基于STM32智能靜態(tài)阻值測量儀的設計與實現(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有限公司，陜西西安，710061）

0 引言

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)自動化技術發(fā)展日新月異，例如自動控制技術具有可視化、自動化、簡易化的優(yōu)點，已廣泛應用于各領域，特別是近年來已逐步涉及軍品測量，自動化靜態(tài)阻值測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)萬用表測量相比，具有測量精度高、操作簡單、使用便捷的優(yōu)點，適用于大批量產(chǎn)品測量。

針對某軍品靜態(tài)阻值測量效率低、操作難度大的現(xiàn)狀，本文設計并制作了基于STM32智能靜態(tài)阻值測量儀，實現(xiàn)產(chǎn)品高效測量，通過更換轉接設備，測量儀可靈活應用于多型號產(chǎn)品電阻測量，具有測量精度高、功耗低、自動存儲打印等功能，可顯著提高產(chǎn)品測量效率，具有一般性。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)由STM32單片機、LT1085IM電壓轉換器、量程選擇電路、信號選擇電路、AD轉換模塊等5部分組成。系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)設置輪詢檔位選擇、精確阻值測量、結果顯示，實現(xiàn)單路信號測量及智能化信號群一鍵測量功能，可通過轉接器實現(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 電路模塊設計

■ 2.1 電源電路設計

電源電路采用LT1085IM可調穩(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將精密基準電壓源與線性穩(wěn)壓器的性能相結合，輸出可驅動ADC和DAC的基準輸入，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計

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

其中：Vx被測電阻壓降；Vref基準電阻壓降；Ref基準電阻阻值。

量程選擇開關ADG707BRV的三位二進制地址線A0、A1、A2的地址及EN使控制端由CPU完成控制，可根據(jù)當前測量的阻值自動切換量程，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導通電阻的影響，提高了測量精度，開關的選擇由CPU根據(jù)三八譯碼實現(xiàn)。

■2.3 信號選擇電路模塊設計

信號選擇電路由2組雙通道16:1模擬開關組成，實現(xiàn)測量點正、負信號的選擇，電路中該器件作為解復用器，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交聯(lián)，電路原理如圖4所示，該電路具有低導通電阻和泄露電流的特性，開關間匹配度高，且在系統(tǒng)信號范圍內(nèi)，導通電阻曲線平滑。

圖4 信號選擇電路原理圖

■ 2.4 AD轉換電路模塊設計

AD轉換電路采用雙極性輸入的四通道低串擾多路復用器AD7682，實現(xiàn)參考電壓Vref與測量電壓Vx的采樣轉換。前端設計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驅動器，具有出色的輸出增益和相位匹配功能， 滿足系統(tǒng)設計需求，電路原理如圖5所示。

圖5 AD轉換電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

基于STM32芯片HAL庫和MFC實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設計，軟件設計主要由擋位自動選擇程序、電阻測量算法程序、交互界面程序等組成。擋位自動選擇程序根據(jù)測定的電阻值大小自動調整測量量程。通過232通訊協(xié)議，在電阻測量模塊與PC機建立聯(lián)系。電阻測量算法是系統(tǒng)的核心部分，測量Uref和Ux電壓數(shù)據(jù)，計算測量點的電阻值。交互界面實現(xiàn)串口選擇、測量點選擇以及自動測量，實時顯示測量結果。軟件設計流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設計流程圖

■ 3.1 測量擋位自動選擇程序

系統(tǒng)具有6個電阻選擇擋位，在實際測量過程中，根據(jù)電壓值是否大于0.2V，判斷并進行量程擋位的自動調節(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)擋位自動選擇核心程序如下所示：

系統(tǒng)根據(jù)實時測量值選擇合適的量程，根據(jù)測量的基準電阻壓降Vref和被測電阻壓降Vx，結合串聯(lián)電路工作原理，計算得到被測電阻Rx的值，并通過串口通訊協(xié)議輸出至上位機實時顯示。

■ 3.2 交互界面

交互界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，首先選擇對應串口端號，打開串口建立連接，在測量功能端分為手動測量和自動測量，根據(jù)用戶需求手動選擇需要測量的電阻，自動測量則可實現(xiàn)一鍵式測量出全部待測電阻值，并將測量結果自動存儲至本地，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析，主界面如圖8所示。

圖8 上位機交互界面

4 試驗驗證

為驗證本系統(tǒng)所設計的自動阻值測量儀的綜合性能，項目組成員利用該測量儀與萬用表對某型產(chǎn)品及標稱電阻進行對比測量，通過實測數(shù)據(jù)對比，驗證本測量儀的準確性、智能化。測量儀實物如圖9所示。

圖9 測量儀實物圖

實驗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)所設計的測量儀，對標稱電阻進行測量，并將測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)對比表

通過對標稱電阻測量數(shù)據(jù)進行對比分析，本測量儀的性能優(yōu)于普通萬用表，測量準確性及精度與價格昂貴的FLUKE萬用表相近。為充分驗證本測量儀的綜合性能，項目組選擇某型產(chǎn)品對其在路阻值進行實際測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某型產(chǎn)品實際測量所得數(shù)據(jù)

通過實測數(shù)據(jù)分析，本測量儀對在路電阻阻值的測量精度與高精度FLUKE測量精度相近，量程大于20MΩ的測量值符合要求，實驗結果表明本測量儀對在路電阻阻值的測量精度較高，滿足需求。

5 結論

本文采用STM32完成智能靜態(tài)阻值測量儀的設計，通過試驗驗證本測量儀測量精度高、功耗低，人機交互友好。測量儀通過轉接器，可適配于不同型號產(chǎn)品的在線靜態(tài)阻值與標稱阻值的測量，實現(xiàn)電阻測量由人工向自動化的轉變，可顯著提高工業(yè)大批量電阻阻值測量的效率和精度，推廣意義顯著。