基于DSP 的多通路小電阻測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞京，趙凱，古雅倩，陳金香，王海濤，包鵬贊

（北京航天新立科技有限公司，北京 100143）

在對(duì)小電阻進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其阻值范圍通常在零至十幾歐姆之間，可以和導(dǎo)線電阻相比擬，因此測(cè)試中需考慮消除導(dǎo)線電阻的影響；此外，對(duì)電雷管、點(diǎn)火頭、點(diǎn)火管等電火工品類小電阻進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于測(cè)試火工品儀器的安全性能要求較高，測(cè)試電流需要被嚴(yán)格限制在一個(gè)較小值[1-2]。

采用常規(guī)的萬(wàn)用表測(cè)量小電阻，由于導(dǎo)線電阻的干擾，測(cè)試精度無(wú)法保證；采用電橋法測(cè)量小電阻，過(guò)程繁瑣、易出現(xiàn)人為差錯(cuò)[3-4]。此外，上述兩種測(cè)試方法測(cè)試電流不受控，因此不適用于電火工品類小電阻的測(cè)試。

文中依據(jù)四線法測(cè)量原理、采用DSP 為控制核心的軟硬件系統(tǒng)方案、運(yùn)用集成開(kāi)發(fā)軟件CCS6.0 工具，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種多通路小電阻測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試原理

四線法是一種精度很高的電阻測(cè)試方法，能夠較好地消除接線引入電阻的影響，且測(cè)試電流較小安全性高，廣泛應(yīng)用于各類小電阻測(cè)試中[5-7]。

如圖1 所示，Rx為被測(cè)電阻，R1、R2、R3、R4都是接線引入的電阻，只要測(cè)試電壓的電路輸入阻抗很高，則所測(cè)電壓就是Rx上的電壓，接線電阻R3和R4不會(huì)引入測(cè)試誤差；由于是恒流源驅(qū)動(dòng)，R1和R2不會(huì)影響電流大小，也不會(huì)引入測(cè)試誤差。將標(biāo)準(zhǔn)電阻Ra和被測(cè)電阻Rx串聯(lián)于回路，然后分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓Ua和被測(cè)電阻兩端電壓Ux，被測(cè)電阻計(jì)算公式如式（1）所示：

圖1 四線法測(cè)量原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

為了滿足精度、可靠性、易用性等方面的要求，采用TI 公司的TMS320F28335 芯片作為控制核心，設(shè)計(jì)了多通路小電阻測(cè)試系統(tǒng)[9-10]，測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試多通路小電阻的導(dǎo)通阻值，并將測(cè)試數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)并打印，系統(tǒng)方案如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)方案

2.2 硬件方案

在多通路小電阻測(cè)試系統(tǒng)中，硬件電路主要包含電源轉(zhuǎn)換、DSP 最小系統(tǒng)、恒流源、電壓采集、測(cè)量通路選通、按鍵輸入、FLASH 存儲(chǔ)、顯示等部分[11-12]。其中，恒流源電路由運(yùn)算放大器搭建[13-15]，恒流值受DSP 的DAC 輸出電壓值調(diào)控；DSP 通過(guò)GPIO 口控制選通開(kāi)關(guān)、按鍵和LCD 顯示屏，通過(guò)UART 接口連接打印機(jī)，通過(guò)外部存儲(chǔ)接口驅(qū)動(dòng)FLASH。

2.3 恒流源電路實(shí)現(xiàn)方案

如圖3 所示，使用運(yùn)放搭建一個(gè)近似恒流源電路，電流計(jì)算公式如式（2）所示：

其中，R1、R2和R3的阻值分別為5.1 kΩ、2.2 kΩ和20 Ω，當(dāng)Udac恒定時(shí)，I取值為固定值。Udac為DSP 程序控制DAC端口的輸出電壓，其取值范圍是0～3.3 V，因此恒流值I可控，取值范圍為0～49.7 mA，以適應(yīng)不同阻值范圍小電阻的測(cè)量。

電壓Ux和Ua經(jīng)采樣后，通過(guò)比例計(jì)算式（1）即可計(jì)算出被測(cè)電阻Rx的阻值。

2.4 測(cè)量通路選通方案

在硬件方案中，恒流源電路、電壓采樣電路均只有一路，因此要實(shí)現(xiàn)多通路測(cè)試，必須對(duì)以上兩種電路進(jìn)行選通復(fù)用。

DSP 通過(guò)控制A 組選通開(kāi)關(guān)將待測(cè)通路的被測(cè)電阻接入恒流源電路；通過(guò)控制B 組選通開(kāi)關(guān)將待測(cè)通路的被測(cè)電壓接入電壓采樣電路。A 組/B 組選通開(kāi)關(guān)真值表如表1 所示。

表1 選通開(kāi)關(guān)真值表

3 軟件設(shè)計(jì)

為了完成小電阻測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，采用CCS6.0 軟件進(jìn)行DSP 程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。CCS 的全稱是Code Composer Studio，它是TI 公司出品的代碼開(kāi)發(fā)和調(diào)試套件，該軟件在Windows 操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具[16]。

3.1 系統(tǒng)主程序

測(cè)試系統(tǒng)上電后，軟件首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化（時(shí)鐘初始化、各功能模塊初始化、中斷使能操作等），然后執(zhí)行主程序的while(1)循環(huán)，并進(jìn)行按鍵狀態(tài)監(jiān)測(cè)。軟件一級(jí)運(yùn)行模式有三個(gè)：?jiǎn)瓮窚y(cè)試、多通路測(cè)試以及數(shù)據(jù)查看。

用戶通過(guò)“打印”、“上移”、“下移”、“確定”、“返回”五個(gè)按鍵進(jìn)行功能選擇和切換；“確定”鍵用于點(diǎn)擊LCD 顯示屏焦點(diǎn)所在處的選項(xiàng)，“返回”鍵用于返回上級(jí)界面“，上移”“、下移”鍵用于查看或選擇數(shù)據(jù)時(shí)上、下移動(dòng)選定的行，“打印”鍵用于打印測(cè)試數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 單通路測(cè)試

阻值測(cè)試時(shí)，選擇需要測(cè)試的通道，將該通道恒流源、電壓采樣通路導(dǎo)通。切換采樣通路至標(biāo)準(zhǔn)電阻Ra通道并延時(shí)，重復(fù)測(cè)試N次取平均值Ua；然后切換采樣通路至待測(cè)電阻通道并延時(shí)，重復(fù)測(cè)試N次取平均值Ux，然后依據(jù)公式Rx=UxRa/Ua計(jì)算待測(cè)電阻阻值，并在LCD上顯示測(cè)試結(jié)果。單通路測(cè)試流程圖如圖5所示。

圖5 單通路測(cè)試流程圖

3.3 多通路測(cè)試

多通路測(cè)試時(shí)，預(yù)先指定被測(cè)試的各通路，然后根據(jù)真值表選擇測(cè)試通路，依次測(cè)試各通路阻值，并在LCD上顯示當(dāng)前通路測(cè)試結(jié)果；當(dāng)?shù)竭_(dá)最大測(cè)試路數(shù)Max時(shí)，結(jié)束測(cè)試。多通路測(cè)試流程圖如圖6所示。

圖6 多通路測(cè)試流程圖

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查看

在多通路測(cè)試結(jié)束后，軟件自動(dòng)將DSP 內(nèi)存和LCD 顯存中的測(cè)試數(shù)據(jù)按照約定的格式存儲(chǔ)到片外FLASH 中，只保留最近顯示的50 次測(cè)試結(jié)果。

在數(shù)據(jù)查看界面選擇測(cè)試編號(hào)后，通過(guò)軟件讀取的FLASH 塊號(hào)和塊內(nèi)偏移量計(jì)算FLASH 的操作位置，并從該位置開(kāi)始，讀取指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，查詢出測(cè)試信息。

3.5 打 印

將歷史存儲(chǔ)的測(cè)試信息通過(guò)UART 串口發(fā)送給打印機(jī)，打印機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打印。測(cè)試數(shù)據(jù)包括測(cè)試的編號(hào)、通路名稱、通路號(hào)和測(cè)試值等。打印流程圖如圖7 所示。

圖7 打印流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證小電阻測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了軟件仿真測(cè)試和整機(jī)測(cè)試。其中，整機(jī)測(cè)試是在真實(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境下，檢查軟件對(duì)小電阻測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)情況，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 整機(jī)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)小電阻測(cè)試系統(tǒng)單通路測(cè)試、多通路測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查看、打印等功能要求。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)中小電阻的測(cè)量采用四線法測(cè)量技術(shù)，有效地減少了測(cè)試線引線電阻和激勵(lì)源的影響，提高了測(cè)量精度；同時(shí)采用DSP 核心的軟硬件系統(tǒng)方案、規(guī)范的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多通路小電阻的自動(dòng)測(cè)試。從以上各方面發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果精確可靠、功能設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。