基于STM32智能靜態阻值測量儀的設計與實現

蔡建義，林琦，劉娜娜，孫鵬，孫衛，梁瑩

（西安北方光電科技防務有限公司，陜西西安，710061）

0 引言

現代工農業自動化技術發展日新月異，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，自動化靜態阻值測量系統，與傳統萬用表測量相比，具有測量精度高、操作簡單、使用便捷的優點，適用于大批量產品測量。

針對某軍品靜態阻值測量效率低、操作難度大的現狀，本文設計并制作了基于STM32智能靜態阻值測量儀，實現產品高效測量，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，可顯著提高產品測量效率，具有一般性。

1 系統總體方案

系統由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。系統原理如圖1所示，系統設置輪詢檔位選擇、精確阻值測量、結果顯示，實現單路信號測量及智能化信號群一鍵測量功能，可通過轉接器實現不同類型產品的跨區域使用，該系統具有通用性。

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可調穩壓器，其功耗低、效率高，減小過載條件下穩壓器和電源電路壓力，為STM32及其它集成電路提供3.3V電壓。系統中LT6658將精密基準電壓源與線性穩壓器的性能相結合，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

為保證系統測量電阻精度，系統設置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，利用ADG707BRU內置差分放大電路，分別取基準電阻壓降Vref和被測電阻壓降Vx，根據串聯電路電流相等原理，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根據三八譯碼實現。

■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，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，且在系統信號范圍內，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，靜態電流為3mA，噪聲2.4nV/Hz(10Hz)，

其單位增益穩定、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 系統軟件設計

基于STM32芯片HAL庫和MFC實現系統軟件設計，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測定的電阻值大小自動調整測量量程。通過232通訊協議，在電阻測量模塊與PC機建立聯系。電阻測量算法是系統的核心部分，測量Uref和Ux電壓數據，計算測量點的電阻值。交互界面實現串口選擇、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 系統軟件設計流程圖

■ 3.1 測量擋位自動選擇程序

系統具有6個電阻選擇擋位，在實際測量過程中，根據電壓值是否大于0.2V，判斷并進行量程擋位的自動調節。量程選擇流程如圖7所示。

圖7 檔位選擇程序流程圖

系統擋位自動選擇核心程序如下所示：

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

■ 3.2 交互界面

交互界面實現數據的實時顯示，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，根據用戶需求手動選擇需要測量的電阻，自動測量則可實現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，方便后續數據分析，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品及標稱電阻進行對比測量，通過實測數據對比，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所設計的測量儀，對標稱電阻進行測量，并將測量數據記錄如表1所示。

表1 測量數據對比表

通過對標稱電阻測量數據進行對比分析，本測量儀的性能優于普通萬用表，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，項目組選擇某型產品對其在路阻值進行實際測量，測量數據如表2所示。

表2 某型產品實際測量所得數據

通過實測數據分析，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品的在線靜態阻值與標稱阻值的測量，實現電阻測量由人工向自動化的轉變，可顯著提高工業大批量電阻阻值測量的效率和精度，推廣意義顯著。