The 8086/8088 Family Architecture、Programming、and Design。4 郭俊宏 PC base 運動控制系統之研製 國立交通大學電機與控制研究所碩士論文 民國91年5廖炳松 LABVIEW 介面控制實習,全華,民91。6 詹東功 、陳天利 微電腦控制實習台科大圖書股份7 黃煌翔 介面技術原理與應用 全華,1998。8 惠汝生 Labview 7.1 Express 圖控程式應用,全華,2005。