空調主板顯示數據實時監(jiān)測電路的設計

摘要 基于空調主板生產測試過程的具體分析，提出一套旨在解決主板生產測試自動化的方案。詳細介紹空調主板顯示數據的實時監(jiān)測與模擬遙控電路的設計，并描述了Philips增強型單片機對顯示驅動芯片（PT6961）同步串行通訊數據的監(jiān)測方法。
關鍵詞 單片機（MCU）；測試系統；實時監(jiān)測；同步串行通訊

概述

    近年來，隨著空調市場的不斷擴大，競爭也日趨激烈；從而對空調生產成本控制提出了更高的要求，空調生產過程中測試成本占據了生產成本相當大的比重。同時，生產測試的方便性、準確性和有效性都影響著產品質量，從而最終影響空調品牌的信譽。

    國內空調生產廠家對空調主板的測試大多數仍停留在手工檢測階段，為提高生產測試中的自動化程度，我們設計了空調主板自動測試系統；自行研制的主板測試數據的實時監(jiān)測電路是該自動測試系統的一個重要組成部分。該監(jiān)測電路是以Philips增強型單片機P89C51RD2為核心，實時監(jiān)視空調主板內的單片機與顯示驅動芯片之間的同步串行數據，確保對空調主板檢測的準確有效；同時根據工控機軟件定義的檢測流程，將計算機發(fā)出的控制信號傳送給空調主板的單片機系統，從而模擬空調遙控器的各種操作，實現生產測試系統的流程化和智能化。

監(jiān)測電路硬件的設計

    主板測試數據實時監(jiān)測電路功能要求主要包括三個方面：空調顯示數據的監(jiān)測、風葉步進電機控制脈沖的監(jiān)測和遙控器功能的模擬。對于前二類數據的監(jiān)測由于實時性要求高，工控機在多任務監(jiān)控軟件條件下無法勝任；而對于遙控器功能的模擬是為了提高測試系統的自動化程度，在計算機操作平臺上實現鼠標點擊來模擬空調遙控器的操作。本文主要描述該實時監(jiān)測電路中顯示數據監(jiān)測和遙控器模擬的實現。

監(jiān)測電路硬件基本組成

圖1. 空調主板測試數據實時監(jiān)測電路硬件結構

    結合監(jiān)測電路的特殊功能，為提高所設計測試系統的可靠性，單片機采用外部看門狗（Watchdog）復位芯片X5045，該芯片內含512字節(jié)的E2PROM可以用于存放系統的相關配置；同時將多余的I/O用于LED指示燈，方便單片機軟件調試并指示監(jiān)測電路的工作狀態(tài)，硬件電路基本組成如圖1所示。
 
監(jiān)測電路功能分析

    實時監(jiān)測電路所采集的顯示數據是空調主板上單片機與顯示驅動芯片PT6961之間的同步串行通訊數據。PT6961芯片（引腳如圖2所示）是臺灣普誠（PTC）公司生產的專用LED驅動芯片，支持10×3鍵盤掃描和由軟件配置的12位×6段或11位×7段顯示模式，與控制器的數據接口為同步串行方式：數據輸入引腳DIN、數據輸出引腳DOUT、時鐘引腳CLK和通訊使能引腳STB。[3]由于在空調主板應用中沒有鍵盤擴展的需要，PT6961與主板單片機之間通訊有三個I/O：DIN、CLK和STB。因此，監(jiān)測電路必須通過這三個數據接口，編寫單片機軟件準確實時地識別空調主板傳送給PT6961的顯示數據，考慮到主板采用單片機主程序循環(huán)方式刷新顯示驅動芯片，并且數據流格式固定，CLK頻率達65KHz。監(jiān)測電路中的單片機在采集DIN數據串時，由于數據速率較高且時鐘頻率不確定，因此將采集一串數據作為一次任務，且在該任務內不允許其它類型的中斷發(fā)生?；诜治雠c實驗結果，將DIN引腳與單片機普通I/O連接，而STB和CLK則與單片機的INT0和INT1外部中斷輸入引腳相連，用于采集任務的開啟和通訊數據位的監(jiān)測。

 

圖2. 顯示驅動芯片PT6961芯片引腳圖

    監(jiān)測電路的另一重要功能是模擬空調遙控器的信號來測試空調主板的各項功能，結合空調主板的特點：遙控信號是由廠方掩膜芯片生成的PWM信號，并調制在38KHz紅外載波；在主板由紅外接收器件解調后直接輸送給單片機I/O腳。在設計監(jiān)測電路時模擬遙控信號有二種方案，第一種方案是：由監(jiān)測電路的單片機模擬遙控器上各相關按鍵動作，仍由遙控器發(fā)送紅外指令；第二種方案是：直接由監(jiān)測電路的單片機I/O腳輸出PWM信號，該PWM信號與紅外接收器輸出的PWM信號呈并聯方式（邏輯與的關系）。第一方案對監(jiān)測電路的單片機軟件要求簡單，但硬件組成復雜，涉及到監(jiān)測電路與遙控器連接線的問題，當空調遙控器型號不同連接方式將隨之改變。第二方案硬件簡單，當生產空調主板改型時只需配置軟件協議即可，鑒于在實際測試過程中，遙控器與監(jiān)測電路同時輸出遙控信號的概率極??；而且即使出現該現象，對各相關硬件電路沒有任何影響，只是空調主板對該次PWM信號無法正確識別而已。因此，監(jiān)測電路采用后一方案。

    監(jiān)測電路與工控機之間的通訊任務包括：監(jiān)測電路傳送顯示數據給工控機，該數據是計算機判別所檢測的空調主板工作狀態(tài)的依據；工控機下達各測試流程遙控命令至監(jiān)測電路。
 
監(jiān)測電路單片機軟件與通訊協議

監(jiān)測電路對顯示數據的采集與處理

    空調主板單片機與顯示驅動芯片PT6961同步串行通訊數據格式（如圖3所示）包含：Command 2、Command 3、Data1至Data n、Command 1和Command 4。其中Command 2為數據配置命令用于描述本次串行通訊完成的任務：讀鍵盤數據或寫顯示數據模式；Command 3地址配置命令設定本次傳輸數據的開始地址（允許值為00H至0DH）；Command 1顯示模式設置命令，設置值與PT6961掃描顯示接法有關，一旦外圍電路確定該命令值不變；Command 4顯示控制命令用于關閉和開啟PT6961的顯示輸出、配置顯示輸出脈沖模式。在所監(jiān)測的空調主板中固定地傳送14字節(jié)的Data，而Command 2、Command 3和Command 1在每次通訊中，其值保持不變，從而為軟件識別采集數據是否有效提供了必要的保證。

 

圖3. 空調主板單片機與顯示驅動芯片同步串行通訊數據格式監(jiān)測電路

    MCU外部中斷INT0、INT1配置為下降沿觸發(fā)中斷工作方式，監(jiān)測電路在采集顯示數據時，由STB信號觸發(fā)單片機的INT1中斷，并由INT1中斷處理程序開啟INT0中斷。當CLK引起INT0中斷后，INT0中斷處理程序進行一次顯示數據采集，并對命令字節(jié)進行判斷，一旦出錯則放棄本次采集，否則采集完成固定長度18字節(jié)后關閉INT0和INT1中斷，每次INT0中斷采集1字節(jié)數據，軟件采集流程如圖4所示。主程序則將顯示數據經有效性處理后等待工控機的查詢，同時允許下一次采集。

 

圖4.采集同步串行顯示數據流程

監(jiān)測電路與工控機的串口通訊協議

    監(jiān)測電路與工控機之間采用標準RS232、半雙工通訊方式，數據速率由軟件配置：9600或19200Baud。每次數據通訊由工控機發(fā)起：查詢監(jiān)測數據或發(fā)送遙控命令，監(jiān)測電路根據功能碼做出相應的響應。

    監(jiān)測電路與工控機的通訊數據包括：查詢命令、顯示及其它監(jiān)測數據、遙控命令和監(jiān)測電路回送應答。顯示數據由8個字節(jié)的二進制數組成，具體每個二進制位表達含義由空調品種決定；串口通訊中將這些數據按高低4位分別編碼成相應的ASCII碼。而遙控器編碼規(guī)范采用特殊的編碼格式，包括：引導碼、幀間分隔符、數據“0”、數據“1”和一次發(fā)碼的終止符，這些碼字分別采用不同時間長度的脈沖來表達；而且具體的編碼序列隨空調品種的不同而存在差異。為了在串口上傳送遙控器命令序列，通訊編碼采用ASCII代碼，并為遙控碼分配特殊ASCII碼（如：引導碼為6CH，遙控信號幀間分隔符為7CH），具體通訊協議如表1描述。

表1. RS232通訊幀格式



    利用通訊協議的約定，實現遙控命令和其它數據的區(qū)別；并由工控機根據測試空調主板的品種自動生成遙控命令序列，擴大實時監(jiān)測電路的適用范圍，提高整個空調主板生產測試系統的靈活性。
 
結語

    由于空調主板中的單片機與PT6961的同步串行通訊數據速率較高，實時監(jiān)測電路的控制器采用P89C51RD2，晶振使用24.576MHz，并配置MCU工作在雙倍速（6分頻）模式下。空調主板顯示數據的刷新速率并不高，往往間隔達到0.6秒；并且顯示數據的內容變化不大，因此沒有必要在空調主板MCU每次刷新PT6961都進行采集。

    通過實驗與測試分析，經過單片機軟件處理后上傳工控機的顯示數據準確率達到99.5%以上，能夠很好地滿足空調主板生產自動測試系統的要求。采用實時監(jiān)測電路的測試系統具有高可靠性、高實用性、高擴展性等優(yōu)點，從而提高了空調主板生產測試的自動化水平。

參考文獻
[1]    葉林章主編，《微機與單片機原理及應用》，1995年8月第1版，上海：復旦大學出版社 
[2]    李行善 左毅 孫杰主編，《自動測試系統集成技術》，北京：電子工業(yè)出版社，2004年
[3]    Princeton Technology Corp. PT6961 V1.0; May. 2002
[4]    **廠空調遙控器功能說明書 2004版