朱海洋，欧阳明星（广东松山职业技术学院 教务处，广东 韶关512126）

ARM嵌入式电阻筛选及电位器曲线测试装置设计

朱海洋，欧阳明星
（广东松山职业技术学院 教务处，广东 韶关512126）

摘要：为实现电阻筛选及电位器曲线测试，设计一种自动电阻测量装置，应用运放高输入阻抗的特点实现大阻值电阻测量时的阻抗匹配，用单电路实现O至MΩ宽范围全量程测量，通过电子开关自动切换量程，由步进电机驱动电位器测试装置测试电位器特性曲线，自动测量并在LCD显示电位器阻值随旋转角度变化曲线，使用LPC2148 ARM7控制器做主控芯片，在uC/OS-II嵌入式系统下开发应用软件，应用LPC2148内置的12bit A/D转换器进行采样转换，样机测试结果优于3 1/2万用表测量精度，适用于电子产品生产前的元件筛选分类.

关键词：自动测量；电子开关；LPC2148；嵌入式；电阻筛选；uC/OS-II

电阻是电子产品中的常见电子元器件，数量多型号杂，在进行批量生产时，电阻测量工作繁重，使用模拟电阻表测量电阻时需要手工换挡，且识读性差，准确度低，需要手工记录并统计大量测试数据，容易出错，生产效率低.数字电阻表识读便捷、使用简单，测量结果准确，且便于测试数据的保存、传输与分析，使用可编程微处理器和高分辨率的A/D转换器是一种灵活的数字电阻测量方法［1］，通过编程可以实现各种自动测试功能，并将结果存储.本文设计一种基于ARM7控制的多功能自动电阻测试仪，使用12 bit的高分辨率A/D转换器，将模拟测量信号转换成电压值测量电阻，自动转换量程，并具有电阻筛选功能，输入预设阻值及偏差范围即可自动筛选，能自动测试电位器，将电位器放置测试座由步进电机带动电位器旋转，测量电位器旋转角度与电阻值的变化曲线.

1　测量原理分析

使用分压法测量电阻原理如图1（a）所示［2］，R1为分压电阻，Rx为被测电阻，VO为Rx上采样电压，Vs为测量激励电压，由图有

图1　电阻测量原理

公式（1）中Rx'=Rx||Ri，Ri为测量器件A/D转换器输入电阻，当Rx＞＞Ri时测量结果受Ri影响较小，而当Rx＜＜Ri时测得VO几乎为A/D转换器输入电阻Ri两端电压，与Rx电阻大小无关，实际中A/D转换器的输入阻抗在数百KΩ数量级，这种方法测量MΩ级电阻时将失效［3］.

图1（b）反向比例放大电路起到缓冲隔离与阻抗变换作用，消除了测量器件的输入阻抗对被测电阻的影响，由图有

公式（4）说明对电阻Rx测量可以转换为对电压VO的测量，Rx正比于VO的变化而变化.定义|dVO/dRx|为电阻分辨率，在确定VS不变时测量Rx时，R1决定了测量分辨率，设置合适的R1值以保证测量读数准确度.

2　自动电阻测量仪研制

2.1总体框图设计

使用LPC2148作为测量装置主控制器，其为ARM7TDMI-S内核处理器，体积小，功能强，44个可用I/O口，内置USB2.0接口，IIC总线口、SPI总线口，2个ADC转换器，2个UART接口，共有512KB大容量ROM一级32KB的RAM，支持SPI 及 JTAG下载，调试方便［4］.系统组成如图2所示，经过R-V变换电路将被测电阻转换成电压，输入A/D转换器进行转换，使用CPU内置的12位A/D转换器进行电阻测量，步进电机带动电位器旋转，每旋转一个角度测量一次，经CPU计算后显示测量结果，测量电阻显示数值，测量电位器显示曲线，使用内置KSS0108控制器的128×64液晶模组作为显示器，也可以通过USB接口上传到PC机.通过UP、DONW、OK、ESC、START五个按键实现菜单式操作，控制继电器实现量程自动转换，蜂鸣器提示操作结果.

图2　系统组成图

2.2 R-V变换电路设计

如前所述，通过分析可知采用图1（b）所示电路测量电阻时设定R1即确定了量程，分辨率则主要取决于A/D变换器的转换深度.由于LPC2148的A/D换器转换深度为12 bit，设ADC的满量程电压Vref与图1（b）中激励电压VS相同的电压2 V，线性对应转换字为1～4 096，分辨率为0.48 mV/字，输入到A/D转换器VO电压范围为0.048～2 000 mV，当R1为2 KΩ时（4）式对应的测量电阻为0.48～2 KΩ，分辨率为0.48 KΩ，当测量电阻大于2 KΩ时需增大R1，小于2 KΩ电阻时减少R1则可以获得更大分辨率，令R1乘以不同倍率系数以使测量0 Ω～20 MΩ电阻时获得足够的分辨率，设10-1、100、101、102、104五个系数如公式（5）所示，分别对应

200、2K、20K、200K、20M五个量程，并设计电路如图3所示［5］.图3中Rx为被测电阻，R2～R6为乘以不同系数之后的量程电阻.图3测量电路由两级反向比例放大器构成，使用OPA2107专用仪表放大器，U4A实现R-V变换，U4B实现电平变换，使输入到A/D转换器始终为正电压.使用精度为0.05%的高精度稳压芯片REF5020产生2.048 V测量激励电压VS，同时该电压作为CPU A/D转换器的VREF参考电压.工作测仪器自动控制量程开关动作选择一个合适量程，使用TS3A4751电子开关作为量程选择开关. TS3A4751为TI公司的单电源低电压、低导通内阻四通道模拟电子开关，工作电压为3V时开关接通电阻仅为0.9 Ω，CPU从S端送出高电平到TS3A4751 INx控制端使电子开关接通，S端送出低电平时电子开关断开.

图3　电阻测量电路

2.3电位器测量装置

图4　电位器辅助测量装置

电位器测量装置原理如图4所示，由步进电机带动电位器旋转，在128×64液晶屏建立x、y坐标轴，x表示电位器角度位置，y表示电位器阻值，电位器旋转角度与测量结果分别与x、y对应，电位器输出信号直接送入A/D转换器测量，测量结果对应液晶屏幕的x、y坐标点，电位器阻值随旋转角度变化关系将在液晶屏显示一条曲线.

使用MOATECH公司的2相4线混合微型步进电机带动电位器旋转，通过联轴器将电位器手柄与电机转动轴连接，电机型号为SP-15RF-012K，其步进角为18°，工作电压为5 V，最大转速1 030 PPS，保持力矩40 gf·cm.2相4线双极性步进电机驱动原理与普通的4相步进电机略有不同，电机有B、B¯四个驱动控制端，当采用双四拍驱动时时序为，步进角为18°，使用单-双混合八拍驱动时序为，步进角为9°［6］.使用LB1836可桥接双极性芯片驱动2相 4线混合步进电机，LB1836为专用可桥接的步进电机驱动芯片，单芯片工作，无需外接任何元件，常用于微型打印机的走纸驱动，原理图如图5所示［4］.

2.4嵌入式程序设计

在LPC2148处理器移植μC/OS-II系统进行应用程序开发，具有简单可靠的特点.μC/OS-II是一个完整的、可移植的、小巧的占先式实时多任务操作系统，代码开源，能支持8～64位多达40种不同构架的微处理器，由操作系统内核提供任务调度及管理、时间管理、任务同步、通内存管理和终端服务等功能［7］. μC/OS-II系统结构可分为接口、内核、配置、应用程序，接口实现与底层CPU硬件接口，以实现操作系统启动与运行，操作内核与CPU硬件无关，配置根据不同处理硬件做相应修改以实现系统移植，配置为与操作系统与应用程序相关联关的配置信息，应用程序是用户实现的软件功能.

图5　LB1836原理图

修改OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C、OS_CPU.H文件中的参数可将μC/OS-II操作系统移植到LPC2148芯片，内核代码与处理器无关，故不作任何修改，修改OS_CFG.H、INCLUDES.H与使应用程序与操作系统关联，将应用程序划分为7个任务，通过OSTaskCreate函数创建任务，并根据执行顺序设定任务优先级，各任务名称、功能、优先级见表1，优先级数字越小优先级别越高.各任务之间使用操作系统提供的消息邮箱进行通信及同步，通过C语言指针实现，通过内核程序将消息推入邮箱，任务亦可从邮箱读取消息，通过对消息内容约定以实现应用程序功能，使用邮箱前应将OS_CFG.H中的OS_MBOX_EN常数置为1开启邮箱.

表1　任务分配表

由于μC/OS-II系统采用占先任务调度机制，优先级别为任务唯一标识，任何时候执行已就绪的优先级别最高的任务，须由硬件定时器提供每秒10～100次节拍的时间.系统任务利用消息循环处理上位机命令及键盘操作，根据不同命令执行相应的操作，由She11Task任务刷新人机交互界面，实时显示操作过程和测量结果，其他任务根据键盘及上位机命令分别执行，通过消息邮箱传输命令参数，操作系统运行过程如图6所示，电阻测量仪程序功能如图7所示.

图6　系统运行过程

图7　软件菜单结构

3　测试与结论

用1%精度的规格电阻为被测对象，使用RIGOL DM3058 5位半数字万用表进行校准.以DM3058测试结果为计算值，与本文电阻测量仪测量结果进行比较并计算相对测量误差，结果如表2所示，设定期望电阻值、误差范围之后启动电阻筛选测试，记录结果如表3所示.本文设计的电阻测量仪分200、2K、20K、200K、20M电阻，200 Ω档能获得0.048 Ω/字的最大准确度，其他量程档分辨率依次分别为0.48 Ω、4.8 Ω、48 Ω、480 Ω每字，经实测20 M档的准确度为±（0.86%读数+2字），能快速测量电位器并在液晶屏幕上显示电位器阻值随旋转角度变化曲线，该功能可用于电阻传感器的特性测试，仪器可用于生产或作为其他相关自动生产设备的配套装置.

表2　电阻表测试结果

表3　电阻筛选结果

参考文献：

［1］徐梅.基于51单片机的自动电阻测试仪设计［J］，安徽理工大学学报：自然科学版，2011（4）：18-21.

［2］张玉健，张江伟.自动电阻测试仪的设计及其误差处理［J］，电子测量技术，2012，35（3）:87-89，111.

［3］白雪冰，宋文龙.电阻测量方法的研究［J］.自动化仪表，2006，27（8）：58-60.

［4］朱海洋，欧阳明星.基于LPC2148的手持式热敏条码打印机研制［J］.电子技术应用，2009，35（8）：105-107.

［5］童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社2005.

［6］王灿，马瑞卿，李玲娟.二相混合式步进电机驱动控制系统设计［J］.电机与控制应用，2006，33（10）：11-13.

［7］肖鹏，赖万昌，花永涛.基于ARM的多道核信号采集系统［J］.核电子学与探测技术，2007，27（5）：941-943.

（责任编辑：李婉）

中图分类号：TM02

文献标识码：A

文章编号：1OO7-5348（2O15）12-OO19-O5

［收稿日期］2015-10-28

［基金项目］2013年韶关市科技计划项目（2013CK/K216）.

［作者简介］朱海洋（1978-），男，内蒙古赤峰人，广东松山职业技术学院教务处副教授，硕士；研究方向：计算机控制技术及其应用.

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