小电阻精确测量系统设计

1、毕业设计（论文） 题题 目：目：小电阻精确测量系统设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 指导教师： 毕业设计（论文）时间：二一年三月一 日六月二十 日 共十六 周 摘 要 在电路测试过程中常常会碰到由于忽略某些小电阻的影响引起实验数据与 理论值之间存在较大误差的情况，从而影响测试效果。例如电感器、变压器中 往往存在铜电阻，地铁铁轨的电阻，扬声器连接线的电阻，过电流保护电路中 的检测电阻等。所以测量这些小电阻是电子测量中的一个常见课题。 由于小电阻数值较小，一般的指针万用表无法测量出来；通常实验室里会 用电桥进行测量，但电桥操作手续较烦，又不能直接读出被测电阻阻值

2、。鉴于 此，我们采用了 MSP430F149 单片机作为控制核心，利用单片机的优势设计了 该测量系统。该测量系统可直接从 LED 数码管上读出所测得的电阻值，测量范 围从几 m 到 1 之间，同时可以把测试的数据进行储存，然后经串行口送入 上位机，通过上位机的强大功能，可以对所测得的数据进行分析、处理。该测 试仪的测量精度高达0.05%，并采用四端测量法，电阻值不受引线长短及接触 电阻的影响。不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率也高于一般电桥。 可用于实验室、研究所，尤其适用于工作现场。 关键词: 四端测量法，小电阻，恒流源，MSP430 系列单片机 Abstract In the ci

3、rcuit the testing process often encountered little resistance as the impact of neglect caused by some experimental data with large error between the theoretical value, and thereby affect the testing results. For example, inductors, transformers, there is often copper resistance, the resistance of th

4、e MTR tracks, the speaker cables resistance, over-current protection circuit in the detection of resistance and so on. Therefore, measuring the small resistance is a common electronic measurement topic. As the low resistance value smaller pointer multimeter to measure the general out; usually will p

5、ower the laboratory to measure the bridge, but bridge over trouble operating procedures, can not directly read the measured resistances. In view of this, we use a MSP430F149 microcontroller as the control, using of the advantages of single chip design of the measurement system. The measuring system

6、can control directly from the LED digital read out the measured resistance value, measuring range from a few m between1, while the test data can be stored, and then into the PC via serial port, through the PCs power, can be measured by the analysis of the data, processing. The testers measurement ac

7、curacy up to 0.05%, and the use of four-terminal measurement, the resistance from lead length and contact resistance. Measured not only simple, intuitive readings, and measurement accuracy, resolution is also higher than the bridge. It can be used in laboratories, research institutes, especially sui

8、table for the work site. Keywords: Four-terminal measurement，Little resistance; MSP430 MCU，Constant current source 目 录 摘 要.I Abstract.II 目 录.III 引 言.1 1.1 前述.1 1.2 小电阻测量技术的发展.1 第一章 方案的分析与论证.3 第二章 硬件电路的设计.5 2.1 总体设计.5 2.2 单元电路的设计.5 2.2.1 电压源.5 2.2.2 恒流源.7 2.2.3 信号放大.8 2.2.4 单片机.10 2.2.5 LED 显示.14 2.2

9、.6 串口通信.16 2.2.7 键盘.17 2.2.8 存储模块.17 2.2.9 单片机复位.18 第三章 系统软件设计.20 3.1 软件开发平台简介.20 3.2 程序流程图.20 3.2.1 系统主程序.20 3.2.2 A/D 转换模块.22 3.2.3 串口通信模块.22 3.2.4 键盘模块.23 3.2.5.显示模块.26 3.2.6 数据处理程序.27 第四章 系统误差分析.29 4.1 数据采集误差分析.29 4.2 系统误差的减小与消除.29 总结.31 参考文献.32 致谢.33 附录.34 引 言 1.1 前述 小电阻在各种电器设备中随处可见，像电力电缆、通讯电缆、

10、断路器、继 电器、电机和变压器等设备的接触电阻，通常为毫欧姆数量级。这些电阻阻值 较小，本身就不易测量，另外，温度的变化也会影响电阻的阻值，当测量时间 过长、电源供电太久都有可能造成所测的电阻值随着温度的增加而偏高，这些 情况在实际应用中都有可能造成很大的偏差，从而影响实验结果。所以微小电 阻的测量是电子测量中的一个常见课题，有时具有十分重要的意义。在本设计 中采用四端测量法有效地减少了测试线引线电阻和接触电阻的影响，同时采用 高精度、低噪声的测量放大器和自带 12 位模数转换器的单片机系统，有效地 减少了测量误差，提高了测量精度。 1.2 小电阻测量技术的发展 近年来国内外多依靠使用超高精度

11、、超高速的精密恒流源和精密放大器来 提高改善测量系统的功能。小电阻测量技术的发展状况如下： 日本学者 Isao Minowa 提出用超导量子器件测量微小电阻，H. Aichi 提出利 用电解槽法测量微小电阻，波兰学者 Jerzy Kaczmarek 提出用三次谐波法测量微 小电阻。这些方法一般是在实验室条件下进行研究所采用的方法。 在实际工程应用中，比较传统的方法是采用直流双臂电桥法来测量回路的 电阻。但是，当采用双臂电桥进行导电回路的电阻的测量时，由于双臂电桥回 路通过的是只有几个安培的微弱电流，对设备要求很高。而在大电流或正常电 流通过时，会使过渡发热而产生温升。对此，GB763-90,

12、DL405-91 等标准规定： 测试采用直流电压降法时，通入的电流应尽量大些。 小电阻智能化测试仪近些年发展比较快。国内己有许多家公司开发出各类 产品。例如一些公司生产的微欧仪，要求具有较大的电流恒流源。采用高频开 关电源和大电流变压器实现大电流的恒流效果。但这些测试仪测试电流较大， 测试时间长，因此对被测电阻有温升的影响，降低测 量的精度。而且这些测量仪器一般体积和重量都较大，现场携带不方便， 其成本也相对较高。 河北工业大学的李奎等人提出了脉冲电流（矩形脉冲，宽度为 300us，幅 值可达 100A）测量微小电阻的原理，采用了较大脉冲电流测量微小电阻，提高 了测量精度。河北工大电器研究所的

13、刘帼巾等人也提出了采用脉冲大电流测量 微小电阻，使用的也是方波脉冲，并且同时提出该方法只是针对测体为无感性 和无容性的纯电阻元件。 通过对回路微小电阻理论和测试方法的分析和研究，总结出微小电阻测试 仪发展的趋势有如下三点：(1)微型化，即体积和重量都很小，以便于携带。(2) 精确化、稳定化，由于接触电阻很小，因此测量的精度和稳定度显得尤为重要。 (3)智能化，测量范围可选择、电流和测试电阻可用 LED 显示、可与计算机接 口。 第一章 方案的分析与论证 通常我们所涉及的微小电阻主要为接线电阻和接触电阻。所谓接触电阻是 指两个接触元件在接触部位产生的电阻。影响接触电阻的主要因素有两个方面： 膜电

14、阻和收缩电阻，而膜电阻和收缩电阻又分别受材料内部温度、材料的电阻 率、材料的弹塑形性能、表面化学性能及接触压力等诸多因素的影响。我们可 用细纱布仔细打磨材料到出现光泽且随后立即测量，所以对于影响膜电阻的诸 多因素我们不予考虑，也就是认为在打磨后，表面膜将彻底被破坏，从而使膜 电阻的影响为零。但不管接触表面如何光滑，从微观上看总是凹凸不平的。因 此，当两个元件接触时，实际的接触面积要比理论接触面积小，当有电流由一 个元件流向另一个元件时，在接触点或接触面处，电流都将受到约束，产生障 碍。我们发现，接触电阻的影响是客观存在的，特别是在精密测量中影响很大。 通过理论分析与实验验证知道接触压力是影响接

15、触电阻的最重要因素，所以我 们完全可以采取一定的措施减小它的影响。 在传统的电阻测量方法中，双臂电桥法是比较经典的一种。直流双臂电桥 又称凯尔文电桥，主要用于测量低值电阻。由于电源回路使用的一些电阻和待 测电阻的阻值比较小，电路容易发热，会使电路中电阻值增大，造成测量值变 化不定。因此，在实际测量低阻时，需要尽量缩短实验操作的时间。双臂电桥 法测电阻的特点是能消除接线电阻及接触电阻所造成的误差，大大减小接触电 阻的影响，提高了测量的精度。但由于测量回路通过的是只有几个安培的微弱 电流，难以消除电阻较大的氧化膜，测出的电阻值偏大。 由于本系统要实现对毫欧级的小电阻的测量，同时精度要达到 0.05

16、%，能 够消除引线对测量数值的影响，所以在设计本系统时必须要有以下四个关键技 术：精密恒流源、高性能测量放大器、高精度 A/ D 转换器和四端测量法。 A/D 转换器的位数决定了电压的分辨率。MSP430F149 单片机自带 ADC12 器件，该器件可将模拟信号转化为 12 位的数字信号，精度可达到万分之一， 采样速度完全能够满足采样转换的要求，同时省去元件的数目并降低系统成本， 简单好用，这也是选择该款单片机的原因之一。该 ADC12 提供四种转换模式： 单通道单次转换，序列通道单次转换，单通道多次转换，序列通道多次转换。 考虑到系统只有一路采集，故本系统采用单通道单次转换，即程序每次对 A

17、n 通道进行单次转换，A/D 转换结束后产生中断处理，将数据保存后开始新一轮 转换。 要消除引线对测量数值的影响，可采用四端测量法。所谓的四端测量法是 将恒流源电流流入被测电阻 Rx 的两根电流线和电压测量端的两根电压线分离 开，使得电压测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压。 图1-1 四端测量法 如图 1-1，a、b 之间为被测电阻的实际值，c1、c2 为电流端，p1、p2 为电 压端，采用了这种四端接线法可以有效的消除接触电阻与连线电阻的影响，由 于电压测量端与恒流源端断开，恒流源与被测电阻 Rx、馈线 c1、c2 构成一个 回路。送至电压测量端的电压只有 Rx 两端的电压，馈线 c1、

18、c2 电压没有送至 电压测量端。因此，馈线电阻 R1 和 R2 对测量结果没有影响。馈线电阻 Ra 和 Rb 对测量有影响，但影响很小，由于测试回路的输入阻抗（M 级）远大 于馈线电阻（ 级），所以四端测量法测量小电阻的准确度很高。 第二章 硬件电路的设计 2.1 总体设计 本系统以 TI 公司生产的 MSP430F149 单片机为控制核心在被测电阻 Rx 上通过已知恒定电流，取出被测电阻上的压降，经放大器放大转换为 0V3V 的直流电压，然后送入单片机自带的 ADC12 进行 A/D 转换，经单片机后通过 LED 数码管显示被测电阻阻值。该系统通过串口可与 PC 机通信，借助 PC 机 强大

19、的数据处理能力对其所测得的数据进行处理，完成所得数据的分析功能。 本次设计从电阻的精确测量和智能化着手，符合未来发展趋势。设计的硬 件电路包括电源模块、恒流源模块、电压放大模块、单片机模块、LED 显示模 块、键盘输入模块、存储模块以及上位机串行通信模块等。 下图即为系统的组成原理框图。 单 片 机 恒流源 电压放大 模块 A/D 转换 模块 键盘 输入 LED 显示 模块 电源模块 PC 机 存储 图2-1 测量系统整体结构图 2.2 单元电路的设计 2.2.1 电压源 本系统所用直流电由三种集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。由 于在系统中恒流源需要 12V 电压供电，MAX495 需

20、要 5V 电压供电，MSP430 系列单片机需采用 3.3V 供电，考虑到硬件系统对电源要求具有稳压、低功耗和 纹波小等特点，因此该硬件系统的电源电压分别采用三端稳压集成电路 7812、7805 以及 TI 公司出产的 TPS76033 芯片来实现。15V 的交流电在整流之 后采用了大容量的电解电容 C6、C7、C8 进行滤波，以减小输出电压纹波。但 由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能 抑制，因此在整流电路后面加入高频电容 C1、C3、C4 可以进一步改善纹波， 抑制瞬态噪声干扰。这些电容应该选用频率特性好的陶瓷电容，通过电容滤波 可以提高稳压器的稳定性。 由

21、于该三种芯片能很好的满足该硬件系统的要求，另外该类芯片具有很小 的封装，因此能有效节约 PCB 板的面积。为了使输出电源纹波小，在输出部分 用了一个 4.7uF 的电容，另外在芯片的输入端也放置一个 0.1uF 的滤波电容， 减小输入端受到的干扰。 图2-2 电压源电路 用 78xx 系列三端稳压器来组成稳压电源稳压精度高、所需的外围元件极 少、体积小、重量轻，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起 来可靠、方便，而且价格比较便宜，一般采用 TO- 220 的标准封装，其外形如 下图： 图2-3 78xx三端稳压器 TPS76033 是一种低功耗、低压降的稳压器，具有热保护功能，关闭

22、状态静 态电流仅为 1A。其引脚图如下： 图 2-4 TPS76033 2.2.2 恒流源 图2-5 恒流源电路 如图 2-5，该图所示的为采用 LM317 构成的输出电流为 1A 的恒流源，其中 电阻 Rm 可以设定，在此假设 Rm 取 1.25 欧。因为 LM317 稳定的基准电压 （即引脚 ADJ、Vout 之间的电压）为 1.25V，故在 Rm 上会产生 1A 电流，这 个电流全部流过负载，所以可认为流过负载的是 1A 的恒定电流。输入电容 C23 用于抑制纹波电压，由于这种集成稳压器有很好的电压调整率，负载上电 压的变化，由 LM317 输入输出的差值作为补偿，所以只要输入电压足够高

23、， 即使负载变化较大，也能提供理想的恒定电流。 LM317 作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛 的集成稳压块，它的输出电流范围为 10mA 到 1.5A，具有输出电压可变、输出 波纹小、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。它有 3 个输出端，即电压 输入端、电压输出端和调节端，没有公共接地端。 图2-6 LM317 2.2.3 信号放大 信号放大器通常是采用测量放大器，对于高精度弱信号的检测，一般用二 级放大器：第一级采用测量放大器，以提高输入通道的共模抑制比；第二级为 运算放大器，以将第一级的输出信号放大至满足 A/D 转换所要求的输入电压变 换范围。 同样，要实现

24、对微小电阻的测量，则要求放大器的分辨率高(高潮达 10V)， 线性度好，输入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强，为此我们 设计了如下图信号处理电路所示的差动放大器。此放大器由运放 A2、A3 组成 第一级差分式电路，A4 组成第二级差分式电路，R8、R9、RW2 组成反馈网络, 引入了深度电压串联负反馈，故有较高的输入阻抗，且 A2、A3 都选同相端作 为输入端，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再经过 A4 组成的差 分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压； A5 是电压反向跟随器，其作用是使前后级隔离。 图2-7 信号放大电路 分析此电路可得到

25、下列方程： ，8* w2 21 11R R UU UUo 9* w2 21 22R R UU UUo 13)10(* 10 1211 12 1 13RR R RR R Uo UoU 当 R10= R13、R11= R12 时，上述方程可简化得： =（1+）*(-)，3U w2 98 R RR 2U1U 从图中可知 U1-U2=Ux，由此经该差动放大器处理得： IRx R RR Ux R RR U) 2w 98 1 () 2w 98 1 (4 从上式知输出电压 U4 与被测电阻 Rx 成正比。放大器的倍数由 R8、R9、RW2 而定，由于 A/D 转换器的输入电压为 03V，本仪器设置放大 器的

26、放大倍数为 1000 倍，被测电阻正常时为几毫欧。例如当取测试范围为 2m 时，流过的电流为 1A，对应压降为 2mv，取信号放大电路放大 1000 倍后， 在 U4 端得到 2V 的直流电压。 为了保证放大器的分辨率和稳定性，除上述电路本身优点外，集成运放 A2、A3、A4 选用了高精度、低噪声、低漂移的 MAX495（单电源运算放大器， 工作电源范围是+2.7V6.0V）。反馈支路的电阻均选用高精度、低温度系数的 精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪声和干扰。测试时被测 电阻与测试仪器间采用四端接线法，恒流源电流经 I 输入从接地端输出，测量 时用四根专用导线与被测电阻 Rx

27、连接，当被测电阻较小时，为了避免导线电 阻和接触电阻的影响，四根连接导线要做到特性一致、阻抗相同，这样就可以 消除导线电阻和接触电阻的影响。 2.2.4 单片机 单片机作为整个系统的核心控制部分，主要是完成与其他电路的接口，在 该系统中，单片机主要负责对模拟量进行采集，将采集得到的数据通过串口传 给上位机，并通过 LED 数码管显示处理后得到的数据。 本系统使用的是 MSP430F149 单片机，具有如下特点： 具有很低的供电电源，其供电电压的范围是：1.8V3.6V。 超低的功耗，这是目前其他单片机没有的特色。它在休眠条件下工作 的电流只有 0.8uA，就是在 2.2V 条件下工作的电流也只

28、有 280uA。 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要 6us。 快速的指令执行时间。它采用的是 16 位的 RISC 结构，指令的执行时 间只需要 150nS，是传统单片机不能比拟的。 具有灵活的时钟设置。主要有以下几种方式：32kHz 的晶体方式、高 频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。 两通道串行通讯接口，可用于异步或同步模式。 片内有多达 60KB 的 Flash ROM 和 2KB RAM，用户无需再外扩存储 器。 在电路板上预留一个 JTAG 接口，再配以一个普通的 PC 机，就可以很 方便地实现系统软件的调试。 MSP430F149 共有以下端口，分别为 P1、P2、P3、

29、P4、P5、P6 S 和 COM，它们都可以直接用于输入/输出。MSP430 系统中没有专门的输入/输出 指令，输入/输出操作通过传送指令来实现。这些端口的每一位都可以独立用于 输入/输出，即具有位寻址功能。由于 MSP430 的端口只有数据口，没有状态口 或控制口，在实际应用中，如在查询式输入/输出传送时，可以用端口的某一位 或者几位来传送状态信息，通过查询对应位的状态来确定外设是否处于“准备 好”状态。其中各个端口的功能分别为：（1）P1、P2 端口：I/O，中断功能， 其他片内外设功能如定时器、比较器；（2）P3、P4、P5、P6 端口：I/O，其他 片内外设功能如 SPI、UART 模

30、式，A/D 转换等；（3）S、COM 端口：I/O， 驱动液晶。 MSP430 各端口具有丰富的控制寄存器供用户实现相应的操作。其中 P1、P2 具有 7 个寄存器，P3P6 具有 4 个寄存器。通过设置寄存器我们可以实 现： （1）每个 I/O 位独立编程； （2）任意组合输入、输出和中断； （3）P1、P2 所有 8 个位全部可以用作外部中断处理； （4）可以使用所以指令对寄存器操作； （5）可以按字节输入、输出，也可按位进行操作。 端口 P1、P2 的功能可以通过它们的 7 个控制寄存器来实现。这里，Px 代 表 P1 或 P2。 （1）PxDIR：输入/输出方向寄存器。8 位相互独立，

31、可以分别定义 8 个引 脚的输入/输出方向。8 位再 PUC 后都被复位。使用输入/输出功能时，应该先 定义端口的方向。作为输入时只能读，作为输出时，可读可写。 （2）PXIN：输入寄存器，为只读寄存器。用户不能对它进行写入，只能 通过读取其寄存器的内容来知道 I/O 口的输入信号。所以其引脚的方向要选为 输入。如再键盘键盘扫描程序中经常要读取行线或者列线的端口寄存器值来判 断案件情况。 （3）PXOUT：输出寄存器。该寄存器为 I/O 端口的输出缓冲寄存器，再 读取时输出缓存的内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容，输出缓 存的内容不受影响。 （4）PXIFG：中断标志寄存器。它的 8

32、 个标志位标志相应引脚是否有中断 请求有待处理。另外，外部中断事件的时间必须保持不低于 1.5 倍的 MCLK 时 间，以保证中断请求被接受，且使相应中断标志位置位。 （5）PXIES：中断触发沿选择寄存器。如果允许 PX 口的某个引脚中断， 还需定义该引脚的中断触发方式。 （6）PXIE：中断使能寄存器。PX 口的每一个引脚都有一位用以控制该引 脚是否允许中断。0：禁止中断，1：允许中断。 （7）PXSEL：功能选择寄存器。P1、P2 两端口还具有其他片内外设功能， 将这些功能与芯片外的联系通过复用 P1、P2 引脚的方式来实现。PXSEL 用来 选择引脚的 I/O 端口功能与外围模块功能。

33、 端口 P3、P4、P5、P6 没有中断能力，其余功能同 PI、P2。除掉端口 P1、P2 与中断相关的 3 个寄存器，端口 P3、P4、P5、P6 的 4 个寄存器（用法 同 P1、P2）分别为 PXDIR、PXIN、PXOUT、PXSEL 可供用户使用。 端口 COM 和 S，它们实现与液晶片的直接接口。COM 为液晶片的公共端， S 为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端口 因为本系统中要用到 ADC12 模块，所以在此就其作一些简单的介绍。 ADC12 是 12 位精度的 A/D 转换模块，带有采样保持功能，它主要有以下特点： 采样速度快，最多可以达到 200kbps

34、。 转换开始可以由软件定时器 A 和定时器 B 实现。 片内参考电压的产生可以由软件编程选择，也可以软件选择内部参考 还是外部参考。 具有可以随便转换的时钟源。 具有单通道单次转换、单通道多次转换、序列通道单次转换和序列通 道多次转换 4 种转换方式。 具有 16 位的转换结果存储寄存器。 图2-8 MSP430F149单片机 如图 2-8 可见，单片机的接口电路非常简单，分别采用单片机的一般 I/O 口 实现与其他电路的连接。在单片机的时钟设计上与其他单片机有一定的区别， MSP430F149 单片机采用两个时钟输入，一个 32KHZ 的时钟信号，一个 8MHZ 的时钟信号。该系统的时钟部分

35、都是采用晶体振荡器实现的。考虑到电源的输 入纹波对单片机的影响，在电源的管脚增加一个 0.1uF 的电容来实现滤波，以 减小输入端受到的干扰。另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要 考虑干扰的问题，在该系统中的干扰较小，因此模拟地和数字地共地，模拟电 源输入端增加一个滤波电容以减小干扰。由于该单片机内部集成了众多的外围 模块，不但使电路的设计变得简单，还可以大大缩小电路板的尺寸。 2.2.5 LED 显示 图2-9 LED显示电路 如图 2-9 所示，LED 为共阴极数码管，P4.0P4.7 既为 LED 的段选线，又 为 LED 的位选线，通过 SNJ74AHC373J 锁存器与 P

36、5.1、P5.2 的选择来实现。 其工作方式为：当 P5.1 高电平时，P4.0P4.7 为 LED 的 a、f、b、g、c、h、d、e 的段选线；当 P5.0 为高电平时，P4.0P4.7 为 LED 的 位选线，依次对应 D4、D3、D2、D1、D0。 因为 MSP430F149 是一款低功耗的单片机，其 IO 端口的驱动能力十分有 限，所有在数码管的段选信号、位选信号与 MCU 之间增加了两片 SNJ74AHC373J 锁存器，用作缓冲驱动，这样既可以正常驱动数码管又可以保 护 MCU 的 IO 端口不会因为电流过大而损毁。 2.2.6 串口通信 图2-10 串口通信电路 由上图可以看出

37、，通过一个上拉电阻将 SHDN 管脚拉高，使该芯片一直处 于工作状态，如果系统需要处于低功耗状态，也可以通过单片机来控制该管脚。 在管脚 C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-分别放置 0.1uF 的电容实现充电作用， 满足相应的充电泵的要求。管脚 T1OUT、TIN、RIOUT 和 RIN 分别是 232 转 换的输入输出脚，实现单片机的 TTL 电平与上位机接口电平的转换。为减小电 源和输入端的干扰，还需要在复位芯片的电源输入腿加一个 0.1uF 的电容实现 滤波。 本系统实现串口模块主要是与上位机的通信，单片机将采集到的数据送到 上位机进行处理，从而减轻单片机系统的处理负担。由于单片

38、机与上位机进行 通信时接口电平不同，因此需要进行接口转换，这里采用 SP3220 芯片来完成 该电平的转换。MSP430F149 单片机内部集成了两个通用串行同步/异步模块 USART0 和 USART1，均支持两种不同的串行协议，即；通用异步协议 （UART 协议）和同步协议（SPI 协议）。本电路采用 UART 协议，实现串口 通信相当容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来，再通过一个 RS232 接口芯片 SP3220 与 PC 机通讯。串口通信采用中断机制，发送数据和接 收数据都采用中断方式。 图2-11 SP3220引脚图 这里采用 SP3220 芯片来完成该电平的转换，S

39、P3220 芯片具有以下特点： 功耗低、封装小 宽电压供电。供电电压为：3.0V5.5V。 上传速率可以高达 235Kb/s。 增强性 ESD 规范。 图2-12 DB9 上图 2-12 是 DB9 连接器的引脚定义，在此我们用到了引脚 2 和引脚 3，其 中引脚 3 为 RXD，此引脚用于接收外部设备送来的数据；引脚 2 为 TXD，此 引脚将处理器的数据发送给外部设备。 2.2.7 键盘 图2-13 键盘电路 本系统共采用三个独立式按键，直接用 I/O 口线构成单个按键电路，其中 采集键的作用是确定开始采集并送 LED 显示，查询键用来查看历史记录，通信 键用来开串行中断与 PC 通讯。

40、键盘扫描控制有定时查询法和中断控制法两种，因为 MSP430F149 单片机 的 P1 端口有中断能力，因此在此选择使用中断方式。 2.2.8 存储模块 为了在某些特殊的场合下（如通信故障时），能够成功的保存数据，应该 设计相应的外部存储模块。本系统的外部存储模块采用美国 ATMEL 公司生产 的低功耗 CMOS 型 E2PROM 器件 AT24C02，它内含 2568 位存储空间，具有 工作电压宽(2.55.5 V)、擦写次数多(大于 10000 次)、写入速度快(小于 10ms)、 抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。它采用了 I2C 总线规程，使主/ 从机双向通信。主机通过 SCL

41、 引脚产生串行时钟信号并发出控制字，控制总线 数据传送的开始、方向和停止。无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须 发出一个确认信号。 AT24C02 占用很少的资源和 I/O 线，并且支持在线编程，数据实时存取十 分方便。AT24C02 与单片机的连接图如图 2-14 所示。 图2-14 AT24C02与单片机的连接图 AT24C02 各引脚的功能如下： A2A0：这 3 个引脚是器件地址选择引脚。将这 3 个引脚配置成不同的编 码值，在同一串行总线上最多可扩充 8 片同一容量或不同容量 24 系列 EEPROM 芯片。 SCL：串行移位时钟控制端。写入时上升沿起作用，读写时下降沿起作用。

42、SDA：串行数据输入输出口，是一个双向引脚，容量扩展时可将多片 24 系列的 SDA 引脚相连，实际使用时该引脚必须接一个上拉电阻。 TEST：硬件写保护控制引脚。当其为低电平时，正常写操作，高电平时， 对 EEPROM 部分存储区域提供硬件写保护功能，即对被保护区域只能读不能 写。 GND：接地。 VCC：接+5V 电压。 2.2.9 单片机复位 在单片机系统中，单片机需要复位电路，复位电路可以采用 RC 复位电路， 也可以采用复位芯片实现的复位电路，RC 复位电路具有经济性，但可靠性不 高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的 可靠性，该系统采用复位芯片实现的复

43、位，该系统采用 MAX809 芯片。为减小 输入端的干扰，还需在复位芯片的电源输入端加一个 0.1uF 的电容实现滤波。 图2-15 复位电路 MAX809 是一种单一功能的微处理器复位芯片，用于监控微控制器和其他 逻辑系统的电源电压，它可以在上电、掉电和节电情况下向微控制器提供复位 信号。当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会发出复位信号，直到在一段 时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止。MAX809 能监控 5V、3.3V 和 3V 电压，精度很高，不需要上拉电阻。MAX809 有低电平有效的复位输出，并使 用 3 管脚的 SOT23 封装，如下图所示： 图2-16 MAX809 第三章

44、 系统软件设计 3.1 软件开发平台简介 IAR 的 Embedded Workbench 是一个适应各种不同 CPU 的目标系统开发的 集成环境。它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调试的效率大大提高。 Embedded Workbench 包含的实用工具有：具有语法表现能力的文本编辑器； 编辑器；汇编器；连接器；函数库管理器；实现操作自动化的 Make 工具；内 嵌 C 语言和汇编级的调试器 CSPY。 EW430 是针对专门 MSP430 的开发平台，其功能非常强大，而且以很快的 的速度更新版本，它的基本特性为： 代码长度和速度有多级优化； 支持 32 位和 64 位浮点数； 支持硬

45、件乘法器； 内部函数支持低功耗模式； 支持 C 和汇编语言编程。 3.2 程序流程图 本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、A/D 转 换程序、数据处理程序、串行通讯程序、键盘模块程序、LED 显示程序。所有 的程序均采用 C 语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。 3.2.1 系统主程序 系统的主程序主要完成 MSP430F149 单片机系统的初始化、设置系统时钟， 调用键盘处理程序，根据不同的按键转入相应的服务程序，完成不同的功能， 如数据的采集与处理、串行通信以及历史记录的查询。其中串行通讯子程序不 仅可以将单片机存储的数据传送到 PC 机进行处理分析，用户也可以

46、根据情况 从 PC 机上设置待测数据多少以及测试时间的长短等。其基本流程图如下： 开始 MSP430F149 单片机系统的初始化 设置定时器工作方式及初值 采集键 调用显示、键盘程序 设置串口通信模式、波特率 开始采集并送 LED 显示 查询键 查看历史 记录 通信键 开串行中断并 PC 通 信 是否有键按下 确定何健按下 Y N 图3-1 主程序流程图 3.2.2 A/D 转换模块 该模块主要是单片机通过 A/D 通道采集来自外部的电压信号，将信号进行 处理。MSP430F149 的 A/D 转换有四种模式：单通道单次转换，序列通道单次 转换，单通道多次转换，序列通道多次转换。考虑到系统只有

47、一路采集，故本 系统采用单通道多次转换，关于转换模块的选择主要通过设置相应的 A/D 转换 的寄存器来实现。信号采集的时间间隔通过定时器 A 来完成，就是在每次定时 器中断到来时读取模数转换采集到的数据，在读数据前先停止转换，在读取数 据完毕后启动模数转换，如果得到数据，则设置一个标志位来通知主程序，告 诉主程序已经得到新的数据。整个程序采用中断服务程序的结构完成。下面为 该模块的程序流程图。 定时器 A 中断到来 停止 A/D 转换 读取数据 设置标志 启动 A/D 转换 图3-2 转换模块流程图 3.2.3 串口通信模块 串口通信模块主要完成单片机与上位机的通信，从而将采集到的数据送到 上

48、位机进行处理。由于 MSP430F149 单片机具有片内的 UART，因此实现串口 通信相当容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来。串口通信采 用中断机制，发送数据和接收数据都采用中断方式。当接收到数据时，设置一 个标志来通知主程序有数据到来，当主程序有数据要发送时，设置一个中断标 志来进入中断发送数据。串口通信模块的程序流程图如下： 等待 等待 设置标志 发送数据 发送 标志 数据 到来 Y Y N N 图3-3 通信模块流程图 3.2.4 键盘模块 独立式键盘是指使用按键与单片机的 I/O 口直接连接的方法构成的单个按 键电路。当某一按键 KEYn 闭合时，该端口输入低电平，释放

49、时输入高电平。 由于机械按键的弹簧片存在着轻微的弹跳现象，故闭合或释放过程都将存在一 个抖动期。为了确保 CPU 对按键的一次闭合仅作一次处理，必须去掉抖动。键 盘扫描控制有定时查询和中断控制查询，因为该单片机的 P0、P1、P2 等 3 个 8 位端口都有中断能力，故在此采用中断方式。该模块的流程图和经典代码如 下： 读 P1 口 键已释放？ 延时 10ms 相应键处理 确定何健按下 读 P1 口 延时 10ms 分析结束 Y N Y N 开始 键已按下？ 图3-4 键盘模块流程图 #include unsigned char keybuf； unsigned char p1keyj(voi

50、d) / 判键子程序 unsigned char x; x=(P1IN / P1.5P1.7 接有按键 return(x);；/ 有按键返回非全 1 unsigned char keycode() / 找哪个按键被按下，查键值子程序 unsigned char x; if(P1IN else if(P1IN else if(P1IN return(x); #pragma vector=PORT1_VECTOR _interrupt void p1int(void) /端口 1 的中断服务程序 while(p1keyj()!=0 xf0) /没有按键按下，返回全 10 xf0 delay(500

51、); /延时消除抖动 while(p1keyj()!=0 xf0) keybuf = keycode();/确信有按键按下，找到按键得出键值，送到全局变量 keybuf while(p1keyj()= =0) /等待按键松开 ; /做对应键盘的事务 void main() WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 关闭看门狗 P1IES|=BIT1+BIT2+BIT3;/ P1IE|=BIT1+BIT2+BIT3;/ _EINT(); P5DIR|=BIT1; P5OUT While(1) /keycode(); Swich(keycode() Case 0 xf0:break;

52、 Case1：采集 Case2：查询 Case3：控制 3.2.5.显示模块 该部分主要完成数据的现实功能，P4.0P4.7 即为 LED 的段选线，又为 LED 的位选线，通过 373 锁存器与 P5.1、P5.2 的选择来实现。其工作方式为： 当 P5.1 高电平时，P4.0P4.7 为 LED 的 a、f、b、g、c、h、d、e；当 P5.0 为 高电平时，P4.0P4.7 为 LED 的位选线，依次对应 D4、D3、D2、D1、D0。该 模块相对比较简单，其经典程序代码如下： #include #define LED1 0 x3E; #define LED2 0 x3D ; #defi

53、ne LED3 0 x3B; #define LED4 0 x37; #define LED5 0 x1F; int Digit10 =0 xD7，0 x14，0 xCD，0 x5D，0 x1E，0 x5B，0 xDB，0 x15，0 xDF，0 x5F; void Delay(int m) while(m-0;) void Display(int x) P4OUT=Digitx; P5OUT=0 x02; P5OUT=0 x00; P4OUT=Digitx; P5OUT=Digitx; Delay(500); void main() WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /关闭看门狗定

54、时器 while(1) P5DIR=0 x03; P4DIR=0 xFF; P4DIR=0 x00; P5DIR=0 x02; P5DIR=0 x03; Display(); /要显示的数据 3.2.6 数据处理程序 这部分程序主要进行阻值计算、数字滤波、代码转换等处理。数据处理程 序思路:先将存储于数据存储器 RAM 的电压、电流 12 位二进制数读出，对电 压、电流数字量进行双精度数转换和标度变换，再进行回路电阻值参数计算， 并进行误差校正和算术平均滤波。将测试电流值和计算的回路电阻值转化为 BCD 码，进行 LED 显示。数据处理程序如图 3-5 所示。 从 RAM 中读取 12 位二进

55、 制电压值 U 电流值 I 开始 将 U，I 转换为高精度数 四字节 将采集数据 UI 分别变成 物理量 计算阻值 数字滤波将连续 N 次阻值 计算值取平均值 将测量值转换为 BCD 码， 准备显示 结束 图 3-5 数据处理程序流程图 为进一步提高系统抗干扰和噪声的能力，保证测试的精度，对获得的测量 值进行数字滤波处理，即进行多次测量后取平均值。经过软、硬件滤波处理后 的系统误差大大降低。 数字滤波：用软件来减小或消除测量误差或信号中的无用成分。输入信号 为模拟信号经采样和 A/D 转换后的数字量，对数字量进行一定的计算。设计中， 对多次计算的回路接触电阻值进行算术平均滤波。 算术平均滤波就

56、是连续取 N 个值进行采样，然后算术平均。采样值的个数 N 视具情况而定，计算阻值时取 35。 标度变换:将 A/D 转换的数字量变换为带有工程单位的数字量。先将测量 值数字量转换为对应的物理量，再通过代码转换程序转换为相应的 BCD 码， 进行数字显示。 第四章 系统误差分析 4.1 数据采集误差分析 在数据处理过程中，软件的计算误差极小，精度主要决定于数据采集通道 的精度。采集通道包括电压、电流信号放大和滤波、A/D 转换等。 在本系统中，信号部分主要分为两级放大和低通滤波，相当于三级放大电 路，故该部分的放大误差等于三者误差的叠加。其中每个放大器都有以下误差 情况：开环差模放大倍数位有限

57、值造成的误差、共模抑制比为有限值造成的误 差、由输入偏置电流和失调电流电压等影响产生的误差、由运放电路中电阻的 阻值不准产生的误差。由于本设计中选用了高精度、低温漂测量放大器 MAX495,由此引起的误差较小。 对由 ADC12 引起的误差主要有量化误差、非量化误差、温度漂移误差和 电源波动误差。其中供电电压的不稳定造成的影响较严重。 4.2 系统误差的减小与消除 (1) 四端接线法 对于微小电阻的精密测量，测量引线电阻的影响是不容忽视的，必须采取 有效措施加以克服。为此目的，我们在前面介绍的四端接线法就是最简单可行 的方法。同时应该注意，具体接线时应将电压测量线接开关连接杆的内侧，电 流引线

58、接开关连接杆的外侧.为了消除测量回路的影响，应采用足够粗的导线并 缩短长度。设计中对开关电压的测量采用两对测试夹子，测试时夹子夹在导电 杆上，实现四个端子测量触头两端电压。 (2) 系统误差的减小 1.在检测系统中，用软、硬件结合的办法，通过软件校正获得满意的结果。 2.减小工频信号产生的电磁干扰对测量精度的影响。对于工频信号可能产 生的电磁干扰对测量精度的影响，在硬件上可以采用滤波电路，在软件上采用 多次数据采样和数字滤波，滤除干扰后取平均值的方法。 3.减小环境温度变化对测量精度的影响。对于环境温度变化而引起的系统 性能的变化，一方面在元件选用上予以考虑，如测量放大器环节的分压电阻采 用精

59、度高、温度系数低的精密电阻，放大器采用了低温漂、低失调电压的测量 放大器 MAX495；另一方面调节测量放大器的放大倍数，使电压、电流信号的 幅值尽量接近于 ADC12 转换器的满量程范围，以减小量化误差。 总 结 在对当前测试方法进行分析总结的基础上，本文论证的测试方法，通过智 能化的数据处理，设计出一种实用的微小电阻测试系统。采用电流恒流源为基 础的微欧仪进行测量，可降低测量仪器的要求，只要控制好通电时间长短，则 可大大减少温度的升高，从而减少阻值的改变。由于小电阻一般很小，大约为 几到几百 m，若用传统的直流双臂电桥等小电流测量方法进行测量，所产生 的压降一般太小，这样对测量压降仪器的灵

60、敏度要求必须很高，不仅测量难度 大，也极难做到精确。 本设计中几个有特色的地方： (1)采用恒流电源技术 本文提出的通过恒流源的测量方法，这是一种常用的测试方法。当通电时 间短时、被测电阻温度升高不多，电流流过所能达到的温升大大低于稳定温升， 小电阻变化不大。同时要确保电流值较大，方便易改、易于提高测试电流，增 加信噪比。 (2)采用 MSP430F149 单片机 MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片 机，在运算速度方面，MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。同时它自带 12 位模数转换器，有效地减少了测量误