基于总线技术的分布式板上MOS管老化系统设计

袁 霄，潘玉良，凌在盈

（1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江杭州 311121；2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江杭州 311121）

基于总线技术的分布式板上MOS管老化系统设计

袁 霄，潘玉良，凌在盈

（1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江杭州 311121；2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江杭州 311121）

由于MOS管是浅结系列器件，极有可能在产品的生产流程中遭到静电击穿或半击穿而损坏.为保证产品的可靠性，设计了一款基于总线技术的分布式板上MOS管老化系统.该系统模拟实际负载对产品中的多路MOS管的承载能力进行巡检测试，并以RS485总线构成网络平台对批量产品在线监测，从而有效地保证产品质量.文中给出了系统智能检测装置的软硬件设计及RS485总线的通讯协议描述.经过实际应用，该系统运行稳定，可在一定范围内推广.

RS485总线；ARM；MOS管老化；故障保护

MOS管具有开关频率高、噪声小、无触点火花等优点，作为电子开关被广泛应用于电机控制等工控场合.由于MOS场效应管在金属栅极与沟道之间有一层SiO2绝缘层，这使其本身具有很高的输入电阻［1］，但是其栅－源极间的电容非常小，所以导致MOS管极易受外界电磁场或静电感应而带电，少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U＝Q/C）将管子损坏.比如产品组装、调试时，因工具、仪器、工作台等设备接地不良，或操作人员自身带有静电都可能直接导致MOS管损坏.为保证工控产品的可靠性，在使用前发现MOS管的隐性缺陷，针对电机驱动板上的MOS管检测，设计了一套老化系统，该系统使用检测装置模拟实际负载对产品中的每一路MOS管进行承载能力测试，并采用RS485总线构成网络平台对批量产品在线监测，实现自动化的老化流程.

1 系统整体介绍

系统整体结构如图1所示.该系统由上位机和下位机构成.上位机是一台安装了监控软件的PC电脑，下位机则是智能检测装置，由该装置对产品进行直接老化，因此下位机与产品一同放置在老化房内［2］.智能检测装置的多路负载输出端与产品电机驱动板上的MOS管输入端一一对应相连，并通过RS232接口使用产品自身协议与产品进行通讯.当上位机发出老化命令后，智能检测装置发送指令控制产品导通一路MOS管，并对该路MOS管提供负载电流进行检测，若该路MOS管正常，则切换至下一路进行同理检测，以此方法进行连续的巡检，而上位机则通过总线实时读取当前的老化情况.若装置检测到有MOS管已处于损坏状态，则故障保护单元切断检测装置对产品的负载输出，蜂鸣器发出报警.管理人员可根据上位机读取到报警信息对故障进行及时排除.

图1 MOS管老化系统结构图Fig.1 The structure diagram of MOS Transistor aging system

2 硬件电路设计

系统硬件电路主要为智能检测装置进行设计，该装置以ARM微处理器为核心，通过通讯电路、人机电路、负载输出电路及故障保护电路等实现特定的功能，由于部分电路比较通用，此处只介绍关键电路的设计.

2.1 通讯电路设计

通讯电路提供了RS232和RS485两类接口.RS232与产品进行通讯，而RS485则以总线形式与上位机进行通讯.利用ARM的UART接口配合对应的收发器芯片可实现电平转换，使用芯片SP3232进行RS232电平的转换，而芯片SN65HVD3082则将ARM的TTL电平转换为RS485总线的差分电平.RS485电路如图2所示.由于下位机放置于老化房中环境较为恶劣，为保证在干扰环境下RS485总线仍能可靠地工作，此处使用B0505进行电源的隔离，而光耦则对传输信号进行隔离.

图2 RS485电路Fig.2 RS485circuit

2.2 负载输出电路设计

装置上的负载输出电路与产品中MOS管的输入电路如图3所示.装置的负载输出一恒流源，可通过调节电阻R51值来调节负载输出的大小以适应不同容量的MOS管.TBC05－SYA为霍尔传感器，对直流负载进行隔离测量，次级用采样电阻得到的比例电压输入至ARM的AD采样口.当产品MOS管导通后，装置上对应的继电器也导通，负载电流在MOS管上形成回路.当一路MOS管检测完成后，首先断开该路MOS管，对应这路的继电器是在下一路MOS管测试完成后才断开，以此作为故障保护电路起作用的先决条件.由于系统采用巡检方式，多路MOS管检测可共用一个霍尔传感器进行负载测量.

图3 负载输出电路Fig.3 Output load circuit

2.3 故障保护电路设计

故障保护电路由信号采样、放大、比较输出、继电器控制四部分组成.LM324的三个运放构成仪表放大器对采样得到的差分电压进行放大，剩下的一个运放作为迟滞比较器锁存输出信号.比如当一路MOS管导通时，采样电阻R29上产生的差分电压经过放大比较后，U1D输出低电平，Q1截止，工作正常；若当上一路MOS处于击穿状态，而当前这路MOS管又再导通时，R29上的差分电压成倍增加，U1D输出高电平，Q1导通，蜂鸣器报警，同时继电器K1切断总路电流，为避免切断总路电流后采样电阻上的信号消失而导致继电器又重新吸合，使用迟滞比较器锁存输出.当蜂鸣器报警时，维护人员首先应按下复位按键，排除干扰脉冲引起的误触发，若复位后蜂鸣器继续鸣叫，则表示上一路MOS管的确已损坏.

图4 故障保护电路Fig.4 Fault protection circuit

3 软件思想实现

3.1 RS485通讯协议描述

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言［3］.系统参考Modbus协议中的RTU帧结构进行通讯，帧格式如表1所示.协议规定总线上只能存在两种帧，分别为消息帧和应答帧，所有通信过程都由主机发起，从机只能被动应答［3］.主机通过设置消息帧的地址码选择将要进行通讯的从机，由于从机只能接收地址码为自己地址的消息帧，所以当主机发送完消息帧中的地址码后，每个从机都进行解码以判断该帧是否发往自己.而当从机返回应答帧时，把自己的地址放入应答帧的地址码中，以便主机知道是哪一个从机作出回应.帧格式中的部分功能码定义如表2所示.下载指令与上传信息的部分子功能的帧内容如表3和4所示.

表1 帧格式Tab.1 Frame format

表2 部分功能码定义Tab.2 The definition of partial function code

表3 下载指令Tab.3 Download instruction

表4 上传信息Tab.4 Upload information

在总线启动后，从机还未上电或者来不及应答的，主机将其标记为某从机异常，等待应答正常通信后撤消异常.正常工作过程中对于未成功应答的从机，主机随后连续重试三次，对三次都应答丢失的从机标记为与某从机连接断开.

3.2 下位机软件设计

下位机部分程序框图如下：

图5 下位机程序框图Fig.5 Program diagram of slave computer

4 结 语

基于总线型的板上MOS管老化系统能够快速、有效地筛选出已在生产流程中损坏的MOS管，保证工控产品的质量，消除由于产品上MOS管质量问题而导致的隐患.该系统已成功应用于电机驱动板上MOS管的老化，并可推广至类似的场合应用.

［1］陈菊华.避免MOS管在测试时受EOS损坏的方法［J］.电子与封装，2007，7（8）：17－20.

［2］张冰.一种电子产品老化测试系统的设计与实现［J］.工业控制计算机，2007，20（8）：13－14.

［3］陆霓.基于485总线的单主多从分布式局域网实时监控系统［J］.现代电子技术，2006（7）：107－109.

［4］杨公平，朱方金.基于485总线分布式监控系统的研究与实现［J］.微机发展，2003（7）：75－76.

Design of the Distributed Aging System of MOS Transistor on Circuit Boards Based on Bus Technology

YUAN Xiao，PAN Yu－liang，LING Zai－ying

（1.Institute of Remote Sensing and Earth Sciences，Hangzhou Normal University，Hangzhou 311121，China；
2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Urban Wetlands and Regional Change，Hangzhou 311121，China）

The MOS transistor is very likely to be damaged by the electrostatic breakdown or half breakdown in the production process because it is shallow junction device.In order to ensure the reliability of the products，a distributed aging system of MOS transistor on circuit boards based on bus technology is designed.The system simulates the actual load of the products to test the bearing capacity of the multiplex MOS transistors，and online monitors batch products through the network platform constituted by RS485bus to ensure the product quality effectively.This paper gave the software and hardware design of intelligent detection device and the description of communication protocol of RS485bus.The practical application of the system shows the system operates stably and has been extended in a certain range.

RS485bus；ARM；aging MOS transistor；fault protection

TP227

A

1674－232X（2012）02－0103－04

11.3969/j.issn.1674－232X.2012.02.002

2011－10－20

潘玉良（1960—），男，教授，主要从事机电集成研究.E－mail：ylpan001＠126.com