提高电子元器件可靠性的电子元器件检测设计

贺养芬，张艳

（陕西恒太电子科技有限公司，陕西西安，710100）

0 引言

随着电子产品的不断发展和应用领域的不断拓展，电子工业对电子元器件的可靠性要求越来越高[1]。无论是在航空航天、医疗设备、汽车工业还是消费电子领域，电子元器件的可靠性都对产品的安全性、性能和寿命产生了深远的影响[2]。在过去的几十年中，电子元器件的制造工艺得到了巨大的改进，与此同时，电子元器件的集成度也在不断提高，使得元器件内部的复杂性也随之增加，导致其潜在的故障点也越来越多[3]。因此需要更加精密和全面的检测方法来确保电子元器件的可靠性。本文介绍的电子元器件检测系统旨在应对这一挑战，系统结合先进的硬件和软件技术，利用多种传感器来监测元器件的各种参数，从而能够全面、实时地评估元器件的性能。此系统的设计和实验结果将有望为电子工业提供一种有效的手段，帮助制造商和工程师更好地提高电子元器件的可靠性，以满足不断增长的市场需求。

1 电子元器件检测系统框架设计

电子元器件检测系统采用了一种分层的系统架构，由多个关键组件组成，彼此协同工作，以确保测试的全面性和可靠性，电子元器件检测系统框架如图1 所示。

图1 电子元器件检测系统框架图

传感器单元负责实时采集电子元器件的各种参数，系统选用多种高精度传感器，包括温度传感器、电压和电流传感器、振动传感器等，以涵盖电子元器件的多个关键性能指标。各种传感器通过RS485 总线与控制单元连接，控制单元主要负责协调传感器单元的工作，接收传感器采集到的数据并进行整合处理。同时控制单元与数据库和用户界面进行通信，确保数据的存储和实时监控。数据库用于存储历史数据和测试结果，考虑数据的安全性和可扩展性，数据库基于MySQL 语言开发，以应对大规模数据的存储需求。用户界面提供了一个直观友好的图形界面，使操作员能够通过不同的外界设备实时监控电子元器件状态、查看检测结果和配置测试参数。

2 硬件设计

参与本文所设计的电子元器件检测系统的硬件部分主要包括各类传感器，RS485 传输线，控制单元以及网络设备，其中传感器主要包括LM35 的温度传感器，其精度为±0.5℃，检测工作范围为-55℃～150℃。电压和电流传感器采用了型号为INA219 的电流传感器，其精度可达±0.1%。此传感器可以同时测量电压和电流，用于监测电子元器件的电源特性，其电压的测量范围为±26V，电流测量范围为0～3.2A。振动传感器采用型号为ADXL345的三轴加速度传感器，测量范围为±16g，频率响应范围0.1Hz～3.2kHz，可用于检测电子元器件在振动环境下的性能。控制单元选用型号为Advantech UNO-2484G 的嵌入式工控计算机，其搭配Intel Core i7-8700T，6 核心，12线程，2.4GHz 主频处理器，16 内存GB，Windows7 操作系统以及多个USB 端口、以太网接口和RS-232 串口，以支持数据采集和与其他设备的通信。

3 软件设计

■3.1 检测数据采集及整合

在电子元器件检测系统中，数据采集是关键步骤之一，需要精确地收集各种传感器测量到的数据以供后续的分析和处理[4]。在该过程中，根据电子元器件的类型和测试需求，需要将各种传感器部署到需要监测的位置。举例来说，在测试一个电子电路板时，将温度传感器附加到电路板的不同部位，以确保在运行过程中温度分布的准确监测；同时，电压和电流传感器会连接到电源输入和输出端口，以监测电路板的电能变化；而振动传感器则会被附加在电路板上，以便检测振动情况，这有助于评估其在实际环境中的稳定性和耐久性。连接完成后，将传感器与控制单元通过RS485 连接起来。在控制单元上，运行特定的数据采集软件应用程序，这些应用程序专门设计用于对电子元器件进行检测数据采集。采集到的数据将会通过控制单元进行初步整合处理。在本次设计的检测系统中，主要关注的是温度、电压、电流以及振动参数。控制单元将采集到的数据进行初步处理和整合，为后续的数据分析和处理提供准备。在这个系统中，为了实现更加精准地检测，系统采用了将整合算法嵌入到控制单元的方式。这意味着采集到的数据将会受到算法的计算和整合，从而得到更为准确和可靠的结果。这种整合算法可以根据实际情况对不同传感器采集到的数据进行加权、修正或组合，以提高检测的准确性和可信度。考虑到数据类型的多样性，数据计算整合的计算公式如式(1)所示：

式中，a表示数据类型平均值，ix表示第i 个数据，n表示数据总数。控制单元会将采集到的数据基于MQTT 协议格式进行打包处理，并通过WLAN 传输到数据库。

■3.2 数据库搭建

电子元器件检测系统中的数据库用于存储和管理采集到的电子元器件参数数据以及相关信息的关键组成部分，本文基于MySQL 搭建电子元器件检测信息的储存数据库，根据电子元器件的参数类型为每种参数搭建一个单独的数据表，以数据类型的名称为每个数据表定义字段，每个数据表的字段类型和长度会根据特定参数数据的类型进行定义，以确保数据的存储和检索的准确性和效率。时间戳使用DATETIME 类型，而数值字段则会根据实际情况选择合适的数据类型，如FLOAT 或DECIMAL，并根据具体需求设置长度和精度，数据库数据记录表如表1 所示。

表1 数据库数据记录表

读写效率的提高可大幅度提升系统的应用性能，将电子元器件的名称作为索引主键，以区别不同表的结构和字段属性，同时在各类表中的主键上建立聚集索引，以此实现可搜索多项状态数据的效果，提高数据读写的效率。

■3.3 检测结果可视化

检测结果可视化通过搭建数据查询Web 端完成，这种方法基于前后端分离的方式，将数据库中的数据通过统一的数据接口向外传输，以此为外界设备在数据接收上提供便利，同时确保数据的安全性和可靠性[5]。本文对检测结果可视化的设计主要包括RESTful 设计、JWT 身份认证、HTTPS 加密以及使用Spring Boot 和Spring Cloud 框架的扩充。首先根据电子元器件检测系统的数据将各种资源（如电子元器件参数、测试数据、用户信息等）定义为RESTful资源，每个资源对应一个唯一的URL。使用HTTP 方法（GET、POST、PUT、DELETE 等）来操作这些资源，实现CRUD（创建、读取、更新、删除）操作。例如使用GET 方法来获取电子元器件参数数据，使用POST 方法来创建新的测试数据记录。按照HTTP 标准使用对应的状态码来表示每个请求的结果，包括200 表示成功、201 表示创建成功、404 表示资源未找到、500 表示服务器错误。

JWT 身份认证用于身份认证和授权的开放标准，将用户信息以JSON 格式进行编码，并使用数字签名保证数据完整性。在系统中，用户登录后，服务器会颁发一个JWT令牌，客户端将在每次请求中发送该令牌，服务器使用密钥验证令牌的有效性。之后采用集成Spring Security 框架，使其与JWT 配合使用，实现用户认证和授权功能。HTTPS使用SSL/TLS 协议对数据进行加密，防止数据被窃听或篡改，同时为Web 服务器配置SSL 证书，确保通信双方的身份验证和数据加密。Spring Boot 和Spring Cloud 提供了丰富的数据访问和数据库集成功能，可以轻松连接MySQL数据库，实现数据的访问和管理，为此本文采用以上技术实现数据库与外界设备连接的搭建，数据查询流程图如图2所示。

图2 数据查询原理图

在进行数据查询时，用户可以通过Web 端的实时数据监测界面轻松查看到电子元器件的各种实时数据，如温度、电流、电压和振动等。这种及时的数据反映了设备当前的运行状态，为用户提供了即时的监测和分析能力。同时，用户还可以选择是否查询同一电子元器件的历史数据记录，这使得用户能够深入了解电子元器件的运行历史，从而更好地评估其性能和长期趋势。历史数据记录是非常有价值的，其可以提供关于电子元器件在不同时间段内性能变化的重要信息。通过选择特定的日期范围，用户可以分析过去的数据，识别是否存在异常或周期性变化。这种分析有助于用户提前发现潜在问题，并采取适当的措施，以确保电子元器件的稳定运行。同时实时监测和历史数据查询的结合，为用户提供了有效管理电子元器件的手段，不仅可以提高设备的运行可靠性，降低维护成本，还可以最大程度地延长设备的寿命。通过及时发现问题并采取预防性维护措施，用户可以有效地减少设备停机时间，并确保生产或服务的连续性。因此，这种综合的数据查询和监测系统对于各种行业的用户都具有重要的意义。

4 测试实验

■4.1 实验准备

为验证系统的性能进行了一系列测试实验，实验中选择了3 个不同类型的电子元器件，在相同的测试时间下进行检测数据采集，包括温度、电流电压波动和机械振动的参数，其中温度合格范围为55℃～75℃，电压合格范围为3.2V～5.0V，电流合格范围为0.1A～0.3A，振动频率合格范围为900Hz～1300Hz。

■4.2 实验结果

经过测试后，对3 个电子元器件进行检测实验后得到的实验结果如表2 所示。

表2 实验数据结果表

由表中的数据可知，3 个电子元器件中，1 号和3 号元器件的测试数据都处于合格范围内，2 号元器件的振动频率低于合格范围，平均为800Hz，系统提示出该元器件检测结果为不合格状态，由此可见本文设计的检测系统可以实时检测出电子元器件的各项数据参数，给出对应的检测结果，通过结果可使相关人员了解每个电子元器件的性能和是否符合规格要求，提高电子元器件的可靠性。

5 结束语

本文介绍了一种用于提高电子元器件可靠性的电子元器件检测系统的设计方法，详细介绍了该系统的硬件设计和软件设计内容，通过测试实验的结果证明该系统可以有效地检测出元器件的故障问题，从而提高产品质量和可靠性。这种系统的应用将对各个领域的电子设备制造产生积极影响，确保产品在各种条件下都能稳定运行。未来可以进一步研究和改进这一系统，以满足不断增长的电子元器件可靠性要求。