上接 【检测技术课案】直流低电阻测试仪的设计与制作(一)
3 硬件设计
3.1 硬件结构
主要的硬件结构为电源、三层板和开尔文夹，具体硬件结构见实物图3-1。
图3-1 硬件实物图
3.2 电源管理
电源电路的主要作用是，将外部输入的电源转化为内部各类原件所需的工作电压，电源电路的设计将直接影响整个设备的工作。良好的电源电路设计能为设备提供稳定的工作电源，同时也有可能简化后续电路的设计节约成本。电源电路设计不当将导致整个设备无法正常工作，也存在着烧坏电路元件的风险。
本设计中的电源模块设计思路如下：通过外接的开关电源模组将AC220V转换并经过稳压滤波输出最大15V3A的稳压电源，将电源供电分为三个部分。首先运用线性稳压器LM7812将+15V的供电电源转化为+12V的稳压电源为运放恒流源和电流检测放大器供电。然后运用两个线性稳压器CJ7805将+15V的供电电压转化为两个+5V的电压，分别为数字元件如屏幕、单片机、继电器和模拟元件如运放电路，防止数字电路与模拟电路的相互影响。为保证模数转换器ADS1115可以更加稳定的工作，运用单片机核心板上的AMS1117将+5V的电压转化为+3.3V为模数转换器供电。同时在运放所在电路供电处接入电压基准芯片REF3025为运放恒流源提供+2.5V的基准电压。具体电源电路设计见图3-2。
图3-2 电源供电电路
由于输入的电源都是正电压，为了提供运放工作所需的负电压，选用圣邦微电子SGM3204电荷泵搭建负电压电路产生-5V电压。SGM3204是开关电容式电压变换器，最大输出200mA,可用于运放放大、滤波等电路，输入+5V，输出-5V[11]。
图3-3 电荷泵负电压电路
3.3 恒流源模块设计
恒流源模块主要由电压基准、运放、MOS、开尔文夹、电流检测、电流挡位调节等几部分组成。REF3025芯片产生基准电压+2.5V输入运放同相端，当被测电阻通过开尔文夹接入电路，根据“虚短”和“虚断”[8]，得出以下结论：
V+≈V-
I+≈I-≈0
根据以上结论，流经待测电阻RL的电流大小与流经定值电阻RS的电流大小一致，通过调节基准电压或定值电阻就可以改变恒流源的电流大小。
I=Vref/Rs
通过单片机控制继电器开关，从而切换定值电阻RS，实现电流挡位的自动调节，具体恒流源模块电路见图3-4。
图3-4 恒流源电路
在恒流源电路中串联了一个5mR的电流检测电阻，电阻两端连接LT199G2电流感应放大器，该放大器的放大倍数为100倍，放大的信号经过滤波后输入A\D计算实时电流值，具体的电流检测电路见图3-5。
图3-5 电流检测电路
3.4 信号处理电路设计
信号处理电路主要由两个电压跟随器，一个差分放大器，两个同向放大器。两个电压跟随器的主要作用是将恒流源模块与电压放大模块分隔开，防止差动放大电路分走恒流源电流，对恒流源造成影响。运用一个差分放大器和两同相放大器搭建三级放大网络，将微小电压放大为较大电压输入A\D，并进行计算比较，来实现电阻阻值的计算和测量挡位的调节。具体处理电路见图3-6。
图3-6 信号处理电路
三级放大的放大倍数分别为2倍、2.5倍和10倍，通过继电器可以实现对被测电阻电压的5倍放大和50倍放大。其中三级放大器的输出通过继电器控制是否与A\D相连，根据所在不同的测量档位选择不同的采样点。
对直流低电阻的测量，要进行分档测量，由于不同挡位的放大倍数不同，需要对运放电路进行开关控制，此时需要运用继电器作为开关，来实现在不同挡位下对直流低电阻的准确测量，具体电路见图3-7。
图3-7 继电器电路
3.5 控制核心电路设计
控制核心电路的主体部分是运用STM32F103C8T6最小系统板及其部分外界电路来实现对电路的核心控制作用，接口包括串口屏、继电器控制接口、外置A\D通信接口，具体电路见图3-8。此外，设计了串口转USB通信电路实现与电脑端上位机互相通信，USB模块具体电路见图3-9。
图3-8 单片机核心电路
图3-9 串口转USB电路
4 软件设计
4.1 软件设计流程
图 4-1 软件程序结构
图4-2 软件运行流程
本系统采用C语言编程，程序结构包含任务调度、测量档位控制、电流检测、阻值计算、信息交互等子程序，如图4-1。程序运行过程中，由任务调度子程序对程序运行过程进行管理，当测量到的电压值超出或低于档位对应的范围时，自动调节档位继续测量以计算准确的阻值，计算出的值通过串口发送到屏幕进行人机交互，程序运行流程如图4-2。
测试系统设计的信息交互选用淘晶驰3.5寸T1串口屏，其交互界面如图4-3。串口屏广泛应用于工业自动化、电力、电信、公共查询与监控、智能家电、交通轨道、数据机房、充电桩、电力医疗、国防安全、共享设备等数十个行业和领域。相较于传统的使用SPI、IIC通信的0.96寸OLED或TFT屏幕，串口屏综合了以上屏幕的特点，即尺寸大、管脚少，能够充分减少占用单片机的I/O资源，且支持触摸。串口屏可作为输出设备（显示）以及输入设备（按键），开发难度小，操作简单，软件要求低且拥有专门的上位机辅助开发。
图4-3 交互界面
4.2 AD采样与计算
图4-4 ADS1115模块
图4-5 ADS1115数据手册
ADS1115是一款基于IIC通信的16位ADC，能够测量单端对地电压和差分对输入的电压，可以通过修改寄存器配置调节测量范围，其最大测量范围是0-6V。直流低电阻测试系统中，测量范围设定为0-3.3V，并采用3.3V电压供电。
软件AD采样后需要根据采样值对测试电阻阻值进行计算，计算公式如下
Res=(3300.0*adcx/2^16 )/Gain/I_monitoring (1)
式中：
Res——测试电阻阻值；
adcx——经过滤波并且已经去除误差的采样值；
Gain——增益倍数；
I_monitoring——恒流源当前的输出电流。
4.3 AD数字滤波
模拟量采样时，由于待采量本身、传感器和传输过程中的外界干扰，特别是非稳态干扰信号等因素的影响，采样值中通常含有各种周期性和非周期性的噪声和干扰。为得到稳定、准确的测量值以便实现精确控制，必须消除被测信号中的各种噪声和干扰。对于AD(analog to digital)采样滤波需要结构简单、高效、可靠的滤波算法[12]，其中算术平均值滤波[13]、加权平均值滤波[14]、中值滤波可适用。中值滤波算法最为简便，但可靠性不如前两者；算术平均值滤波较加权平均值滤波算法计算步骤少，但滤波结果可靠性不如后者。为尽可能消除噪声和带来的影响，采用滑动均值滤波与中值滤波结合。
滑动均值滤波把N点采样数据看作一个队列，队列长度固定为N，每进行一次采样，把其放人队尾，同时舍去队首数据，这样队列中始终有N个“最新”数据，如图4-6。计算滤波值时，把队列中的N个数据进行平均，得到新的滤波值。滑动平均值法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高、灵敏度低，但对非周期性的冲击干扰(如回路中有磁性负载的启停)、随机干扰抑制作用差。A/D采样处理时，若采用此方法，可使输出曲线更为平滑。
图4-6 滑动均值滤波
而后，在滑动均值滤波的基础上添加中值滤波，中值滤波，彻底排除冲击干扰，如图4-7。AD数字滤波代码详见附录三。
图4-7 中值滤波
5 调试检测
5.1 实物调试与分析
本直流低电阻自动测试仪在硬件设计完成后对PCB板进行分部调试，在硬件调试成功后及软件部分调试成功后进而对系统进行了综合调试，并对测量的结果进行分析。
测试工具
1、TH2822手持LCR数字电桥
2、五位半台式数字万用表
误差分析
对于直流低电阻测试仪的电阻示值误差根据标准JB/T7585-2013[15]进行试验，基本误差按公式(1)或公式(2)计算。
Δ=±(a%R_x+b%A_F) (2)
或 Δ=±(a%R_x+n字) (3)
式中：
Δ——被检仪器基本误差；
R_x——被测电阻读数；
a——与读数有关的误差系数；
b——与满量程有关的误差系数，数字式低电阻仪基本误差中应当b＜a/3；
n——绝对误差值；
A_F——仪器满量程限值。
5.2 线性分析
图 5 1测试值与实际值线性分析
经过分析比较，设计的检测系统线性良好。
6 误差分析与改进
硬件部分的系统误差主要由量化误差与模拟误差组成，即由转换的量化误差、放大器等的线性误差组成的量化误差及由恒流源误差、温漂及增益误差组成的模拟误差构成[2]。数据采集系统中的元器件很多，从数据采集、信号调理、模数转换、直至信号输出，要经过很多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很复杂。
总体来说数据采集系统的误差主要包括模拟电路误差、采样误差和转换误差等。模拟电路的误差主要来自放大器的误差，其非线性误差、增益误差、零电位误差都应该在计算系统误差时被考虑进去。转换器是数据采集系统中的重要部件，它的性能对整个系统起着至关重要的作用，因此它是系统中的重要误差来源。转换器的误差可以分为两部分。一是转换器的静态误差，它包括量化误差、失调误差和非线性误差。二是转换器的速度对误差的影响。另外由于要采集的电信号非常小，所以外界环境产生的干扰信号所产生的误差，也是要加以考虑的。
综上所述，系统硬件部分的误差主要包括以下几个误差源：恒流源、放大电路、转换器和外界环境等。因此，需要在设计硬件系统时特别注意消除上述的几个重要误差源。
参考文献
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