朱海洋，歐陽明星（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，廣東 韶關(guān)512126）

ARM嵌入式電阻篩選及電位器曲線測試裝置設(shè)計

朱海洋，歐陽明星
（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，廣東 韶關(guān)512126）

摘要：為實現(xiàn)電阻篩選及電位器曲線測試，設(shè)計一種自動電阻測量裝置，應(yīng)用運放高輸入阻抗的特點實現(xiàn)大阻值電阻測量時的阻抗匹配，用單電路實現(xiàn)O至MΩ寬范圍全量程測量，通過電子開關(guān)自動切換量程，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電位器測試裝置測試電位器特性曲線，自動測量并在LCD顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線，使用LPC2148 ARM7控制器做主控芯片，在uC/OS-II嵌入式系統(tǒng)下開發(fā)應(yīng)用軟件，應(yīng)用LPC2148內(nèi)置的12bit A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，樣機(jī)測試結(jié)果優(yōu)于3 1/2萬用表測量精度，適用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)前的元件篩選分類.

關(guān)鍵詞：自動測量；電子開關(guān)；LPC2148；嵌入式；電阻篩選；uC/OS-II

電阻是電子產(chǎn)品中的常見電子元器件，數(shù)量多型號雜，在進(jìn)行批量生產(chǎn)時，電阻測量工作繁重，使用模擬電阻表測量電阻時需要手工換擋，且識讀性差，準(zhǔn)確度低，需要手工記錄并統(tǒng)計大量測試數(shù)據(jù)，容易出錯，生產(chǎn)效率低.數(shù)字電阻表識讀便捷、使用簡單，測量結(jié)果準(zhǔn)確，且便于測試數(shù)據(jù)的保存、傳輸與分析，使用可編程微處理器和高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器是一種靈活的數(shù)字電阻測量方法［1］，通過編程可以實現(xiàn)各種自動測試功能，并將結(jié)果存儲.本文設(shè)計一種基于ARM7控制的多功能自動電阻測試儀，使用12 bit的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬測量信號轉(zhuǎn)換成電壓值測量電阻，自動轉(zhuǎn)換量程，并具有電阻篩選功能，輸入預(yù)設(shè)阻值及偏差范圍即可自動篩選，能自動測試電位器，將電位器放置測試座由步進(jìn)電機(jī)帶動電位器旋轉(zhuǎn)，測量電位器旋轉(zhuǎn)角度與電阻值的變化曲線.

1　測量原理分析

使用分壓法測量電阻原理如圖1（a）所示［2］，R1為分壓電阻，Rx為被測電阻，VO為Rx上采樣電壓，Vs為測量激勵電壓，由圖有

圖1　電阻測量原理

公式（1）中Rx'=Rx||Ri，Ri為測量器件A/D轉(zhuǎn)換器輸入電阻，當(dāng)Rx＞＞Ri時測量結(jié)果受Ri影響較小，而當(dāng)Rx＜＜Ri時測得VO幾乎為A/D轉(zhuǎn)換器輸入電阻Ri兩端電壓，與Rx電阻大小無關(guān)，實際中A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗在數(shù)百KΩ數(shù)量級，這種方法測量MΩ級電阻時將失效［3］.

圖1（b）反向比例放大電路起到緩沖隔離與阻抗變換作用，消除了測量器件的輸入阻抗對被測電阻的影響，由圖有

公式（4）說明對電阻Rx測量可以轉(zhuǎn)換為對電壓VO的測量，Rx正比于VO的變化而變化.定義|dVO/dRx|為電阻分辨率，在確定VS不變時測量Rx時，R1決定了測量分辨率，設(shè)置合適的R1值以保證測量讀數(shù)準(zhǔn)確度.

2　自動電阻測量儀研制

2.1總體框圖設(shè)計

使用LPC2148作為測量裝置主控制器，其為ARM7TDMI-S內(nèi)核處理器，體積小，功能強(qiáng)，44個可用I/O口，內(nèi)置USB2.0接口，IIC總線口、SPI總線口，2個ADC轉(zhuǎn)換器，2個UART接口，共有512KB大容量ROM一級32KB的RAM，支持SPI 及 JTAG下載，調(diào)試方便［4］.系統(tǒng)組成如圖2所示，經(jīng)過R-V變換電路將被測電阻轉(zhuǎn)換成電壓，輸入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用CPU內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電阻測量，步進(jìn)電機(jī)帶動電位器旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一個角度測量一次，經(jīng)CPU計算后顯示測量結(jié)果，測量電阻顯示數(shù)值，測量電位器顯示曲線，使用內(nèi)置KSS0108控制器的128×64液晶模組作為顯示器，也可以通過USB接口上傳到PC機(jī).通過UP、DONW、OK、ESC、START五個按鍵實現(xiàn)菜單式操作，控制繼電器實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換，蜂鳴器提示操作結(jié)果.

圖2　系統(tǒng)組成圖

2.2 R-V變換電路設(shè)計

如前所述，通過分析可知采用圖1（b）所示電路測量電阻時設(shè)定R1即確定了量程，分辨率則主要取決于A/D變換器的轉(zhuǎn)換深度.由于LPC2148的A/D換器轉(zhuǎn)換深度為12 bit，設(shè)ADC的滿量程電壓Vref與圖1（b）中激勵電壓VS相同的電壓2 V，線性對應(yīng)轉(zhuǎn)換字為1～4 096，分辨率為0.48 mV/字，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器VO電壓范圍為0.048～2 000 mV，當(dāng)R1為2 KΩ時（4）式對應(yīng)的測量電阻為0.48～2 KΩ，分辨率為0.48 KΩ，當(dāng)測量電阻大于2 KΩ時需增大R1，小于2 KΩ電阻時減少R1則可以獲得更大分辨率，令R1乘以不同倍率系數(shù)以使測量0 Ω～20 MΩ電阻時獲得足夠的分辨率，設(shè)10-1、100、101、102、104五個系數(shù)如公式（5）所示，分別對應(yīng)

200、2K、20K、200K、20M五個量程，并設(shè)計電路如圖3所示［5］.圖3中Rx為被測電阻，R2～R6為乘以不同系數(shù)之后的量程電阻.圖3測量電路由兩級反向比例放大器構(gòu)成，使用OPA2107專用儀表放大器，U4A實現(xiàn)R-V變換，U4B實現(xiàn)電平變換，使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器始終為正電壓.使用精度為0.05%的高精度穩(wěn)壓芯片REF5020產(chǎn)生2.048 V測量激勵電壓VS，同時該電壓作為CPU A/D轉(zhuǎn)換器的VREF參考電壓.工作測儀器自動控制量程開關(guān)動作選擇一個合適量程，使用TS3A4751電子開關(guān)作為量程選擇開關(guān). TS3A4751為TI公司的單電源低電壓、低導(dǎo)通內(nèi)阻四通道模擬電子開關(guān)，工作電壓為3V時開關(guān)接通電阻僅為0.9 Ω，CPU從S端送出高電平到TS3A4751 INx控制端使電子開關(guān)接通，S端送出低電平時電子開關(guān)斷開.

圖3　電阻測量電路

2.3電位器測量裝置

圖4　電位器輔助測量裝置

電位器測量裝置原理如圖4所示，由步進(jìn)電機(jī)帶動電位器旋轉(zhuǎn)，在128×64液晶屏建立x、y坐標(biāo)軸，x表示電位器角度位置，y表示電位器阻值，電位器旋轉(zhuǎn)角度與測量結(jié)果分別與x、y對應(yīng)，電位器輸出信號直接送入A/D轉(zhuǎn)換器測量，測量結(jié)果對應(yīng)液晶屏幕的x、y坐標(biāo)點，電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化關(guān)系將在液晶屏顯示一條曲線.

使用MOATECH公司的2相4線混合微型步進(jìn)電機(jī)帶動電位器旋轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器將電位器手柄與電機(jī)轉(zhuǎn)動軸連接，電機(jī)型號為SP-15RF-012K，其步進(jìn)角為18°，工作電壓為5 V，最大轉(zhuǎn)速1 030 PPS，保持力矩40 gf·cm.2相4線雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理與普通的4相步進(jìn)電機(jī)略有不同，電機(jī)有B、Bˉ四個驅(qū)動控制端，當(dāng)采用雙四拍驅(qū)動時時序為，步進(jìn)角為18°，使用單-雙混合八拍驅(qū)動時序為，步進(jìn)角為9°［6］.使用LB1836可橋接雙極性芯片驅(qū)動2相 4線混合步進(jìn)電機(jī)，LB1836為專用可橋接的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，單芯片工作，無需外接任何元件，常用于微型打印機(jī)的走紙驅(qū)動，原理圖如圖5所示［4］.

2.4嵌入式程序設(shè)計

在LPC2148處理器移植μC/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，具有簡單可靠的特點.μC/OS-II是一個完整的、可移植的、小巧的占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，代碼開源，能支持8～64位多達(dá)40種不同構(gòu)架的微處理器，由操作系統(tǒng)內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度及管理、時間管理、任務(wù)同步、通內(nèi)存管理和終端服務(wù)等功能［7］. μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為接口、內(nèi)核、配置、應(yīng)用程序，接口實現(xiàn)與底層CPU硬件接口，以實現(xiàn)操作系統(tǒng)啟動與運行，操作內(nèi)核與CPU硬件無關(guān)，配置根據(jù)不同處理硬件做相應(yīng)修改以實現(xiàn)系統(tǒng)移植，配置為與操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)關(guān)的配置信息，應(yīng)用程序是用戶實現(xiàn)的軟件功能.

圖5　LB1836原理圖

修改OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C、OS_CPU.H文件中的參數(shù)可將μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到LPC2148芯片，內(nèi)核代碼與處理器無關(guān)，故不作任何修改，修改OS_CFG.H、INCLUDES.H與使應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，將應(yīng)用程序劃分為7個任務(wù)，通過OSTaskCreate函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，并根據(jù)執(zhí)行順序設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級，各任務(wù)名稱、功能、優(yōu)先級見表1，優(yōu)先級數(shù)字越小優(yōu)先級別越高.各任務(wù)之間使用操作系統(tǒng)提供的消息郵箱進(jìn)行通信及同步，通過C語言指針實現(xiàn)，通過內(nèi)核程序?qū)⑾⑼迫豚]箱，任務(wù)亦可從郵箱讀取消息，通過對消息內(nèi)容約定以實現(xiàn)應(yīng)用程序功能，使用郵箱前應(yīng)將OS_CFG.H中的OS_MBOX_EN常數(shù)置為1開啟郵箱.

表1　任務(wù)分配表

由于μC/OS-II系統(tǒng)采用占先任務(wù)調(diào)度機(jī)制，優(yōu)先級別為任務(wù)唯一標(biāo)識，任何時候執(zhí)行已就緒的優(yōu)先級別最高的任務(wù)，須由硬件定時器提供每秒10～100次節(jié)拍的時間.系統(tǒng)任務(wù)利用消息循環(huán)處理上位機(jī)命令及鍵盤操作，根據(jù)不同命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，由She11Task任務(wù)刷新人機(jī)交互界面，實時顯示操作過程和測量結(jié)果，其他任務(wù)根據(jù)鍵盤及上位機(jī)命令分別執(zhí)行，通過消息郵箱傳輸命令參數(shù)，操作系統(tǒng)運行過程如圖6所示，電阻測量儀程序功能如圖7所示.

圖6　系統(tǒng)運行過程

圖7　軟件菜單結(jié)構(gòu)

3　測試與結(jié)論

用1%精度的規(guī)格電阻為被測對象，使用RIGOL DM3058 5位半數(shù)字萬用表進(jìn)行校準(zhǔn).以DM3058測試結(jié)果為計算值，與本文電阻測量儀測量結(jié)果進(jìn)行比較并計算相對測量誤差，結(jié)果如表2所示，設(shè)定期望電阻值、誤差范圍之后啟動電阻篩選測試，記錄結(jié)果如表3所示.本文設(shè)計的電阻測量儀分200、2K、20K、200K、20M電阻，200 Ω檔能獲得0.048 Ω/字的最大準(zhǔn)確度，其他量程檔分辨率依次分別為0.48 Ω、4.8 Ω、48 Ω、480 Ω每字，經(jīng)實測20 M檔的準(zhǔn)確度為±（0.86%讀數(shù)+2字），能快速測量電位器并在液晶屏幕上顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線，該功能可用于電阻傳感器的特性測試，儀器可用于生產(chǎn)或作為其他相關(guān)自動生產(chǎn)設(shè)備的配套裝置.

表2　電阻表測試結(jié)果

表3　電阻篩選結(jié)果

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（責(zé)任編輯：李婉）

中圖分類號：TM02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1OO7-5348（2O15）12-OO19-O5

［收稿日期］2015-10-28

［基金項目］2013年韶關(guān)市科技計劃項目（2013CK/K216）.

［作者簡介］朱海洋（1978-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處副教授，碩士；研究方向：計算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用.

Design of Embedded Resistance Selection and Potentiometer Curve Test Device Controlled by ARM

ZHU Hai-yang，OUYANG Ming-Xing
（DePartment of E1ectrica1 Engineering，Guangdong Songshan Po1ytechnic Co11ege，Shaoguan 512126，Guangdong，China）

Abstract:To achieve resistance screening and testing Potentia1 curve，the PaPer designed an automatic resistance measuring device，and the aPP1ication of high inPut imPedance amP1ifier imPedance matching characteristics when measuring high-va1ue resistor，with a sing1e circuit to achieve 0 to MΩ wide range of fu11 sca1e measurement，automatic switching by e1ectronic switching range，test fixture Potentiometer Potentiometer driven by a stePPing motor characteristic curve，automatica11y measuring and disP1aying the Potentiometer resistance changes with the rotation ang1e of the curve，and using the master contro11er using LPC2148 ARM7 chiP LCD，in uC under deve1oPment OS-II embedded system aPP1ication software，and aPP1ication LPC2148 bui1t 12bit A/D converter samP1ing conversion.PrototyPe test resu1ts are better than 3 1/2 meter accuracy for e1ectronics Production comPonents before sorting.

Key words:Automatic measurement；e1ectronic switch；LPC2148；embedded；resistance screening；uC/OS-II