摘 ?要：文章對微電阻測量的開關(guān)導(dǎo)通耐久測試儀進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。為達(dá)到對微小電阻的精度測量，采用恒流源技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，穩(wěn)定地提取出信號;通過信號放大、信號采集及A/D 轉(zhuǎn)換顯示結(jié)果。利用四線測量法，在測量導(dǎo)線電阻不相等的情況保證測量精度，四線法技術(shù)消除接觸電阻，減少測量誤差，提高測量精度;使用A/D轉(zhuǎn)換方式將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，采用ICL7135轉(zhuǎn)換器保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可靠性和穩(wěn)定性;使用STM32F103RBT6微控制器進(jìn)行運(yùn)算及后續(xù)通信傳輸處理，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性。

關(guān)鍵詞：微電阻;開關(guān)導(dǎo)通;高精度

中圖分類號：TP368 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0050-04

Research on Switch Conduction Durability Tester Based On

Microresistance Measurement

KANG Kai

（Liaoning Institute of Science and Engineering， Jinzhou ?121007， China）

Abstract： This paper designs and studies the switch conduction durability tester of microresistance measurement. To achieve the precision measurement of the microresistance， it uses continuous current source technology to expand， extracts the signal stably. Through signal amplification， signal acquisition and A/D conversion， the results are displayed. Using the four-line measurement method， it ensures the measurement accuracy when the measurement wire resistance is unequal. The four-line method technology eliminates the contact resistance，it can reduce the measurement error and improve the measurement accuracy. The analog signal is converted to digital signal by using the A/D conversion mode， and it uses the ICL7135 converter， to ensure the reliability and stability of the data transformation. It uses the STM32F103RBT6 microcontroller for the operation and subsequent communication transmission processing， which ensures the stability and real-time performance of the system.

Keywords： microresistance; switch conduction; high accuracy

0 ?引 ?言

按鍵在電氣設(shè)備中常作為開關(guān)使用，通過按壓控制觸點(diǎn)的閉合，從而使電路導(dǎo)通。然而，隨著現(xiàn)在電子產(chǎn)品的技術(shù)性和復(fù)雜化程度的提高，按鍵的職能與作用也發(fā)生了很大的變化。在電氣類設(shè)備按鍵工作時，按壓過程中不可避免地產(chǎn)生的電子噪聲，容易造成精密的電子模塊工作不穩(wěn)定甚至失靈。按鍵在按壓過程中電壓的變化可以通過電阻的變化準(zhǔn)確地反映出來，所以可以通過測試電氣類按鍵在按壓過程中的電阻變化來反映其壽命的長短。每個按鍵都存在一個特定的壓力曲線，可以通過曲線的波峰值和波谷值判斷按鍵是否為合格品。

電路中的接觸電阻是導(dǎo)電通路中主要的微小電阻。接觸電阻是兩個緊密連接的結(jié)點(diǎn)對流過的電流的阻礙，而且接觸電阻是評價(jià)電子元件的連接性能和可靠性能的重要依據(jù)。由于接觸電阻的存在，會增加導(dǎo)體在通電時的損耗，使接觸部位的溫度升高，電阻值的大小將直接影響回路工作時的載流能力。因此，接觸電阻數(shù)值的大小是進(jìn)行回路檢修、質(zhì)量驗(yàn)收的重要數(shù)據(jù)。

微小電阻測量方法的研究近年來發(fā)展得比較快，微小電阻多采用微歐儀進(jìn)行測量，微歐儀的電流較大，一般為100 A～200 A，可看成具有較大的電流恒流源，采用大電流變壓器與高頻開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)較大的恒流效果。但是對微小電阻進(jìn)行測試時，較大的電流和較長的測試時間可能會提高電阻的溫度，從而降低測量精度;而且這些測量儀器重量和體積都較大，不便于攜帶，成本相對也比較高。因此，高精度微電阻測試儀的研究設(shè)計(jì)是十分必要的。

1 ?研究方法

通過測試開關(guān)在機(jī)械觸發(fā)按鍵閉合運(yùn)動時，在有負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)—電壓/電流/電阻的采集、信號調(diào)理、運(yùn)算并進(jìn)行現(xiàn)場顯示，同時將技術(shù)指標(biāo)通過有線方式（RS485）傳輸?shù)絇C端數(shù)據(jù)庫中，來實(shí)現(xiàn)“高精度的微電阻測試”和“開關(guān)導(dǎo)通耐久測試”的功能，具體研究方法有：

（1）采用可編程電壓源調(diào)節(jié)負(fù)載的電源;可編程直流電子負(fù)載與開關(guān)串聯(lián)來控制使用的電流，可編程直流電子負(fù)載運(yùn)行于CC模式作為恒流源提供恒定電路電流，提高測量精度。

（2）采用的是四線法測試方案，電壓測量端不與恒流源直接連接，而是直接連到待測電阻兩側(cè)，微小電阻值測量準(zhǔn)確度較高。

（3）針對高精度A/D采集、轉(zhuǎn)換的電阻信號，由于其微小，在送MCU處理之前要進(jìn)行微小信號調(diào)理，以便供MCU運(yùn)算處理。通過多路開關(guān)電阻采集的實(shí)時性，采用MCU上運(yùn)行嵌入式OS，基于多線程技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)。

2 ?研究設(shè)計(jì)方案

2.1 ?總體結(jié)構(gòu)

本測試儀通過對電流、電壓、電阻信號的采集、調(diào)理、放大、A/D轉(zhuǎn)換及運(yùn)算，達(dá)到對微電阻進(jìn)行快速測量的目的。測試儀總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 ?系統(tǒng)電子電氣設(shè)計(jì)方案

“開關(guān)導(dǎo)通耐久測試儀”的系統(tǒng)智能控制電子電氣部分的主要功能：當(dāng)機(jī)械觸發(fā)開關(guān)閉合運(yùn)動時，在有直流電子負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行8路開關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)—電壓/電流/電阻的采集、信號調(diào)理、運(yùn)算并進(jìn)行現(xiàn)場顯示，同時將技術(shù)指標(biāo)通過有線方式（RS485）傳輸?shù)絇C端上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中，電子電氣部分設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)電子電氣設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)電子電氣部分主要由上位機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊、電源/恒流源模塊、采集調(diào)理模塊、下位機(jī)控制器、聲光電報(bào)警模塊、繼電器控制模塊、保護(hù)模塊等功能單元所組成。

2.2.1 ?電源/恒流源模塊

負(fù)載部分采用電源、電流分別控制?？删幊屉妷涸凑{(diào)節(jié)負(fù)載的電源;可編程直流電子負(fù)載與開關(guān)串聯(lián)來控制使用的電流，可編程直流電子負(fù)載運(yùn)行于CC模式作為恒流源提供恒定電路電流。該模塊使用到的設(shè)備如圖3、圖4所示。

2.2.2 ?采集調(diào)理模塊

采集調(diào)理模塊主要包括：高精度A/D采集、轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理電路。測試單元最小的精度已經(jīng)小于1歐姆，在導(dǎo)線中的接觸電阻已經(jīng)能給測量帶來不準(zhǔn)確性，故不適于普通的伏安法來進(jìn)行檢測，采用的是四端法測試方案（也稱開爾文法），電流和電壓分開單獨(dú)通路測量，消除接觸電阻，專用于微小電阻值測量。其測量原理如圖5、圖6所示。

圖3 ?可編程直流電源

圖4 ?可編程直流電子負(fù)載

圖5 ?開爾文法測量示意圖

圖6 ?開爾文法測量電路原理圖

針對精確的微小電阻信號測量，A/D轉(zhuǎn)換電路是將電壓的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，微處理器根據(jù)收到的電壓值來計(jì)算被測電阻的電阻值。為達(dá)到自動量程的切換、高分辨率等需求，選用ICL7135A/D轉(zhuǎn)換器，具有自動調(diào)零、自動極性和超量程判別等功能，而且具有輸入阻抗高、抗干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn);當(dāng)輸入為零的時候，輸出零點(diǎn)穩(wěn)定無漂移。單極性信號輸入時，ICL7135能提供±20 000的計(jì)數(shù)分辨率。如果將參考電壓設(shè)置為1 V，±2.000 0 V的精度測量中，ICL7135的精度高達(dá)±0.000 1 V。另外，它采用單基準(zhǔn)電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)雙極性輸入模擬電壓的轉(zhuǎn)換，模擬輸入電壓的范圍0～±1.999 9 V。轉(zhuǎn)換結(jié)果BCD碼的輸出形式有并行和串行兩種形式，方便與微處理器連接。

針對高精度A/D采集、轉(zhuǎn)換的電阻信號，由于其微小，在送MCU處理之前要進(jìn)行微小信號調(diào)理，以便供MCU運(yùn)算處理。

2.2.3 ?信號控制器

信號調(diào)理后的電阻信號送控制器進(jìn)行運(yùn)算以及后續(xù)通信傳輸處理。考慮到系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且要完成較多的功能，要求系統(tǒng)要有較好的穩(wěn)定性、較高的性價(jià)比和實(shí)時性，因此選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的微控制器STM32F103RBT6，該控制器的增強(qiáng)型單片機(jī)使用的是高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是32位的精簡指令集微處理器（RISC）。

2.2.4 ?聲光電報(bào)警模塊

開發(fā)設(shè)計(jì)了聲光電報(bào)警電路以便當(dāng)測試開關(guān)的電阻、電壓超限時觸發(fā)報(bào)警。聲光電報(bào)警模塊采用的是ISD1700系列錄放芯片，該芯片的采樣率可在4 K～12 K區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可以實(shí)現(xiàn)多段錄音，供電范圍2.4 V～5.5 V之間。另外ISD1700能完成新錄音的提示，當(dāng)有新的聲音錄制時，LED會每隔幾秒閃爍一次來提示用戶。此外還存有4種音效用以提示用戶的操作結(jié)果，如開始錄音、停止錄音、擦除、下一曲和全部擦除等。錄音數(shù)據(jù)全部無壓縮地存儲在芯片的FLASH內(nèi)，因此有更好的音質(zhì)和斷電存儲。芯片中有話筒輸入與模擬信號輸入兩路獨(dú)立的語音信號輸入通道。用戶可在SPI模式下可以對芯片進(jìn)行更多的功能操作。如可以對模擬通道配置寄存器進(jìn)行讀寫，對任意存儲地址進(jìn)行錄放等。

2.2.5 ?保護(hù)模塊

在電力系統(tǒng)測量中，對于測量電路的保護(hù)是常規(guī)的技術(shù)手段，這里采用MOS管配合繼電器專門的吸收電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，如圖7所示。

圖7 ?保護(hù)模塊電路原理圖

具體為：

（1）當(dāng)系統(tǒng)流過的電流超過限定值時，通過繼電器吸合強(qiáng)行使輸出控制電壓接地，從而限定場效管的開度。當(dāng)電壓過高時M358輸出小于12 V，此時二極管導(dǎo)通后三極管導(dǎo)通，進(jìn)而MOS管接地從而起到保護(hù)作用。

（2）當(dāng)系統(tǒng)電壓超過限定值時，電流過高時M358輸出小于12 V，此時二極管導(dǎo)通后三極管導(dǎo)通，進(jìn)而MOS管直接接地從而起到限流作用。

（3）過熱保護(hù)，系統(tǒng)采用熱敏電阻來實(shí)時監(jiān)測場效應(yīng)管的溫度變化情況，當(dāng)溫度超過預(yù)定值時，電路將被自動斷開。

3 ?軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件包括兩大部分：控制器嵌入式軟件和電腦端PC軟件。

微控制器主板嵌入式軟件使用嵌入式C語言，基于IAR或者M(jìn)DK集成開發(fā)環(huán)境。為了提高多路開關(guān)電阻采集的實(shí)時性，并考慮系統(tǒng)擴(kuò)展，采用MCU上運(yùn)行嵌入式OS，基于多線程技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)。

電腦端PC軟件采用VC++語言在Microsoft Visual C++ 6.0 集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編寫代碼，主要功能是對開關(guān)電流值、電壓值進(jìn)行設(shè)置，控制測量設(shè)備對開關(guān)進(jìn)行輸出相關(guān)設(shè)定參數(shù)，并對開關(guān)接觸電阻進(jìn)行計(jì)算。采用工業(yè)顯示ActiveX控件、SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)、串口通信技術(shù)、外設(shè)驅(qū)動技術(shù)（報(bào)表打印機(jī)）等，然后編譯成可執(zhí)行exe文件，運(yùn)行裝有Windows XP/WIN7等32位操作系統(tǒng)的電腦或者工控機(jī)上。

4 ?結(jié) ?論

本測試儀可進(jìn)行電壓、電流、電阻信號的精確采集、調(diào)理以及處理，并研究設(shè)計(jì)上限報(bào)警模塊，保護(hù)測量電路，電阻測量范圍：0.1 Ω～5 Ω;可測量各種線圈的電阻、開關(guān)、插頭等儀器的接觸電阻，具有性價(jià)比高、速度快、成本低、精度高、測量范圍廣等特點(diǎn)，有一定的使用價(jià)值。

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作者簡介：康凱（1980—），女，漢族，遼寧錦州人，副教授，碩士研究生，研究方向：機(jī)械、汽車制造與服務(wù)。