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(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072；2.中國人民解放軍63612部隊)

引 言

電阻測量在電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測、電子設(shè)備維修以及新產(chǎn)品的開發(fā)等領(lǐng)域具有重要意義[1]。而對于常見電阻的測量電路，小電阻的測量[2-4]和利用微電流[5-6]測量高阻值的電阻都已經(jīng)有部分研究成果，但大部分都采用分立測量的方式[2-9]。測量方法比較局限，電路干擾因素過多,很難通過電路自身排除導(dǎo)致測量精度不高的因素，難以達到諸多領(lǐng)域的要求。針對以上問題，系統(tǒng)設(shè)計時結(jié)合實際需求，基于一階RC電路電容充放電理論，通過STM8單片機定時器和I/O中斷系統(tǒng)，記錄RC電路電容充放電時間，根據(jù)充放電時間計算得出電阻值，然后對測量結(jié)果進行平滑濾波處理提高測量精度。平滑濾波在數(shù)字信號處理領(lǐng)域中占有重要地位，系統(tǒng)采用的主要算法是改進的平滑濾波。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過改進的平滑濾波算法處理，測量結(jié)果精度明顯提高，并且穩(wěn)定性良好。利用串口將測量結(jié)果實時傳遞給上位機，便于觀測和調(diào)試，在測量類似于溫度等實時性要求比較高的領(lǐng)域中具有重要意義。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計

1.1 主控電路

如圖1所示，為提高測量系統(tǒng)的測量效率，特設(shè)置了兩個相同的測量模塊，可同時進行兩路電阻的測量。主控電路包含單片機最小系統(tǒng)STM8S103F3P6和LED燈D2，D2用來指示系統(tǒng)工作狀態(tài)；端口PC3、PA3設(shè)置為輸出模式，輸出高電平時為RC電路充電，輸出低電平時RC電路放電；引腳PC6、PC7設(shè)置I/O上升沿中斷，分別采集兩路RC電路中電容兩端的電壓，當電容電壓達到單片機I/O能識別的高電平電壓時，PC6～PC7的I/O端口產(chǎn)生中斷，此時從定時器讀出充電時間；PA1、PA2、PD2、PD3端口分別控制兩路RC電路測電阻的檔位，當選擇默認檔位時，均設(shè)置為輸出高阻態(tài)，使用該檔位時，對應(yīng)端口設(shè)置輸出低。各引腳設(shè)置狀態(tài)如表1所列。

圖1 主控電路

I/O端口名稱設(shè)置模式中斷觸發(fā)方式PC6、PC7輸入模式、允許中斷上升沿觸發(fā)PA3、PC3快速強推輸出低無PA1、PA2PD2、PD3快速開漏輸出高阻態(tài)(當選擇相應(yīng)的檔位時設(shè)置為快速強推輸出低)無

圖2為系統(tǒng)電壓模塊，系統(tǒng)由USB提供5 V電壓，但單片機工作電壓為3.3 V。采用AMS1117-3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片為單片機提供3.3 V電壓。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換模塊

1.2 RC電路測量模塊

RC電路時間常數(shù)為：

τ=RC

(1)

充電時間函數(shù)為：

(2)

由式(2)可知，當電容兩端電壓VC和電源電壓Vs一定時，電容充電時間只與時間常數(shù)τ有關(guān)。在本系統(tǒng)中，電容兩端電壓Vc是單片機I/O口能觸發(fā)中斷的電壓值，Vc和Vs均由單片機I/O接口直接供電。由圖1和圖3可知，本系統(tǒng)RC電路源電壓Vs由單片機I/O接口PC3/PA3供電，如圖3所示，當I/O接口拉高時，電容開始充電，此時打開定時器開始計時，電容兩端電壓達到I/O能識別的高電平時發(fā)生中斷，獲取充電時間值；當I/O接口拉低時，電容開始放電，放電完成后再進行下一次充電。由式(1)可知，電阻阻值與時間常數(shù)成正比，阻值越大時間常數(shù)越大，充電時間越長，電容越小，充電時間越短，為確保寬量程條件下的響應(yīng)速度，根據(jù)電容大小設(shè)置了不同的測量檔位，既擴大了測量量程，又保證了測量速度。如圖3所示，J2、J3外接測量電阻 C1、C11和C2、C22分別代表兩路測量系統(tǒng)中的兩個檔位，相應(yīng)I/O端口輸出低時，代表接通不同的測量檔位。因兩路測量系統(tǒng)完全一樣，檔位說明以第一路測量系統(tǒng)為例，如表2所列。

圖3 RC電路測量模塊

電容選擇測量范圍/ΩC5:1×107pF20～2kC7:1×105pF2k～200kC8:1×103pF200k～20M

2 改進平滑濾波算法實現(xiàn)

平滑濾波是根據(jù)某一時間區(qū)間的測量值來估計狀態(tài)值。從原理上說，平滑濾波的估計精度是比較高的，因為它幾乎利用了所有的量測信息[11]。常見的平滑濾波方法有固定區(qū)間平滑濾波和固定點平滑濾波[12]。固定區(qū)間平滑濾波依據(jù)一定時間內(nèi)的觀測值來預(yù)測當前系統(tǒng)值，具有信息利用率高、估計結(jié)果準確的優(yōu)點，但計算量大、運算時間較長。固定點平滑濾波算法是依據(jù)當前點預(yù)測值對上一個固定點預(yù)測值進行修正，從而減少了數(shù)據(jù)處理的運算量。

本系統(tǒng)算法結(jié)合固定區(qū)間平滑濾波和固定點平滑濾波，以當前時刻以前幾個值的中心值作為當前值可靠性的判斷依據(jù)，以當前值的可靠性來決定數(shù)據(jù)是否能作為判斷下一個數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的依據(jù)，以此不斷對依據(jù)值進行修正，該算法既保留了固定區(qū)間平滑濾波估計值的準確性，又有固定點平滑濾波的計算速度。經(jīng)過濾波處理的最終數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機。

圖4 一級處理函數(shù)流程

在算法實現(xiàn)過程中，運用冒泡次數(shù)來判斷數(shù)據(jù)的趨勢，進而對數(shù)據(jù)處理精度作出調(diào)整，減少了測量過程中的無效等待時間，在保證測量精度的基礎(chǔ)上提高了實時性。在算法設(shè)計過程中充分考慮到其擴展性能及優(yōu)化性能，第二級濾波函數(shù)在第一級濾波處理得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，再進行一次平滑濾波，測量結(jié)果精度能達到更高，但不足之處是濾波處理調(diào)用次數(shù)越高，計算時間就越長。因此在算法設(shè)計時要考慮實際應(yīng)用場景，合理調(diào)用濾波函數(shù)。二級濾波原理與一級濾波原理相同，在此不再贅述。具體算法流程圖見圖4～圖6。

圖5 一級預(yù)測值獲取流程

3 實驗結(jié)果分析

實驗過程分析以2 kΩ電阻為準，其他見測量結(jié)果。

3.1 測試實驗結(jié)果

圖7～圖9分別為采用改進平滑濾波算法后測試、普通平滑濾波算法測試和不加平滑濾波算法上位機顯示結(jié)果。對比可知，改進后的平滑濾波算法明顯提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度和精度。

3.2 精度分析

由表3可知，當使用平滑濾波算法后測量精度最高能達到0.05%。

圖6 一級濾波處理函數(shù)

圖7 改進平滑濾波后測試結(jié)果

圖8 普通平滑濾波結(jié)果

圖9 不加平滑濾波算法結(jié)果

待測電阻/Ω平滑濾波測量結(jié)果/Ω平滑濾波測量精度198.2200.21.00%2.01k2.0134k0.17%19.8k19.899k0.50%15.8M15.652M0.94%199k198.99k0.05%

結(jié) 語