基于STM32智能靜態(tài)阻值測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡建義，林琦，劉娜娜，孫鵬，孫衛(wèi)，梁瑩

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西西安，710061）

0 引言

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展日新月異，例如自動(dòng)控制技術(shù)具有可視化、自動(dòng)化、簡(jiǎn)易化的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，特別是近年來已逐步涉及軍品測(cè)量，自動(dòng)化靜態(tài)阻值測(cè)量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)萬用表測(cè)量相比，具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、使用便捷的優(yōu)點(diǎn)，適用于大批量產(chǎn)品測(cè)量。

針對(duì)某軍品靜態(tài)阻值測(cè)量效率低、操作難度大的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并制作了基于STM32智能靜態(tài)阻值測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效測(cè)量，通過更換轉(zhuǎn)接設(shè)備，測(cè)量?jī)x可靈活應(yīng)用于多型號(hào)產(chǎn)品電阻測(cè)量，具有測(cè)量精度高、功耗低、自動(dòng)存儲(chǔ)打印等功能，可顯著提高產(chǎn)品測(cè)量效率，具有一般性。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、LT1085IM電壓轉(zhuǎn)換器、量程選擇電路、信號(hào)選擇電路、AD轉(zhuǎn)換模塊等5部分組成。系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)置輪詢檔位選擇、精確阻值測(cè)量、結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)單路信號(hào)測(cè)量及智能化信號(hào)群一鍵測(cè)量功能，可通過轉(zhuǎn)接器實(shí)現(xiàn)不同類型產(chǎn)品的跨區(qū)域使用，該系統(tǒng)具有通用性。

圖1 原理框圖

2 電路模塊設(shè)計(jì)

■ 2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路采用LT1085IM可調(diào)穩(wěn)壓器，其功耗低、效率高，減小過載條件下穩(wěn)壓器和電源電路壓力，為STM32及其它集成電路提供3.3V電壓。系統(tǒng)中LT6658將精密基準(zhǔn)電壓源與線性穩(wěn)壓器的性能相結(jié)合，輸出可驅(qū)動(dòng)ADC和DAC的基準(zhǔn)輸入，為微控制器和其他電路供電，單路輸出可利用外部電阻進(jìn)行配置以提供所需電壓，電源電路原理如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖

■ 2.2 量程選擇電路模塊設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)測(cè)量電阻精度，系統(tǒng)設(shè)置0~200Ω、200Ω~2kΩ、2kΩ~200kΩ，200kΩ~2MΩ、2MΩ~20MΩ、大于20MΩ6個(gè)量程擋位，大于20MΩ則認(rèn)為阻值無窮大，量程選擇電路主要由雙路8:1模擬開關(guān)ADG707BRV和6個(gè)精密參考電阻組成，被測(cè)電阻Rx通過選擇開關(guān)與基準(zhǔn)電阻串聯(lián)，利用ADG707BRU內(nèi)置差分放大電路，分別取基準(zhǔn)電阻壓降Vref和被測(cè)電阻壓降Vx，根據(jù)串聯(lián)電路電流相等原理，可得關(guān)系式：

其中：Vx被測(cè)電阻壓降；Vref基準(zhǔn)電阻壓降；Ref基準(zhǔn)電阻阻值。

量程選擇開關(guān)ADG707BRV的三位二進(jìn)制地址線A0、A1、A2的地址及EN使控制端由CPU完成控制，可根據(jù)當(dāng)前測(cè)量的阻值自動(dòng)切換量程，電路原理如圖3所示。

圖3 量程選擇電路原理圖

S1A~S6A用于量程選擇，S1B~S6B用于參考電壓，Vref+的取樣，可確保參考電壓Vref+的取樣不受模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響，提高了測(cè)量精度，開關(guān)的選擇由CPU根據(jù)三八譯碼實(shí)現(xiàn)。

■2.3 信號(hào)選擇電路模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)選擇電路由2組雙通道16:1模擬開關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)正、負(fù)信號(hào)的選擇，電路中該器件作為解復(fù)用器，通過SA與SB組成32路輸入采樣通道，其中1路輸出采樣通道與單片機(jī)交聯(lián)，電路原理如圖4所示，該電路具有低導(dǎo)通電阻和泄露電流的特性，開關(guān)間匹配度高，且在系統(tǒng)信號(hào)范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻曲線平滑。

圖4 信號(hào)選擇電路原理圖

■ 2.4 AD轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換電路采用雙極性輸入的四通道低串?dāng)_多路復(fù)用器AD7682，實(shí)現(xiàn)參考電壓Vref與測(cè)量電壓Vx的采樣轉(zhuǎn)換。前端設(shè)計(jì)AD4897電路，靜態(tài)電流為3mA，噪聲2.4nV/Hz(10Hz)，

其單位增益穩(wěn)定、噪聲低、軌到軌輸出，適用于超聲、低噪聲前置放大器和高性能ADC驅(qū)動(dòng)器，具有出色的輸出增益和相位匹配功能， 滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，電路原理如圖5所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于STM32芯片HAL庫和MFC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)主要由擋位自動(dòng)選擇程序、電阻測(cè)量算法程序、交互界面程序等組成。擋位自動(dòng)選擇程序根據(jù)測(cè)定的電阻值大小自動(dòng)調(diào)整測(cè)量量程。通過232通訊協(xié)議，在電阻測(cè)量模塊與PC機(jī)建立聯(lián)系。電阻測(cè)量算法是系統(tǒng)的核心部分，測(cè)量Uref和Ux電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的電阻值。交互界面實(shí)現(xiàn)串口選擇、測(cè)量點(diǎn)選擇以及自動(dòng)測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

■ 3.1 測(cè)量擋位自動(dòng)選擇程序

系統(tǒng)具有6個(gè)電阻選擇擋位，在實(shí)際測(cè)量過程中，根據(jù)電壓值是否大于0.2V，判斷并進(jìn)行量程擋位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。量程選擇流程如圖7所示。

圖7 檔位選擇程序流程圖

系統(tǒng)擋位自動(dòng)選擇核心程序如下所示：

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量值選擇合適的量程，根據(jù)測(cè)量的基準(zhǔn)電阻壓降Vref和被測(cè)電阻壓降Vx，結(jié)合串聯(lián)電路工作原理，計(jì)算得到被測(cè)電阻Rx的值，并通過串口通訊協(xié)議輸出至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

■ 3.2 交互界面

交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，首先選擇對(duì)應(yīng)串口端號(hào)，打開串口建立連接，在測(cè)量功能端分為手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量，根據(jù)用戶需求手動(dòng)選擇需要測(cè)量的電阻，自動(dòng)測(cè)量則可實(shí)現(xiàn)一鍵式測(cè)量出全部待測(cè)電阻值，并將測(cè)量結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)至本地，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析，主界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)交互界面

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)阻值測(cè)量?jī)x的綜合性能，項(xiàng)目組成員利用該測(cè)量?jī)x與萬用表對(duì)某型產(chǎn)品及標(biāo)稱電阻進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證本測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性、智能化。測(cè)量?jī)x實(shí)物如圖9所示。

圖9 測(cè)量?jī)x實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)選擇普通勝利品牌萬用表、高端品牌FLUKE289萬用表以及本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x，對(duì)標(biāo)稱電阻進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比表

通過對(duì)標(biāo)稱電阻測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，本測(cè)量?jī)x的性能優(yōu)于普通萬用表，測(cè)量準(zhǔn)確性及精度與價(jià)格昂貴的FLUKE萬用表相近。為充分驗(yàn)證本測(cè)量?jī)x的綜合性能，項(xiàng)目組選擇某型產(chǎn)品對(duì)其在路阻值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某型產(chǎn)品實(shí)際測(cè)量所得數(shù)據(jù)

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，本測(cè)量?jī)x對(duì)在路電阻阻值的測(cè)量精度與高精度FLUKE測(cè)量精度相近，量程大于20MΩ的測(cè)量值符合要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本測(cè)量?jī)x對(duì)在路電阻阻值的測(cè)量精度較高，滿足需求。

5 結(jié)論

本文采用STM32完成智能靜態(tài)阻值測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證本測(cè)量?jī)x測(cè)量精度高、功耗低，人機(jī)交互友好。測(cè)量?jī)x通過轉(zhuǎn)接器，可適配于不同型號(hào)產(chǎn)品的在線靜態(tài)阻值與標(biāo)稱阻值的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量由人工向自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，可顯著提高工業(yè)大批量電阻阻值測(cè)量的效率和精度，推廣意義顯著。