TFC（Test Fixture Coreboard，测试工装核心板）是我今年主动提出、自己担任产品经理、硬件开发、软件开发的一个内部项目。前两个月为了这个项目天天在公司加班到凌晨两三点。谨此通过这篇文章给这个产品画上一个圆满的句号。

 

1. 项目背景

    之前，公司产线测试中存在诸多问题：

• 测试架接线方式复杂，工厂人员维护困难；
• 数据采集卡、数控电源相对比较昂贵，无法确保每个项目每个测试架专用。
• 多个测试架共用相同的一个数据采集卡、数控电源、电脑，每次生产任务都需要临时拆装测试架平台；
• 别情况下数据采集卡通道数无法满足测试要求

    TFC项目针对这些问题而诞生，一共包含三块核心板卡：“DAQ卡“、”数控电源卡“、”UI卡“。三个核心板卡分别代替原有的NI数据采集卡、数控电源、电脑。三个核心板卡都会通过金手指的方式插到测试架底板的插槽中，变为测试架内置的模块，不再外置，解决了接线方式复杂的问题。

 

    1. 将常用的AI、DO功能直接集成在测试架的核心板“DAQ卡”上，大概面积7cmx10cm。代替原有的全套NI采集卡。核心板“DAQ卡”通过金手指插到测试架底板的插槽上。

    2. “DAQ卡”总成本控制在100左右，比一套几万的采集卡便宜不少。因此“DAQ卡”不再多个项目共用，只有在测试架报废时才拆下来供其他项目使用。

    3. 设计一块数控电源的板卡，大概面积7cmx12cm。用来代替目前仍然多个设备共用的IT6722A电源，彻底解决一台设备需要不同项目共用带来的产线拆装问题，以及测试架底板对外引线过多的问题。

    4. 设计一块UI卡，大概面积7cmx8cm，上面有一个接屏的FPC，可以推最大800×480的显示屏。显示屏带触摸。UI卡主要用来代替电脑，处理一些比较简单的板子的测试。

    5. DAQ卡、数控电源卡、UI卡这三个板卡优先级依次降低。三种板卡在底板上用或者不用：

    a) 同时使用DAQ卡、数控电源卡、UI卡：测试系统无需电脑。整个测试架只需要外接48V适配器供电即可工作。

    b) 同时使用DAQ卡、数控电源卡：测试系统需要连电脑才能测试。测试软件跑在电脑上。整个测试架需要外接48V适配器供电，而且用USB线跟电脑相连

    c) 只使用DAQ卡：测试系统连电脑，同时要外接台式数控电源。整个测试架需要接：48V电源、USB线连电脑、串口线连数控电源。

 

 

2. 系统设计

 

 

3. 产品实物

TFC-DAQ：

TFC-PWR：

 

 

 

4. 跟市面上已有产品的对比

模块	具体参数	NI USB-6211	USB3300	USB1252	USB-6008	TFC-DAQ
产品定位	–	高端	中端	低端	低端	产测工具
模拟输入	通道数	16	16	16	8	23
	采样率	250k	最高1M	最高500k	10k	最高2300
	分辨率	16bit	16bit	12bit	12bit	12bit
	输入电压范围	-10~10V	-10～10V	0-10V -5～5V	-10～10V	0-50V
	绝对耐压	–	+/-12V	+/-15V	–	-200V～200V
模拟输出	通道数	2	4	0	2	4
	采样率	250k	100k	NA	150	1k
	分辨率	16bit	16bit	NA	12bit	12bit
	电压范围	-10～10V	-10～10V	NA	0-5V	0-30V
	输出驱动能力	2mA	10mA	NA	5mA	10mA
数字输入	通道数	4	4	0	复用12	0
	输入电压范围	0-5.25V	0-5V	NA	0-5V	NA
数字输出	通道数	4	4	16	复用12	24+2
	输出电流	16mA	–	–	8.5mA	24x75mA/ch +2x1A/ch
	PWM支持	–	–	–	–	支持
整机	供电方式	5V	5V	5V	5V	48V
	隔离方式	无隔离	无隔离	无隔离	无隔离	无隔离
	通信接口	USB	USB	USB	USB	金手指
	整机形态	独立设备	独立设备	独立设备	独立设备	嵌入式板卡
	信号连接器	接线端子	接线端子	接线端子	接线端子	金手指
	售价/成本	12000/售价	3000/售价	1000/售价	1000/售价	98/成本

 

5. 功能参数

5.1 DAQ卡

    DAQ卡主要满足数据输入输入的功能。带有以下功能：

• AI：一共23路。其中15路低压采集（0-6V），8路高压测量（0-50V）。
• AO：一共4路。1ksps的输出速率，最高产生500Hz的波形。（需要产生更高速的车速信号可使用高速DO）
• DI：无。一般DI主要目的是用来采集高频信号的频率，正常的DI需求都可以用AI来满足。
• DO：一共26路。其中24路低速小电流（20kHz/75mA），2路高速大电流（1MHz/1A，无保护）。

    此外DAQ卡上还会集成2路CAN、1路UART、用于测试架交互的4个按键、1个蜂鸣器以及1个LED指示灯。

 

关键技术指标：

分类	参数	指标
AI	通道数	23
	输入电压范围	低压检测：0-6V 高压检测：0-50V
	输入耐压范围	-200V～+200V
	位数	12位
	精度	低压检测：+/-5mV 高压检测：+/-50mV
	采集速率	默认460sps 最高2300sps
	输入阻抗	>100kOhm
AO	通道数	4
	输出电压范围	范围可调，最高0-30V
	输出电流大小	最大10mA
	位数	12位
	输出信号频率	最高500Hz
	输出信号采样率	1ksps
DO	通道数	26路，24路低速小电流，2路高速大电流
	输出电压	12V/24V（硬件配置）
	输出电流	低速小电流：最大75mA/ch，限流值可调，可输出可调频率PWM 高速大电流：最大1A/ch，限流值不可调
	输出速度	低速小电流：最大20kHz 高速大电流：最大1MHz
	保护特性	低速小电流：输出限流，过热保护 高速大电流：无保护

 

5.2 PWR卡

    数控电源卡主要用来产生板卡供电所需要的直流电源。直流电源1路，最高输出电压45V，最大输出电流2A。可限压、限流，有短路保护、过热保护。可通过串口读取实时输出电压与实时输出电流，以及电源当前状态（CV/CC/FAULT）。

 

关键技术指标：

参数	指标
通道数	2路
电源类型	开关电源
输出电压范围	0-45V，限压值数控可调
输出电流范围	0-5A，限流值数控可调
输出功率范围	50W/ch
输出电压精度	+/-10mV
输出电流精度	N/A
回读电压精度	+/-50mV
回读电流精度	N/A
保护特性	输出限压、输出限流、短路保护、过热保护

 

5.3 UI卡

 

    UI卡主要用来进行用户的交互。板卡上带有两个FPC，一个用来接最大800×480的显示屏，另外一个用来接电容式触摸面板。可以通过串口发送指令给DAQ卡与数控电源卡。

 

关键技术指标：

 

6. 软件功能参数

6.1 关键技术指标

 

 

6.2 宏命令

 

参数	指标
宏个数	最大15个
宏命令长度	最大4kB
宏命令与外部命令并发访问	支持

 

 

7. 电气、环境适应性及结构参数

7.1 电气参数

额定电压	46-50V DC
额定功率	2W空载
通信方式	UART（3.3V，BR115200）

7.2 环境适应性参数

工作温度	0～50℃
工作湿度	10～90%RH

7.3 产品结构参数

DAQ卡尺寸	67mm x 55mm x 14mm
数控电源卡	67mm x 70mm x 34.5mm

 

8. 最终产品成品外观

    下面看到的这个大大的底板，只是为了把DUT上的信号引到TFC上，这样测试架底板设计就非常简单了。

 

 

9. 硬件设计指南（缩减版）

9.1  AI-模拟电压采集

 

通道	通道数量	功能	输入范围	耐压	理论精度	输入阻抗	响应时间	悬空电平	备注
Ch0-7	8路	高压采集	0-50V	236V	13mV	1.5M	1秒	0mV
Ch8-22	15路	低压采集	0-6V	50V	1.7mV	110k	0.2秒	0mV

 

 

9.2 DO-数字信号输出

 

通道	通道数量	功能	PWM频率	PWM占空比	限流设置	最大电流	输出电压	默认输出	备注
CH0-11	12	普通输出	组内共用相同频率，200-20kHz	1%-99%	1-75mA	75mA	12V	0V
CH12-23	12	普通输出	组内共用相同频率，200-20kHz	1%-99%	1-75mA	75mA	12V	0V
CH24	1	大电流输出	不支持	不支持	无保护	1A	12V	0V
CH25	1	大电流/高速输出	单独设置，1-1MHz	50%	无保护	1A	12V	0V

 

9.3 AO-模拟电压生成

 

通道	通道数量	功能	采样率	理论精度	频率范围	电压范围	直流输出	相位控制	波形	波表长度	默认输出
CH0-3	4	AO输出	1kSPS	12bit 9mV	0.0001-500Hz	0-30V	支持	支持	4路完全独立设置	1-200个/通道	0V

 

9.4 CAN

 

通道	通道数量	功能	标准帧/扩展帧	数据帧/远程帧	数据长度	打包定时发送报文数量	打包定时发送报文周期	过滤器模式	过滤器数量	波特率
CH1-2	2	CAN收发	支持	支持	0-8	最大19个	最小10ms	指定ID 某类ID	指定ID：2个 某类ID：1个	10k-1000k

 

9.5 内部串口

 

	UART1	UART2	UART3	UART4	UART5
功能	电源控制	TPS929120控制	主接口	调试串口	TPS929120控制
工作模式	二进制串口	二进制串口	文本串口	文本串口	二进制串口
连接设备	TFC-PWR	DO-CH12～23	PC	Debug	DO-CH0~11
波特率	115200	115200	115200	115200	115200

 

9.6 宏命令

 

    宏指令使得TFC可以在没有上位机的时候仍然能执行某些简单的任务，或用来执行简单的定制化初始化代码。

 

录制

    TFC允许预先录制15个宏永久存储在Flash中。

    Key3-Key0分别代表MSB-LSB，按下则对应位为1，没按为0，表征1-15一共15个宏。当TFC启动时会检测按键状态，若按键被按下则执行相应的宏。

    发送开始宏录制功能后，到宏录制终止之前，所发送的所有指令都将被保存在指定的区域。

    宏录制时，相应的宏命令依然会被TFC执行。在执行后会发出一声短暂的哗音，提醒当前处于宏录制模式。

    每个宏最长允许4095 Byte的指令。若超长，则TFC会自动重启，该次宏录制无效。

    若想清空某个宏，则发送对应宏id的start指令之后，再发送重启TFC命令即可。

 

执行

    TFC启动并开始第一次执行宏命令之前，蜂鸣器会鸣叫宏id对应的次数。例如第一次执行id为8的宏之前，蜂鸣器会先鸣叫8次。

    同发送TFC指令时一样，宏录制的指令会被倒序执行。

    若执行宏指令时收到了外部的TFC指令，则优先执行外部指令。若外部一直有指令，则宏指令可能很久都得不到执行。

 

9.7 其他特性

 

    按键：4个按键，按键另一端直接接地即可，无需再加去抖/ESD电路。硬件限制，不支持双击、长按。

    有一个蜂鸣器，可以播放简单的音调与音乐。

    允许PC上位机写入最大64Byte的字符串永久保存在Flash内。

    TFC上带的12V以及3.3V可以直接被测试架底板使用，使用TPS54260方案，总电流能力2.5A。TFC自身工作的电流小于0.1A，剩余的均可被负载使用。

    可以直接通过指令读出CPU ID、Flash Vender、Flash ID，这些信息可以作为TFC的ID使用。

    可以通过指令对MCU上的任意IO进行读写操作。需要注意的是，该功能会使得已经配置为其他总线的IO丧失总线功能，且无法通过其他指令恢复，只能通过发送复位命令使MCU重启之后才可恢复总线功能。

    可以通过 指令实时查看当前的CPU利用率。

 

 

10. 通信指令集

所有跟TFC发出的指令都是基于JSON，便于上位机开发。指令包含功能指令、消息传输指令、IO指令、配置指令、TFC主动上报指令以及宏录制指令、调试指令共7种。

• 功能指令：复位 、软复位、播放声音、播放启动音乐、获取TFC软件版本、获取CPU ID、写EEPROM、读EEPROM、自检
• 消息传输指令：串口消息透传发送、串口消息透传读取、CAN消息透传发送、CAN消息透传读取
• IO指令：AI获取、AO设置，固定电平、AO设置，周期波形、DO设置、获取按键状态、获取DO错误状态、设置电源参数、读取电源参数
• 配置指令：UART波特率配置、CAN波特率配置、CAN过滤器配置、UART绑定
• TFC主动上报指令：报错指令、接收信息上报指令
• 宏录制指令：开始宏录制功能、停止宏录制功能
• 调试指令：TPS929120寄存器读、TPS929120寄存器写、写事件掩码TFCCallbackSetEventMask、任意IO操作、TFC系统设置、获取CPU负载、获取设备信息

 

 

下面附上常见操作的CPU负载情况统计表：

指令/状态	CPU负载
待机状态	2%
执行自检	20%
播放一首音乐	1%
读20路AI	3%
写20路DO	25%
写4路AO的波表	10%
开1/2/3/4路AO	12%/21%/29%/37%
串口透传8个字节	4%
每50ms发一个CAN报文	2%
每10ms发一个CAN报文	4%
收每1ms十个报文的CAN消息	2%
Beep（阻塞式）	100%
Beep（非阻塞式）	2%
其他指令	小于2%
每秒刷一次LCD	5%