基于CompactRIO的高速转塔式测试分选控制系统设计

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(1.江苏信息职业技术学院, 江苏 无锡 214000;2.兰州理工大学, 兰州 730000)

0 引言

高速转塔式测试分选机是现代电子制造测试环节中的关键设备，其速度快，分选效率高,而控制系统作为转塔式测试分选机的核心部分，决定着分选机的效率。国内高速转塔式分选设备的研发尚处在初级阶段，与国际先进水平相比，在生产效率和可靠性上存在很大差距，目前国内公司基本都是采用PLC控制器或工控机为测试分选机控制核心. 但是由于PLC采用循环扫描的方式执行用户程序[1]，每个周期分为3个阶段，即输入、执行、输出。当PLC的输入信号发生变化时，PLC输出端需要一段时间来对这个输入变化做出反应，而且对于PLC而言扫描周期越长，响应速度越慢，而扫描周期的长短取决于程序的长短。由于每一次扫描周期只进行一次I/O刷新，所以系统存在输人、输出滞后现象，降低了系统的响应速度。

工控机主要是以Windows操作系统为主，而Windows操作系统是非抢占式多任务的操作系统,是一种基于消息驱动的多任务操作系统，也就是说系统某一事件的发生是靠发送消息来实现的，当 CPU 被某一事件独占时，另一消息便被系统安排在消息队列而不能及时的响应，这样不能满足控制软件的实时性能要求。

针对此问题，设计了以CompactRIO控制器作为高速转塔式测试分选机控制核心的控制系统，其可以按照抢先式和时间片循环式对执行任务进行排序，提高了响应速度[2]。该控制系统以表示层，逻辑层，操作层三层为软件架构，由于CompactRIO系统包含实时控制器，可重配置FPGA、模块化I/O等，所以采用此种控制结构的分选机并行执行效率高，实时性强，运行速度快。

1 控制对象整体设计

1.1 测试分选机功能需求

转塔式测试分选机是一个结构复杂且工序很多的全自动化机械设备，其功能需求也是多方面的，除满足测试的基本要求外，在设备调试和维护上，也需满足一些功能需求，主要包括生产急停、暂停、自动停机报警、清空转盘、手动单步运行、输入输出单点调试、伺服电机调试、生产状态的设置和记录、数据保存、生产结批和外接仪器的测试等功能。

1.2 测试分选机技术要求

测试分选机控制系统的目标是要能快速高效的测试生产，要求控制系统功能完整即具备所有功能，系统稳定即长时间运行不出现错误，以及响应速度快，系统故障排除后快速恢复，系统保护如避免撞机等严重事故等。

1.3 测试分选机性能指标

转塔式测试分选机适用于各种小型的集成电路及分立器件等芯片的测试，分选机的每小时生产产量(UPH值)要求达到40 K/小时(当测试时间为40 ms时)；在稳定性方面，要求平均维护间隔时间>120分钟, 平均故障间隔时间>30 min ；在可靠性上，丢片率<0.01%，撞伤率<0.01%，光学误判率<0.01%，弯脚率<0.01%；在位置准确性上，主转盘采用DDR直驱电机驱动，芯片的重复定位精度±0.01 mm，激光打标定位精度±0.05 mm；在不良品分档上，分档误差<0.01%；在测试上，测试站接触不良率<0.05%。

1.4 控制对象工程流程

对于转塔式测试分选机而言，一颗芯片检测需经过上料工位，方向判别工位，转向工位，电性能测试工位，定位工位，副转盘上打标工位和字符Mark检测工位，再回到主转盘上转向工位，3D外观检测工位，废料回收工位，编带工位(良品回收工位)，强制排除工位等。分选机工作流程如图1所示，芯片在不同工位之间的换位移动是通过主电机转盘上的吸笔吸住一起转动。主转盘上用来吸住芯片转动的吸笔和主转盘工位是一一对应，吸笔上连接着气动装置，在需转动时，主转盘上通过真空吸笔吸住芯片一起转动。主电机每转动一个工位，各个工位上的装置都会对工位上对应吸笔所吸住的芯片进行相应的操作，如转向、视觉检测、电性能测试等等。当某个工位所对应的吸笔上没有芯片时，该工位将不工作。整台分选机按此工作流程循环运行下去直至设备停机。

图1 转塔式测试分选机主转盘工作流程

1.5 控制框图布局

转塔式测试分选控制系统采用模块化的设计方法，以主转盘为中心，周围工位分布由上料工位，定位工位，转向工位，电性能测试工位，副转盘，副转盘上打标工位和Mark检测工位，转向工位，编带工位(良品回收工位)， 3D外观检测工位，废料回收工位，强制排除工位等组成，控制框图如图2所示。

图2 转塔式测试分选机控制框图

由图2可知转塔式测试分选机上主转盘周边各个模块都是独立工作的，主转盘每转动完成一个工位分度，编带(良品回收)，定位，转向，3D外观，废料回收，强制排除工位运行，副转盘转动一格，打标工位和Mark检测工位等并行同步运行，且每当主转盘转过4个工位时，4个电性能测试工位同步运行。

2 硬件架构设计

基于转塔式测试分选机的运行特点和要求，采用CompactRIO控制器能非常好的满足分选机的快速、稳定、并行的控制要求。图3是采用CompactRIO控制器的转塔式测试分选机的硬件架构。CompactRIO控制器中由实时控制器RT，FPGA，可热插拔的I/O口等组成，通过I/O口控制气缸、打标模块、视觉模块(Mark检测模块，3D外观检测模块)、电性能测试模块等或读取以上模块及其它传感器返回的状态信息。由于所需控制的电机数量较多，如都采用传统的脉冲+方向等的直连方式，会大大增加电气硬件的繁杂性。CompactRIO控制器提供了EtherCAT、CAN、Profibus等总线接口， 通过总线方式把上位机、CompactRIO控制器和各个电机驱动器相连，CompactRIO控制器通过各个电机驱动器分别控制下压伺服电机，主转盘直驱电机，副转盘直驱电机，转向电机，编带电机等的运动，并通过监控端反馈设备运行的状态。

图3 转塔式测试分选机硬件架构

3 软件架构设计

3.1 软件架构意义

软件系统的开发首先要进行软件架构的设计，特别是大中型软件的设计，其复杂性大，开发强度大，软件的完成往往需要多人合作才能完成，在软件工程开始之前需对软件的整体架构进行设计使得软件简单明了，在编写程序时可以根据软件架构把软件分成小的子模块，这样可以避免重复撰写程序，缩短软件开发的时间和减少软件出错的几率，提高程序的效率，对以后的软件维护或者升级都起着很大的作用。除此之外，在好的软件架构上开发出来的软件，其系统具有非常好的系统结构，这样软件本身就具有很强的可扩展性和灵活性。

3.2 软件架构设计

传统B/S结构存在一些缺点，如安全性差、数据动态交互能力不强、动态页面支持不够、响应速度低等问题，不符合转塔式分选机高速运行要求。C/S模式的响应速度非常快，而且操作界面漂亮、形式各种各样，适合分选机的要求。但是分选机控制平台不能完全套用C/S的三层软件架构模式，主要原因在于C/S模式主要是纯互联网开发，而分选机软件系统与之的区别在于数据库的应用和硬件底层操作两个方面，首先分选机控制平台有生产数据库和设备运行数据库等的操作，但没有大量且实时的数据交互，其次分选机控制架构底层还包含对硬件的操作函数，比如对电机和I/O口进行控制的操作函数，所以传统的开发模式不适合分选机系统架构要求，需对其进行改进。

3.3 改进后的三层架构应用

改进后的转塔式测试分选机三层软件架构如图4所示，架构大体不变，包含表示层、逻辑层、操作层[3-6]，增加了底层硬件类操作，这种递进结构简单明了，相对其它架构而言优势很大，基于此架构的软件编写都是由每个子程序组成，有其明确的应用范围，每个程序都可以重复调用。

表示层中包含转塔式分选机人机主界面及各个功能模块的界面，以及执行一套完整的转塔式测试分选运行流程的控制程序。表示层用于给设备发送控制指令及监控设备运行情况，还可以调用设备中各个硬件的功能界面，在界面中调试分选机的硬件。

逻辑层由控制模块和工位功能模块组成，控制模块包含了外部硬件所有的参数，通过控制模块就可以对硬件参数进行设置，工位功能模块是把测试机每一个工位的功能都封装成一个功能块，使得系统简洁，有利于维护和二次开发。逻辑层中的控制模块由一系列可以单独执行的子程序组成。子程序就是把各个操作层的基本动作连接起来，使之可以完成一套连续且有意义的流程，来执行某项工作。比如在测试分选机中，让主电机转一个工位，升降电机下压这一套动作为例，打开主电机和升降电机使能，使能打开完毕，主电机转动一个工位，转动到位，升降电机下压，下压到位后等待等，这就是逻辑层中的一段运行子程序。

操作层联系逻辑层与外部仪器、电机、I/O模组或其它应用软件。操作层由硬件控制程序模块和数据库程序模块组成，硬件控制程序模块包含了控制硬件的各个基本控制子程序，由一些基本的I/O动作和电机动作组成，用以完成某一个基本动作。以电机为例，比如电机的初始化、电机回原点等。操作层里的硬件控制程序是比较底层的。在分选机控制系统中，把电机回原点、电机走位、电机使能等基本动作定义为操作层里的基本函数。数据库模块包含生产数据库和设备运行数据库，以及芯片运行过程中的状态属性存储。

当采用上述改进的三层软件架构后，在编写某一个层中的程序时，就不需关心在另一个层中的程序是如何执行的，而只要专注自己所编写的这一层程序就可以了，这样就方便由多人团队来共同完成转塔式测试分选机控制软件的编制。

图4 转塔式测试分选机软件架构图

3.4 控制系统芯片状态数据流设计

转塔式测试分选机芯片检测的最终Pass/Fail结果由相关检测工位检测数据决定。系统运行时芯片状态数据流主要有以下状态属性。

1)上料状态属性。上料属性包含0和1两种标识位，当检测到有芯片时标识位为1，没有时标识位为0。

2)电性能测试状态属性。电性能测试属性根据测试系统返回的分Bin信号来设置标识位，分Bin信号是0,1，…，n，分Bin位数n根据测试系统来定。所有电性能测试项都通过时，Bin信号标识位设定为0；第一项测试不通过时，Bin信号标识位标志为1，其余以此类推，未测试时标识位设为n+1。

3) Mark检测状态属性。Mark检测属性包含0，1，2三种标识位，图像mark正确时标识位为0，图像mark错误时标识位为1，未检测时标识位为2。

4)3D外观检测状态属性。3D外观检测属性包含0，1，2三种标识位。芯片在3D外观检测后有3种情况，芯片引脚检测通过标识位为0，检测不通过时标识位为1，未检测时标识位为2。

在分选机控制系统中，芯片上述状态属性数据采用数组的方式存储，芯片从振动上料开始将其属性状态标识位存储在对应的数组中。芯片所具备的上述状态属性跟芯片绑定在一起，跟随芯片同步流转，并根据某一工位的检测结果而改写变化。最后在废料回收工位上，根据不同的检测Fail项把芯片分类进行回收，只有所有检测项都Pass，即各项检测结果标识位都为0时，芯片才算合格，才能对其进行编带。

4 分析与讨论

1)Windows、Mac OS等操作系统是开发和运行非实时测量和控制应用程序的平台，但对于要求精确定时和长时间稳定运行的系统而言，通用操作系统不是理想的平台。转塔式测试分选设备为了获得更高的生产速度，对每步运行时间都有精确的时间限制，同时在芯片测试生产中，测试分选设备一般都是长时间连续运行不停机，因此对部分关键部件的控制需要运行于实时操作系统中，确保控制系统运行的可靠性以及系统的快速准确地响应。

2)CompactRIO由实时处理器，FPGA和可热插拔I/O 模块组成， FPGA控制的I/O口的输入和输出的反应时间都是纳秒级，响应非常快，同时并行处理能力强，通过硬件资源实现真正的并行任务和流水线处理，程序运行是基于硬件并行处理的,保证了实时性[7-8]，提高了测试效率，而且CompactRIO控制器在实时系统上循环速率快，使得测试分选机的工作效率大大提高。由于转塔式测试分选机对多工位并行处理能力和响应速率要求很高，所以采用CompactRIO控制器的分选机不仅能满足控制要求，同时也使得分选效率能尽可能达到最大化，充分发挥了CompactRIO的可重配置嵌入式控制器的优势。此外采用LabVIEW语言及其FPGA工具包、Real-Time工具包可以同时开发CompactRIO控制器及上位机的软件，做到无缝衔接，其采用的数据流编程方式，直观简便，其强大的功能函数能大大缩短控制软件的开发周期，同时也为人机界面的开发，设备运行状况的联网监控，以及生产数据的处理提供便捷化、多样化的开发手段。

3)三层框架架构简单明了，从而使得分工明确，只需在三层软件架构中编写其中的一层就可以，这样就降低层与层之间的依赖，有利于各层逻辑的复用，结构也会更加明确。对后期软件维护而言，也会大大地降低测试分选机维护成本和时间。同时这种框架分层的设计模式可以很好的解决控制软件功能扩展的要求。如分选机在更改工位的情况下，只需替换逻辑层中相应工位的功能模块，其余均无需改变。这种分层方式可以极大的减少更改硬件、更换工位对控制系统的影响，使控制系统具有更好的兼容性。

5 结语

阐述了以CompactRIO控制器为控制核心的高速转塔式测试分选机的控制系统设计，采用主电机转盘为中心，各个功能模块在主电机周围协调工作的硬件架构，讨论了以表示层，逻辑层，操作层为核心的三层软件架构和各个层之间的基本功能，以及芯片状态数据流的处理。所设计的控制系统充分结合了CompactRIO控制器的优点和转塔式测试分选机的运行特点，可以较大地提高分选机的生产效率和运行速度。

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