基于ＬＰＣ２１０６的直流電阻測試儀設計

摘要：變壓器制造行業及用電企業經常需要高精度，準確測量電力變壓器直流電阻的儀器。文章介紹了一種基于32位微控制器LPC2106測量變壓器直流電阻的測試方法。該系統中設計了豐富的外圍接口，采用了基于μC/OS-II操作系統的應用程序對采樣數據進行處理，系統的硬件電路由核心處理器、恒流源模塊、模數轉換模塊等組成。

關鍵詞：LPC2106；μC/OS–II；電阻

中圖分類號：TP202文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2315-02

Designing the Direct Current Resistance Tester with the LPC2106

DU Ting-long， PAN Jin， LI Guo-peng， LI Bo

(Lab of Network Security and Countermeasure， Xi'an Communication， Xi'an 710106， China)

Abstract: This paper puts forward how to design a direct current resistance tester of the transformer and this tester is based on a 32 bit MCU named LPC2106. The author employs a operation system named μC/OS–II to deal with the sampling data and external exports drivers. Design and realization of the hardware circuitry and the software processing flow chart are also accomplished in this paper. The broad application in modern transformer manufacturing illustrates its accurate and distinguishable performance.

Key words: LPC2106; μC/OS–II; resistance

1 引言

變壓器繞組的直流電阻測試是變壓器在交接、大修和改變分接開關后的一個重要項目。本系統設計的變壓器直流電阻測試儀可適用于發供電單位、變壓器制造行業及大中型用電企業等單位，能真實地判斷電力變壓器的空載電流，空載損耗，阻抗電壓和負載損耗，能夠準確的測量電力變壓器直流電阻，溫升，實施狀態診斷以及檢查設備的導電回路有無接觸不良、焊接不良、線圈故障以及接線錯誤等缺陷。

該測試儀采用了32位的單片機作為處理器，使用獨特科學的算法進行數據的運算和處理，模數轉換模塊采用了高精度快速A/D轉換器，操作簡單，攜帶方便，電流大，測試速度快，精度高，復測性好，抗干擾能力強，自動完成穩流判斷、數據采集處理和阻值顯示，能夠快速準確完成變壓器直流電阻的測量，使測量時間大大縮短。

2 直阻測試儀的硬件組成

2.1 系統工作原理

本系統主要的控制處理核心為32位微控制器LPC2106。前端模擬信號處理部分由恒流源電路，測試電阻、A/D轉換模塊、程控放大電路和放電模塊組成。本系統外圍接口電路由按鍵輸入、LCD顯示以及微型打印機接口等組成。其硬件電路結構如圖1所示。程控放大電路首先將參考電阻和測試電阻端的電壓值進行程控放大，然后經過A/D模塊轉換成數字信號，最后由LPC2106利用內部的軟件數據處理算法得到實際的電阻值，并在LCD上顯示。測試電阻的量程可以通過按鍵進行切換。本系統設計了4個測量量程，當恒流源電流值分別為0.1A、1A、10A、20A時，電阻測量范圍為：0~200Ω，其分辨率達到0.01μΩ。

2.2 系統的硬件結構

LPC2106是PHILPS公司推出的一款高性能32位微處理器。它基于一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內核，帶有128KB的高速Flash存儲器并具用ISP和IAP功能，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，采用3級流水線技術，CPU最高頻率可達60MHz。LPC2106的集成度高，具用豐富的片內資源：32個I/O引腳、雙路UART，I2C串行接口、SPI串行接口、6路PWM通道、4路捕獲/比較通道。這些特點使得其廣泛應用于那些小型化的工業控制領域。

2.2.1 恒流源電路的設計

常見的恒流源電路方案有：脈沖調寬式、線性負反饋方式等。本系統采用一個獨立的線性負反饋恒流源電路，如圖2所示。高精密集成運算放大器OP06DA和三極管進行擴流，是恒流源的核心部件。差分運放把負端采樣電壓與正端的數控部分設定電壓的差值進行放大，輸出到調整器的調整端，形成閉環反饋。DAC輸入通過運放恒定電壓，起到恒流的作用，由達林頓管構成共基，這樣可以形成很高的輸出阻抗，起到恒流和擴流的目的。但是本電路對電阻R1的精度和溫度穩定性以及基準電壓源的穩定性要求較高。

2.2.2 模數轉換電路的設計

A/D轉換電路采用低功耗雙通道的12位AD7992實現。AD7992的最大轉換速率可達到188KSPS，其通過IIC接口與外圍電路進行連接。標準電阻和待測電阻兩端的電壓值，經過程控放大后，由AD9772的兩個模數轉換模塊進行模數轉換，最后LPC2106采用相應的數據處理后，得到相應的待測電阻的電阻值。

3 直流電阻測試儀的軟件設計

軟件部分主要由系統層和應用層組成。系統層設計首先是進行嵌入式操作系統內核的移植，再對內核擴展形成一個簡單、高效的操作系統。應用層設計是在操作系統的基礎上進行信號采集任務、鍵盤掃描任務、顯示任務、通信任務、數據計算和分析任務、時間讀取和時段判斷任務、報警任務的設計。邏輯上，軟件和硬件之間有BSP（板極支持包）形成過渡。μC/OS-II系統移植到LPC2106嵌入式處理器上，需將系統所要完成的功能化為幾個核心任務，由μC/OS-II進行調度，實現多任務的并行執行。按照系統所要實現的功能，整個系統被化為幾個并行存在的任務。占先式操作系統對任務的調度是按優先權的高低進行的，將系統的所有任務按其優先級從高到低順序排列依次是：系統監控任務、鍵盤掃描任務、顯示任務、通信任務、數據計算和分析任務、時間讀取和時段判斷任務、報警任務。數據采集任務放到定時器中斷程序中執行。其中，系統監控任務用來監視除系統監控任務之外的其它任務。當被監視任務在執行過程中出現錯誤時，系統監控程序將按照預先設定的處理表進行處理，使出錯的任務恢復正常運行，提高了系統運行的可靠性。

3.1 μC/OS-II簡介

μC/OS-II是一個源碼開放的實時多任務操作系統內核，有可移植、可固化、可裁剪的特點。功能強大，可以管理64個任務，是一個可剝奪式內核，持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進程間通信機制，該系統的安全性和穩定性已經得到很多行業的實踐證明，是一種執行效率高、占用空間小、實時性能優良、可擴展性強的嵌入式實時操作系統。

3.2 μC/OS-II在LPC2106的移植

μC/OS-II實際上可以看作是一個多任務的調度器，并提供了和多任務調度相關的一些系統服務。除與系統硬件有關的代碼要需要依據特定處理器結構，使用匯編語言實現外，其余部分都采用C語言編寫。μC/OS-II在LPC2106的移植工作主要包括對3個與體系結構相關文件的修改，具體如下：

3.2.1 OS_CPU.H

OS_CPU.H文件中包括了用#define語句定義的，與處理器相關的常數、宏以及類型。根據具體的處理器和編譯器需要重寫。主要修改有數據類型的重新定義，堆棧單位和增長方向的設定，以及開關中斷的宏定義和任務切換的宏定義。在LPC2106中用EA=0關中斷、EA=1開中斷來實現。這樣避免了退出臨界區后關中斷造成的程序阻塞。

3.2.2 設置OS_CPU_C.C

在OS_CPU_C.C中編寫6個操作系統相關的函數，任務堆棧初始化OSTaskSt2k Init()，系統hook函數: OSTaskCreateHook() ，OSTaskDelHook()，OSTaskSwHook()，OSTaskStatHook()，OSTimeTickHook()。

μC/OS-II在任務創建時要調用堆棧初始化程序來給出任務的上下文堆棧。根據LPC2106的體系結構特點，將堆棧設計為一個固定結構。系統調用系統函數OSTaskStkInit()來初始化堆棧。進行任務堆棧初始化的目的是為了初始化任務的堆棧，并返回新的堆棧STK，STK保存在任務的任務控制塊OS_TCB中。

3.2.3 OS_CPU_A.ASM

OS_CPU.ASM中需要修改4個與LPC2106相關的函數。OSStartHighRdy()：啟動就緒態任務中優先級最高的任務開始執行，此后的多任務切換由下面兩個函數完成。OSCtxSw()：任務級的上下文切換函數，切換任務后，恢復其CPU寄存器現場，完成任務切換。OSIntCtxSw()：它是中斷級的任務切換函數，被OSIntExit()調用，在ISR中執行中斷任務切換。它調整SP指針去掉在調用OSIntExit()，OSIntCtxSw()過程中壓入堆棧的多余內容。OSTick ISR()：時鐘中斷處理函數，不需要保存當前任務CPU現場，調度一個就緒的更高優先級的任務，直接進行任務切換，從而保證系統的實時性能。

完成以上3個文件修改后，μC/OS-II就可以運行在LPC2106處理器上。

3.3 系統軟件處理流程

系統完成μC/OS-II在LPC2106的移植工作后，便可以進行系統的軟件處理任務。系統軟件處理任務流程如圖3所示。首先系統經過硬件電路的上電復位，直流電阻測試儀的系統硬件對LPC2106內部的各寄存器和外圍電路進行硬件參數的初始化任務；隨之進行μC/OS–II操作系統的初始化工作，然后創建任務，并將任務的中斷打開，啟動任務調度功能。在本系統中測量直流電阻的任務調度具體可以劃分為以下幾個方面：鍵盤輸入；數據采集；數據處理；數據存儲；顯示任務；系統報警等。

μC/OS-II上運行的任務首先在主函數中創建。由于μC/OS–II系統的中斷管理功能可以使正在執行的任務暫時掛起，所以在主函數中創建完任務后，系統就會根據優先級去調用。

4 結束語

文章分析了變壓器直流電阻測試儀實現的原理并給出了利用嵌入式操作系統μC/OS-II軟件和LPC2106處理器硬件平臺的設計與實現過程。同時還詳細闡述了μC/OS-II移植到LPC2106上的技術要點，測試表明該系統不僅能夠達到測量功能，而且可以實現多量程測量和高速數據采集。

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