基于ARM的电阻电容电感测试仪.doc

1、 题目 基于 ARM 的电阻、电容、电感测试仪 系别 机电工程学院 专业 自动化 091、自动化 092 学生姓名 指导老师 提交时间 2011 年 1 月 嵌入式系统技术实践 项目驱动 摘 要 随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。因此，设计可靠 ，安全 ， 便捷的电阻 ， 电容 ， 电感测试仪具有极大的现实必要性。 在系统硬件设计中， 以 LPC2103 的 ARM 为核心的 电阻 、 电容 、 电感测试仪 ，将 电阻， 电容，电感 ，使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。其中电阻和电容是采用 5

2、55 多谐振荡电路产生的，而电感则是 根据西勒电路 产生的， 并用 ARM 中定时器 1 的捕获功能捕获其频率 ，通过定时并且计数可以计算出被测频率，再通过该频率计算出被测参数。 在系统的软件设计是以 CodeWarrior 为仿真平台，使用 C 语言编程编写了系统应用软件；包括主程序模块、显示模块、电阻测试模块、电容测试模块和电感测试模块。 最后，实际制作了一台样机，在实验室里进行了测试，结果表明该样机的功能和指标得到了设计要求。 关键字： 555振荡电路、 LPC2103、电阻电容电感 i 目 录 摘 要 . ii 第一章 前言 . 2 设计的背景及意义 . 2 电阻、电容、电感测试仪的发

3、展历史及研究现状 . 2 本设计所做的工作 . 4 第二章 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较 . 5 第三章 系统的原理框图 . 6 555 定时器简介 . 7 测量电阻电路的设计 . 9 电容测试电路 . 10 测量电感的电路设计 .11 电阻、电容、电感测试仪的软件设计 . 13 主程序 流程图 . 14 第四章 测试仪测试值分析： . 19 第五章 参考文献 . 22 6.附录一 . 23 附录二 . 26 2 第一章 前言 设计的背景及意义 目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。因此，设计可靠，

4、安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。 通常 情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。 电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降 法、比例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。 传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。 电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量 Q 值确定电感的方法误差较大，所以

5、电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。 由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂 性，所以本次设计是在参考 555 振 荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是 尝试用 555 振荡器将被测参数转化为频率， 这里我们将 RLC 的测量电路产生的频率 通过 ARM 捕获其频率 ，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。 电阻 、 电容 、 电感测试仪的发展历史及研究现状 当今电子测试领域，电阻，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。 电阻 、 电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比

6、例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差 稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量 Q 值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。 在我国 1997 年 05 月 21 日中国航空工业总公司 研究出 一种 电阻、电容、电感在线测量方法及装置 等电位隔离方 法，用于对在线

7、的电阻、电容、电感元件实3 行等电位隔离，其特征在于， (1)将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随器； (2)将基准精密电阻 (R)的一端与被隔离的在线元件 (Z x)的一端通过导线连接，基准精密电阻 (R)的另一端与信号源 (Vi)或者地连接，被隔离的在线元件 (Z x)的另一端通过导线与地或者信号源(V i)连接，基准精密电阻 (R)与被隔离的在线元件 (Z x)连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接； (3)通过导线将运算放大器的输出端与线路板上所有的隔离点 (C)连接，隔离点 (C)的确定方法是：在线路板上凡是与被隔离的在线元件 (Z x)靠近信号源 (

8、V i)的一端 (A)相连的电阻、电容、电感元件的另一端均为隔离端 (C)。 中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈 。 尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。每当提起中国测试仪器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为： 1.测试在整个产品流程中的地位偏低 。 由于人们的传统观念的影响，在产 品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。这种错误观念上的原因，造成整个社会对测试的重视度不够

9、，从而造成测试仪器方面人才的严重匮乏，造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。 2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来 。 本土仪器设备厂商只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发 模式。传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。特别是随着国内应用需求的快速增长，为这一过渡提供了根本动

10、力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。 3.缺乏标准件的材料配套体系 。 由于历史的原因，中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业，标准化的研究也没有跟上需求的快速发展，从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较低。虽然目前已有较大的改观，但距离整个 产业的要求还有一定距离。所以，还应把标准化和模块化的研究放到重要的位置。还有，在技术水平没有达到的条件下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系。上述这些都是制约本土仪器发展的因素。 近年来 我 国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的

11、轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发4 方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技 术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过 30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品 。 本设计所做的工作 本设计是以 555 为核心的 振荡电路 ，将 被测参数

12、模拟转化为频率 ，并利用ARM 实现计算频率 ，所以，本次设计需要做好以下工作： (1)学习 ARM 原理等资料。 (2)学习 CodeWarrior H-JTAG 等工具软件的使用方法。 (3)设计 测量电阻，电容，电感的振荡电路 。 (4)设计 测量 LED 动态显示 电路。 (5)设计 测量频率 程序，设置程序。 (6)用 Multisim 软件仿真电路。 (7)用 DXP 软件绘制电原理图和印刷电路版图。 (8)制作好测试仪电路板。 (9)安装和调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。 (10)撰写项目 论文。 5 第二章 电阻 、 电容 、 电感测试仪设计方案比较 电阻 、 电容

13、、 电感测试仪 的设计可用 多 种方案完成， 例如 利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算 器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等 、 使用 可编程逻辑控制器 (PLC)、 振荡电路与 单片机 结合或 CPLD 与 EDA 相结合等等 来实现。 在设计前对各种方案进行了比较： 1)利用纯 模拟 电路 虽然 避 免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多 ，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。 2)可编程逻辑控制器 (PLC) 应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用 PLC 对硬件进行控制，但是用 PLC

14、 实现价格相对昂贵，因而成本过高。 3)采用 CPLD 或 FPGA 实现 应用目前广泛应用的 VHDL 硬件电路描述语言，实现 电阻，电容，电感测试仪 的设计，利用 MAXPLUSII 集成开发环境进行综合、仿真，并下载到 CPLD或 FPGA 可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但 相对而言规模大，结构复杂 。 4)利用 振荡电路与 ARM 结合 利用 555 多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据西勒电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率 f是 ARM很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪 表实现自动化，而且 ARM 构成的应用系

15、统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置 灵活。 容易构成各种规模的应用系统， 且 应用系统有较高的软、硬件利用系数。 ARM 具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。 综上所述，利用振荡电路与 ARM 结合实现电阻 、 电容 、 电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本次设计选定以 ARM 为核心来进行。 6 第三章 系统的原理框图 本设计中， 考虑到 ARM 具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用 PLC2103 系列的 ARM 为核心 来实现 电阻、电容、电感测试 仪的控 制。系统分四大部分：测量电路、控制电路、捕获频率 和显示

16、电路。通过P0.11 口捕获 ，取得相应的振荡频率，然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系统设计框图如 图 三 -1 如下所示。 框图各部分说明如下 ： 1)控制部分 ：本设计以 ARM 为核心， 采用 PLC-2103，利用其定时器的捕获 功能以及所具备的中断系统 ，键盘显示板 和 LED 显示功能等。 LED 灯：本设计中，设置了 3 盏 绿色指示 灯， LED1 为电容测试电路， LED2 为电阻测试电路， LED3 为电感测试电路。 数码管 显示 ： 本设计中有 2 个 74HC595、8 个按键和 6 个数码管， 采用共阳极方式 连接构成动态显

17、示部分，降低功耗 。键盘：本设计中 有 KEY1， KEY2， KEY3 三个按键，可灵活控制 不同测量参数的切换，实现一键测量 。 2)通道选择：本设计通过 ARM控制的定时器 1 来捕获被测频率的自动选择 。 3)测量电路： RC 震荡电路是利用 555 振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。西勒振荡电路是利用西勒振荡电路实现被测电感参数频率化 。 通过ARM 强大的运算功能，实现自动测量。 被测电阻 被测电容 被测 电感 RC 振荡电路 RC 振荡电路 西勒电路 产 生 振 荡 频 率 ARM PLC 2103 P0.11 口 捕获 LED 灯 数码管显示 按键选择 图 三 -1 7 5

18、55定时器简介 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成 555 定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。 1)555 定时器内部结构 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路 ,其内部结构如 图 三 -2(A)部分 及管脚排列如图 (B)部分 所示。 图 三 -2 555 定时器内部结构 它由分压器、比较器、基本 R-S 触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个 5K的等值电阻串联而成。分压器为比较

19、器 A1、 A2 提供参考电压，比较器 A1 的参考电压为 ，加在同相输入端，比较器 A2 的参考电压为 ，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放 A1、 A2 组成。高电平触发信号加在 A1 的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本 R-S触发器 端的输入信号；低电平触发信号加在 A2 的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本 R-S 触发器 端的输入信号。基本 R-S 触发器的输出状态受比较器 A1、 A2 的输出端控制。 2)多谐振荡器工作原理 由 555 定时器组成的多谐振荡器如 图 三 -3(C)部分 所示，其中 R1、 R2 和电容 C

20、为外接元件。其工作波如图 (D)部分 所示。 8 图 三 -3 振荡器工作原理 设电容的初始电压 Uc 0， t 0 时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端 VTH VTL 0 ，比较器 A1 输出为高电平， A2 输出为低电平，即 =1， =0(1 表示高电位， 0 表示低电位 )， R-S 触发器置 1，定时器输出 u0=1此时 ，定时器内部放电三极管截止，电源 Vcc 经 R1， R2 向电容 C 充电， uc逐渐升高。当 uc 上升到 时， A2 输出由 0 翻转为 1，这时 = =1， R-S 触发顺保持状态不变。所以 0tt1 期间，定时器输出 u0 为高电平 1。 时

21、刻， uc 上升到 ，比较器 A1 的输出由 1 变为 0，这时 =0， =1，R-S 触发器复 0，定时器输出 u0=0。 期间， ，放电三极管 T 导通，电容 C 通过 R2 放电。 uc 按指数规律下降 ,当 时比较器 A1 输出由 0 变为 1， R-S 触发器的 = =1，Q 的状态不变， u0 的状态仍为低电平。 时刻， uc 下降到 ，比较器 A2 输出由 1 变为 0， R-S 触发器的 =1，=0，触发器处于 1，定时器输出 u0=1。此时电源再次向电容 C 放电，重复上述过程。 通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出 u0=1，电容放电时， u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能 输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。 3)振荡周期 由图 (D)可知，振荡周期 T=T1+T2。 T1 为电容充电时间， T2 为电容放电时间。