基于微電阻測量的開關導通耐久測試儀研究

摘 ?要：文章對微電阻測量的開關導通耐久測試儀進行設計研究。為達到對微小電阻的精度測量，采用恒流源技術進行擴展，穩定地提取出信號;通過信號放大、信號采集及A/D 轉換顯示結果。利用四線測量法，在測量導線電阻不相等的情況保證測量精度，四線法技術消除接觸電阻，減少測量誤差，提高測量精度;使用A/D轉換方式將模擬信號轉為數字信號，采用ICL7135轉換器保證數據轉換的可靠性和穩定性;使用STM32F103RBT6微控制器進行運算及后續通信傳輸處理，保證系統的穩定性和實時性。

關鍵詞：微電阻;開關導通;高精度

中圖分類號：TP368 ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0050-04

Research on Switch Conduction Durability Tester Based On

Microresistance Measurement

KANG Kai

（Liaoning Institute of Science and Engineering， Jinzhou ?121007， China）

Abstract： This paper designs and studies the switch conduction durability tester of microresistance measurement. To achieve the precision measurement of the microresistance， it uses continuous current source technology to expand， extracts the signal stably. Through signal amplification， signal acquisition and A/D conversion， the results are displayed. Using the four-line measurement method， it ensures the measurement accuracy when the measurement wire resistance is unequal. The four-line method technology eliminates the contact resistance，it can reduce the measurement error and improve the measurement accuracy. The analog signal is converted to digital signal by using the A/D conversion mode， and it uses the ICL7135 converter， to ensure the reliability and stability of the data transformation. It uses the STM32F103RBT6 microcontroller for the operation and subsequent communication transmission processing， which ensures the stability and real-time performance of the system.

Keywords： microresistance; switch conduction; high accuracy

0 ?引 ?言

按鍵在電氣設備中常作為開關使用，通過按壓控制觸點的閉合，從而使電路導通。然而，隨著現在電子產品的技術性和復雜化程度的提高，按鍵的職能與作用也發生了很大的變化。在電氣類設備按鍵工作時，按壓過程中不可避免地產生的電子噪聲，容易造成精密的電子模塊工作不穩定甚至失靈。按鍵在按壓過程中電壓的變化可以通過電阻的變化準確地反映出來，所以可以通過測試電氣類按鍵在按壓過程中的電阻變化來反映其壽命的長短。每個按鍵都存在一個特定的壓力曲線，可以通過曲線的波峰值和波谷值判斷按鍵是否為合格品。

電路中的接觸電阻是導電通路中主要的微小電阻。接觸電阻是兩個緊密連接的結點對流過的電流的阻礙，而且接觸電阻是評價電子元件的連接性能和可靠性能的重要依據。由于接觸電阻的存在，會增加導體在通電時的損耗，使接觸部位的溫度升高，電阻值的大小將直接影響回路工作時的載流能力。因此，接觸電阻數值的大小是進行回路檢修、質量驗收的重要數據。

微小電阻測量方法的研究近年來發展得比較快，微小電阻多采用微歐儀進行測量，微歐儀的電流較大，一般為100 A～200 A，可看成具有較大的電流恒流源，采用大電流變壓器與高頻開關電源實現較大的恒流效果。但是對微小電阻進行測試時，較大的電流和較長的測試時間可能會提高電阻的溫度，從而降低測量精度;而且這些測量儀器重量和體積都較大，不便于攜帶，成本相對也比較高。因此，高精度微電阻測試儀的研究設計是十分必要的。

1 ?研究方法

通過測試開關在機械觸發按鍵閉合運動時，在有負載的狀態下進行開關主要技術指標—電壓/電流/電阻的采集、信號調理、運算并進行現場顯示，同時將技術指標通過有線方式（RS485）傳輸到PC端數據庫中，來實現“高精度的微電阻測試”和“開關導通耐久測試”的功能，具體研究方法有：

（1）采用可編程電壓源調節負載的電源;可編程直流電子負載與開關串聯來控制使用的電流，可編程直流電子負載運行于CC模式作為恒流源提供恒定電路電流，提高測量精度。

（2）采用的是四線法測試方案，電壓測量端不與恒流源直接連接，而是直接連到待測電阻兩側，微小電阻值測量準確度較高。

（3）針對高精度A/D采集、轉換的電阻信號，由于其微小，在送MCU處理之前要進行微小信號調理，以便供MCU運算處理。通過多路開關電阻采集的實時性，采用MCU上運行嵌入式OS，基于多線程技術進行軟件開發。

2 ?研究設計方案

2.1 ?總體結構

本測試儀通過對電流、電壓、電阻信號的采集、調理、放大、A/D轉換及運算，達到對微電阻進行快速測量的目的。測試儀總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 ?系統總體結構示意圖

2.2 ?系統電子電氣設計方案

“開關導通耐久測試儀”的系統智能控制電子電氣部分的主要功能：當機械觸發開關閉合運動時，在有直流電子負載的狀態下進行8路開關主要技術指標—電壓/電流/電阻的采集、信號調理、運算并進行現場顯示，同時將技術指標通過有線方式（RS485）傳輸到PC端上位機數據庫中，電子電氣部分設計框圖如圖2所示。

圖2 ?系統電子電氣設計框圖

系統電子電氣部分主要由上位機數據管理模塊、電源/恒流源模塊、采集調理模塊、下位機控制器、聲光電報警模塊、繼電器控制模塊、保護模塊等功能單元所組成。

2.2.1 ?電源/恒流源模塊

負載部分采用電源、電流分別控制。可編程電壓源調節負載的電源;可編程直流電子負載與開關串聯來控制使用的電流，可編程直流電子負載運行于CC模式作為恒流源提供恒定電路電流。該模塊使用到的設備如圖3、圖4所示。

2.2.2 ?采集調理模塊

采集調理模塊主要包括：高精度A/D采集、轉換、信號調理電路。測試單元最小的精度已經小于1歐姆，在導線中的接觸電阻已經能給測量帶來不準確性，故不適于普通的伏安法來進行檢測，采用的是四端法測試方案（也稱開爾文法），電流和電壓分開單獨通路測量，消除接觸電阻，專用于微小電阻值測量。其測量原理如圖5、圖6所示。

圖3 ?可編程直流電源

圖4 ?可編程直流電子負載

圖5 ?開爾文法測量示意圖

圖6 ?開爾文法測量電路原理圖

針對精確的微小電阻信號測量，A/D轉換電路是將電壓的模擬信號轉變為數字信號，微處理器根據收到的電壓值來計算被測電阻的電阻值。為達到自動量程的切換、高分辨率等需求，選用ICL7135A/D轉換器，具有自動調零、自動極性和超量程判別等功能，而且具有輸入阻抗高、抗干擾能力較強的優點;當輸入為零的時候，輸出零點穩定無漂移。單極性信號輸入時，ICL7135能提供±20 000的計數分辨率。如果將參考電壓設置為1 V，±2.000 0 V的精度測量中，ICL7135的精度高達±0.000 1 V。另外，它采用單基準電壓，能夠實現雙極性輸入模擬電壓的轉換，模擬輸入電壓的范圍0～±1.999 9 V。轉換結果BCD碼的輸出形式有并行和串行兩種形式，方便與微處理器連接。

針對高精度A/D采集、轉換的電阻信號，由于其微小，在送MCU處理之前要進行微小信號調理，以便供MCU運算處理。

2.2.3 ?信號控制器

信號調理后的電阻信號送控制器進行運算以及后續通信傳輸處理。考慮到系統比較復雜，而且要完成較多的功能，要求系統要有較好的穩定性、較高的性價比和實時性，因此選用意法半導體公司生產的微控制器STM32F103RBT6，該控制器的增強型單片機使用的是高性能的ARM Cortex-M3內核，該內核是32位的精簡指令集微處理器（RISC）。

2.2.4 ?聲光電報警模塊

開發設計了聲光電報警電路以便當測試開關的電阻、電壓超限時觸發報警。聲光電報警模塊采用的是ISD1700系列錄放芯片，該芯片的采樣率可在4 K～12 K區間進行調節，并可以實現多段錄音，供電范圍2.4 V～5.5 V之間。另外ISD1700能完成新錄音的提示，當有新的聲音錄制時，LED會每隔幾秒閃爍一次來提示用戶。此外還存有4種音效用以提示用戶的操作結果，如開始錄音、停止錄音、擦除、下一曲和全部擦除等。錄音數據全部無壓縮地存儲在芯片的FLASH內，因此有更好的音質和斷電存儲。芯片中有話筒輸入與模擬信號輸入兩路獨立的語音信號輸入通道。用戶可在SPI模式下可以對芯片進行更多的功能操作。如可以對模擬通道配置寄存器進行讀寫，對任意存儲地址進行錄放等。

2.2.5 ?保護模塊

在電力系統測量中，對于測量電路的保護是常規的技術手段，這里采用MOS管配合繼電器專門的吸收電路實現保護功能，如圖7所示。

圖7 ?保護模塊電路原理圖

具體為：

（1）當系統流過的電流超過限定值時，通過繼電器吸合強行使輸出控制電壓接地，從而限定場效管的開度。當電壓過高時M358輸出小于12 V，此時二極管導通后三極管導通，進而MOS管接地從而起到保護作用。

（2）當系統電壓超過限定值時，電流過高時M358輸出小于12 V，此時二極管導通后三極管導通，進而MOS管直接接地從而起到限流作用。

（3）過熱保護，系統采用熱敏電阻來實時監測場效應管的溫度變化情況，當溫度超過預定值時，電路將被自動斷開。

3 ?軟件設計方案

系統軟件包括兩大部分：控制器嵌入式軟件和電腦端PC軟件。

微控制器主板嵌入式軟件使用嵌入式C語言，基于IAR或者MDK集成開發環境。為了提高多路開關電阻采集的實時性，并考慮系統擴展，采用MCU上運行嵌入式OS，基于多線程技術進行軟件開發。

電腦端PC軟件采用VC++語言在Microsoft Visual C++ 6.0 集成開發環境中進行編寫代碼，主要功能是對開關電流值、電壓值進行設置，控制測量設備對開關進行輸出相關設定參數，并對開關接觸電阻進行計算。采用工業顯示ActiveX控件、SQL Server數據庫技術、串口通信技術、外設驅動技術（報表打印機）等，然后編譯成可執行exe文件，運行裝有Windows XP/WIN7等32位操作系統的電腦或者工控機上。

4 ?結 ?論

本測試儀可進行電壓、電流、電阻信號的精確采集、調理以及處理，并研究設計上限報警模塊，保護測量電路，電阻測量范圍：0.1 Ω～5 Ω;可測量各種線圈的電阻、開關、插頭等儀器的接觸電阻，具有性價比高、速度快、成本低、精度高、測量范圍廣等特點，有一定的使用價值。

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作者簡介：康凱（1980—），女，漢族，遼寧錦州人，副教授，碩士研究生，研究方向：機械、汽車制造與服務。