林秉泉，徐巧玉，徐 愷，宋江巖，王軍委

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2. 洛陽冰巖激光設備有限公司，河南 洛陽 471003；3. 洛陽銀杏科技有限公司，河南 洛陽 471003)

0 引言

在厚膜電阻的生產(chǎn)過程中，通過印刷技術制造的電阻誤差達到15%～20%，無法滿足高精度應用的需求，因此需要對電阻進行進一步加工以提高電阻精度。激光調(diào)阻具有高效率、無污染及高精度等優(yōu)點，成為目前主要的調(diào)阻方式[1-3]。激光調(diào)阻機的調(diào)阻精度和效率決定目標電阻的指標，因此亟需對激光調(diào)阻機的電阻檢測與控制問題進行研究。

目前，國內(nèi)外在激光調(diào)阻機測量與控制方面進行了一系列研究[4 -13]，由于嵌入式測控系統(tǒng)靈活性高、專用性強、集成化高及功能可定制等特點，成為激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)的主要研究方向。文獻[14-16]提出基于單臂電橋測量的激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)，通過對電阻檢測原理的研究，實現(xiàn)了硬件控制激光器，有效地提高了調(diào)阻效率和調(diào)阻精度。但其系統(tǒng)構成較為復雜，使用硬件對系統(tǒng)進行誤差補償無法有效提高系統(tǒng)測量精度。文獻[17-20]提出基于開爾文法檢測電阻的激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)，使用可編程的高精度恒流源作為激勵產(chǎn)生電流信號，有效地提高了系統(tǒng)的測量范圍與測量精度。但由于測量系統(tǒng)直接由上位機進行控制，無法有效地控制激光器動作，引起調(diào)阻速度慢、調(diào)阻精度低等問題。

為了實現(xiàn)激光調(diào)阻機的高速高精度調(diào)阻，本文設計了一種激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)。采用高級精簡指令集微處理器(advanced RISC machine,ARM)作為主控制器，負責調(diào)阻過程中的電阻阻值采集與激光器的控制，結合實時操作系統(tǒng)(real time operating system,RTOS)保證系統(tǒng)的實時性與可靠性。采用開爾文測阻法搭建高精度恒流源、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集電路，提高電阻采集精度。通過設置數(shù)模轉換器(digital to analog converter,DAC)輸出與檢測信號進行比較，由硬件直接控制激光器動作，實現(xiàn)對目標電阻的刻蝕，保證了調(diào)阻精度與調(diào)阻效率。

1 系統(tǒng)總體方案設計

為了有效控制激光調(diào)阻機，使其能夠快速、精確地控制電阻刻蝕，設計了激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括：主控單元、檢測與采集單元和比較輸出單元。

圖1 激光調(diào)阻機系統(tǒng)框圖

主控單元：主要負責與上位機通信，實現(xiàn)上位機消息處理、檢測與采集參數(shù)配置、待調(diào)電阻計算、參考電壓計算和系統(tǒng)誤差補償?shù)裙ぷ?，并根?jù)執(zhí)行動作參數(shù)信息控制檢測與采集單元、比較輸出單元執(zhí)行動作。

檢測與采集單元：實現(xiàn)待調(diào)電阻的檢測與采集。首先，恒流源根據(jù)待調(diào)電阻信息輸出恒定電流，并在待調(diào)電阻兩端產(chǎn)生電壓。信號調(diào)理電路對電壓值進行濾波、放大后，由數(shù)據(jù)采集電路將電壓值轉換為數(shù)字信號返回到主控制器。

比較輸出單元：將主控制器計算后的標準電阻值轉換為參考電壓，和檢測與采集單元傳輸?shù)碾妷哼M行比較，比較產(chǎn)生的晶體管-晶體管邏輯電平(transistor transistor logic,TTL)信號控制激光器的停止動作。

系統(tǒng)工作流程：本系統(tǒng)由上位機控制?？刂浦噶钔ㄟ^通用串行總線(universal serial bus,USB)發(fā)送到主控單元，主控單元根據(jù)控制指令計算參數(shù)配置信息，并控制檢測與采集單元執(zhí)行動作，對待調(diào)電阻進行實時檢測與阻值采集。將采集的待調(diào)電阻信息返回到主控單元中進行計算，判斷當前電阻是否可調(diào)，并將電阻值返回到上位機。若當前電阻不可調(diào)，本次調(diào)阻結束。反之，主控輸出參考信號到比較輸出單元，同時，上位機控制激光器開始調(diào)阻。比較輸出單元將參考電壓信號與實時檢測的電壓信號進行比較。當兩者相等時，比較器發(fā)送TTL電平轉換信號控制激光器停止。同時，主控單元控制檢測與采集單元采集電阻值信息，并將調(diào)阻完成后的電阻值返回到上位機。

2 激光調(diào)阻測控系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控單元

主控制器采用STM32F407VG T6芯片，具有豐富的外圍設備接口，系統(tǒng)主頻達到168 MHz，內(nèi)部集成的浮點運算單元(float point unit,FPU)可以對數(shù)據(jù)進行精確計算，保證系統(tǒng)的精度與速度[21]。通信芯片采用USB3300，支持高速USB2.0，最大傳輸速度達480 Mbits/s。與主控芯片連接后，可以保證上位機指令的準確快速傳輸。主控單元硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 主控單元硬件設計框圖

2.2 檢測與采集單元

2.2.1 開爾文法檢測原理

開爾文法測阻原理，通過恒流源在電阻兩端產(chǎn)生電壓，由電壓表直接測量電阻兩端電壓，可減小線電阻的影響，獲得較為精確的阻值，所以開爾文法又被稱為四線制測阻法[22]。

設待測電壓為U，恒定電流為I，待測電阻為Rx，導線電阻為r。根據(jù)開爾文法原理可得，電壓與電流的理想關系為：

U=IRx。

(1)

圖3 檢測與采集電路結構框圖

2.2.2 檢測與采集單元基本結構

根據(jù)開爾文法測阻原理，檢測與采集電路包括恒流源、檢測通道和數(shù)據(jù)采集電路3個部分。待測電路產(chǎn)生的電壓在傳輸過程中極易受到干擾，因此，增加信號調(diào)理電路保證信號的穩(wěn)定性。檢測與采集電路結構框圖如圖3所示。

圖4 恒流源電路

2.2.3 檢測與采集單元電路設計

系統(tǒng)恒流源為反饋型恒流源，由雙運放構成電流發(fā)生電路，使用繼電器控制恒流源擋位切換[23]。恒流源電路分為兩部分，電路如圖4所示。

第1部分由基準信號源、運放AD706、P溝道結型場效應晶體管(junction field-effect transistor，JFET)、基準電阻組成。設流經(jīng)電阻R1的電流為I1，Vref為基準電壓，根據(jù)運放的虛短定理，通過調(diào)整管后流經(jīng)R1的電流I1為：

I1=Vref/R1。

(2)

在恒流工作狀態(tài)下P溝道JFET的源極電流與漏極電流相等，所以流入電阻R2的電流I2與I1相等。因此電阻R2兩端的壓降V2為：

V2=I1R2=(Vref/R1)R2。

(3)

第2部分由采樣電阻、運放AD706、N溝道JFET組成。由式(3)可得R2上的電壓V2為恒定電壓。根據(jù)運放的虛短定理，采樣電阻R3～R8的電壓與R2的電壓相等。通過繼電器選擇不同的采樣電阻Rf，即可輸出不同的恒定電流。所以流經(jīng)N溝道JFET的電流，即恒流源的輸出電流IL：

IL=V2/Rf=((Vref/R1)R2)/Rf。

(4)

為實現(xiàn)設備對多路電阻值的連續(xù)調(diào)阻，檢測通道設計為由繼電器陣列組成的可擴展的多通道繼電器板。繼電器板由輸入/輸出(input/output,I/O)擴展芯片CH423、繼電器驅(qū)動和繼電器組成。CH423負責將主控的控制信號轉換為I/O輸出，進而控制繼電器通道切換。檢測通道是由干簧繼電器構成的繼電器陣列，最大可支持單板120×120通道。

信號調(diào)理電路如圖5所示，共分為3個部分。信號調(diào)理電路第1部分是由AD8220儀表運算放大器構成的共模抑制放大電路，AD8220是具有放大倍數(shù)可調(diào)的增益放大器，該放大器在單位增益下具有94 dB以上的共模信號抑制能力，可以大幅度降低來自于測量端的共模干擾[24]。在對小阻值電阻進行測量時，匹配不同的增益電阻Rg，可以產(chǎn)生不同的放大倍數(shù)，以增大系統(tǒng)的可測量范圍。第2部分是由AD820構成的兩極點的Sallen-Key濾波器，調(diào)節(jié)電阻電容參數(shù)以實現(xiàn)對高頻干擾的濾波。電阻R3與電阻R1構成電阻分壓器，以便信號能夠縮放到模數(shù)轉換器(analog to digital converter,ADC)的輸入電壓。第2部分的輸出信號分別流向比較器與數(shù)據(jù)采集電路。第3部分是由THP210全差分運放構成的運算放大電路，將單端信號轉換為差分信號進入數(shù)據(jù)采集電路。

圖5 信號調(diào)理電路

為保證系統(tǒng)的反應速度，提高數(shù)據(jù)采集精度，數(shù)據(jù)采集模塊采用AD7176-2高精度數(shù)模轉換芯片。AD7176-2是一款快速建立、高精度、高分辨率的∑-Δ型模數(shù)轉換器，適合低帶寬輸入信號。AD7176-2為24位高精度ADC，最高采樣率為150 KSPS，可以得到17個無噪聲位的完全建立數(shù)據(jù)。AD7176-2支持差分輸入或單端輸入，將0～2.5 V電壓信號轉換為數(shù)字信號。

2.3 比較輸出單元

比較輸出單元的參考信號來自DAC輸出。通過主控制器計算目標電阻的電壓值，控制DAC輸出參考電壓并與調(diào)阻過程中的電壓變化進行比較。選用比較器實現(xiàn)電壓的比較，并輸出TTL信號控制激光器。比較輸出電路如圖6所示。

圖6 比較輸出電路

數(shù)模轉換芯片采用AD5541高精度DAC，輸出電壓精度16位，保證了參考信號的高精度。比較器使用AD790，傳播延遲最大值為45 ns，輸入失調(diào)電壓為250 μV，輸入遲滯電壓500 μV，可以靈敏地識別輸入信號的微弱變化。

3 激光調(diào)阻測控系統(tǒng)軟件設計

針對激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)高速、穩(wěn)定與多任務處理的要求，引入了RT-Thread實時操作系統(tǒng)。將設備硬件驅(qū)動嵌入到系統(tǒng)中，通過多任務切換實時處理測量過程中的任務。系統(tǒng)軟件架構如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件架構

RT-Thread是一個嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，以線程調(diào)度為基本調(diào)度單位、使用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法進行任務切換[25-26]。在激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)中引入RT-Thread，將測量與控制過程中的具體任務劃分為線程，使用優(yōu)先級對線程進行實時調(diào)用，保證系統(tǒng)運行的實時性。

激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)的主要任務分為4個部分：消息處理、電阻采集參數(shù)配置、數(shù)據(jù)計算與誤差補償。系統(tǒng)通過設備驅(qū)動程序調(diào)用外圍設備執(zhí)行動作，系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 實驗與結果分析

為驗證系統(tǒng)性能，本文通過測量實驗與調(diào)阻實驗，對系統(tǒng)的測量精度、調(diào)阻效率與調(diào)阻精度進行驗證。激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)硬件測試平臺如圖9所示。

圖9 激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)硬件測試平臺

4.1 測量實驗

取激光調(diào)阻機工作區(qū)間(0.5 Ω～40 MΩ)的多組電阻值，分別對不同擋位進行測量實驗。為驗證測量精度，使用FLUKE 8508A八位半高精度萬用表的測量結果作為參考值。測量實驗結果如表1所示。

表1 測量實驗結果

由表1可知：在低阻值區(qū)間(1～100 Ω)，測量結果相對誤差小于0.2%；在標準阻值區(qū)間(100 Ω～100 kΩ)，測量結果相對誤差小于0.01%；在高阻值區(qū)間(100 kΩ～10 MΩ)，測量結果相對誤差小于0.1%。

4.2 調(diào)阻實驗

取激光調(diào)阻機工作區(qū)間(0.5 Ω～40 MΩ)的多組電阻值，分別對不同擋位進行調(diào)阻實驗。在連續(xù)調(diào)阻過程中，使用示波器采集比較器輸出波形，驗證調(diào)阻效率。調(diào)阻完成后，使用FLUKE 8508A八位半高精度萬用表測量阻值，分析驗證調(diào)阻精度。

設置示波器采樣率為40 kHz，在連續(xù)調(diào)阻過程中對比較器輸出信號進行連續(xù)采樣，比較器輸出電壓如圖10所示。

①單次調(diào)阻周期；②設置測量通道；③調(diào)阻前判斷； ④粗調(diào)；⑤精調(diào)；⑥調(diào)阻后測量。圖10 連續(xù)調(diào)阻下比較器輸出波形

由圖10可知：在單次調(diào)阻周期內(nèi)，調(diào)阻時間接近于20 ms，則在連續(xù)調(diào)阻下，調(diào)阻速度可達50個/s。

調(diào)阻實驗結果如表2所示。由表2可知：在低阻值區(qū)間(1～100 Ω)，調(diào)阻結果相對誤差小于1%；在標準阻值區(qū)間(100 Ω～100 kΩ)，調(diào)阻結果相對誤差小于0.1%；在高阻值區(qū)間(100 kΩ～10 MΩ)，調(diào)阻結果相對誤差小于2%。

表2 調(diào)阻實驗結果

5 結論

本文根據(jù)激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)的特點，對激光調(diào)阻機測控系統(tǒng)的測量與控制電路進行設計。依據(jù)開爾文測阻法搭建電阻檢測電路，實現(xiàn)對電阻值的高精度測量。通過將待調(diào)電阻與標準電阻比較，輸出TTL電平控制激光器達到精確調(diào)阻的目的。實驗表明：此種方法可以有效提高激光調(diào)阻機的調(diào)阻精度和調(diào)阻效率。