激光调阻机测控系统设计

林秉泉，徐巧玉，徐 恺，宋江岩，王军委

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2. 洛阳冰岩激光设备有限公司，河南 洛阳 471003；3. 洛阳银杏科技有限公司，河南 洛阳 471003)

0 引言

在厚膜电阻的生产过程中，通过印刷技术制造的电阻误差达到15%～20%，无法满足高精度应用的需求，因此需要对电阻进行进一步加工以提高电阻精度。激光调阻具有高效率、无污染及高精度等优点，成为目前主要的调阻方式[1-3]。激光调阻机的调阻精度和效率决定目标电阻的指标，因此亟需对激光调阻机的电阻检测与控制问题进行研究。

目前，国内外在激光调阻机测量与控制方面进行了一系列研究[4 -13]，由于嵌入式测控系统灵活性高、专用性强、集成化高及功能可定制等特点，成为激光调阻机测控系统的主要研究方向。文献[14-16]提出基于单臂电桥测量的激光调阻机测控系统，通过对电阻检测原理的研究，实现了硬件控制激光器，有效地提高了调阻效率和调阻精度。但其系统构成较为复杂，使用硬件对系统进行误差补偿无法有效提高系统测量精度。文献[17-20]提出基于开尔文法检测电阻的激光调阻机测控系统，使用可编程的高精度恒流源作为激励产生电流信号，有效地提高了系统的测量范围与测量精度。但由于测量系统直接由上位机进行控制，无法有效地控制激光器动作，引起调阻速度慢、调阻精度低等问题。

为了实现激光调阻机的高速高精度调阻，本文设计了一种激光调阻机测控系统。采用高级精简指令集微处理器(advanced RISC machine,ARM)作为主控制器，负责调阻过程中的电阻阻值采集与激光器的控制，结合实时操作系统(real time operating system,RTOS)保证系统的实时性与可靠性。采用开尔文测阻法搭建高精度恒流源、信号调理与数据采集电路，提高电阻采集精度。通过设置数模转换器(digital to analog converter,DAC)输出与检测信号进行比较，由硬件直接控制激光器动作，实现对目标电阻的刻蚀，保证了调阻精度与调阻效率。

1 系统总体方案设计

为了有效控制激光调阻机，使其能够快速、精确地控制电阻刻蚀，设计了激光调阻机测控系统，系统框图如图1所示，主要包括：主控单元、检测与采集单元和比较输出单元。

图1 激光调阻机系统框图

主控单元：主要负责与上位机通信，实现上位机消息处理、检测与采集参数配置、待调电阻计算、参考电压计算和系统误差补偿等工作，并根据执行动作参数信息控制检测与采集单元、比较输出单元执行动作。

检测与采集单元：实现待调电阻的检测与采集。首先，恒流源根据待调电阻信息输出恒定电流，并在待调电阻两端产生电压。信号调理电路对电压值进行滤波、放大后，由数据采集电路将电压值转换为数字信号返回到主控制器。

比较输出单元：将主控制器计算后的标准电阻值转换为参考电压，和检测与采集单元传输的电压进行比较，比较产生的晶体管-晶体管逻辑电平(transistor transistor logic,TTL)信号控制激光器的停止动作。

系统工作流程：本系统由上位机控制。控制指令通过通用串行总线(universal serial bus,USB)发送到主控单元，主控单元根据控制指令计算参数配置信息，并控制检测与采集单元执行动作，对待调电阻进行实时检测与阻值采集。将采集的待调电阻信息返回到主控单元中进行计算，判断当前电阻是否可调，并将电阻值返回到上位机。若当前电阻不可调，本次调阻结束。反之，主控输出参考信号到比较输出单元，同时，上位机控制激光器开始调阻。比较输出单元将参考电压信号与实时检测的电压信号进行比较。当两者相等时，比较器发送TTL电平转换信号控制激光器停止。同时，主控单元控制检测与采集单元采集电阻值信息，并将调阻完成后的电阻值返回到上位机。

2 激光调阻测控系统硬件设计

2.1 主控单元

主控制器采用STM32F407VG T6芯片，具有丰富的外围设备接口，系统主频达到168 MHz，内部集成的浮点运算单元(float point unit,FPU)可以对数据进行精确计算，保证系统的精度与速度[21]。通信芯片采用USB3300，支持高速USB2.0，最大传输速度达480 Mbits/s。与主控芯片连接后，可以保证上位机指令的准确快速传输。主控单元硬件设计框图如图2所示。

图2 主控单元硬件设计框图

2.2 检测与采集单元

2.2.1 开尔文法检测原理

开尔文法测阻原理，通过恒流源在电阻两端产生电压，由电压表直接测量电阻两端电压，可减小线电阻的影响，获得较为精确的阻值，所以开尔文法又被称为四线制测阻法[22]。

设待测电压为U，恒定电流为I，待测电阻为Rx，导线电阻为r。根据开尔文法原理可得，电压与电流的理想关系为：

U=IRx。

(1)

图3 检测与采集电路结构框图

2.2.2 检测与采集单元基本结构

根据开尔文法测阻原理，检测与采集电路包括恒流源、检测通道和数据采集电路3个部分。待测电路产生的电压在传输过程中极易受到干扰，因此，增加信号调理电路保证信号的稳定性。检测与采集电路结构框图如图3所示。

图4 恒流源电路

2.2.3 检测与采集单元电路设计

系统恒流源为反馈型恒流源，由双运放构成电流发生电路，使用继电器控制恒流源挡位切换[23]。恒流源电路分为两部分，电路如图4所示。

第1部分由基准信号源、运放AD706、P沟道结型场效应晶体管(junction field-effect transistor，JFET)、基准电阻组成。设流经电阻R1的电流为I1，Vref为基准电压，根据运放的虚短定理，通过调整管后流经R1的电流I1为：

I1=Vref/R1。

(2)

在恒流工作状态下P沟道JFET的源极电流与漏极电流相等，所以流入电阻R2的电流I2与I1相等。因此电阻R2两端的压降V2为：

V2=I1R2=(Vref/R1)R2。

(3)

第2部分由采样电阻、运放AD706、N沟道JFET组成。由式(3)可得R2上的电压V2为恒定电压。根据运放的虚短定理，采样电阻R3～R8的电压与R2的电压相等。通过继电器选择不同的采样电阻Rf，即可输出不同的恒定电流。所以流经N沟道JFET的电流，即恒流源的输出电流IL：

IL=V2/Rf=((Vref/R1)R2)/Rf。

(4)

为实现设备对多路电阻值的连续调阻，检测通道设计为由继电器阵列组成的可扩展的多通道继电器板。继电器板由输入/输出(input/output,I/O)扩展芯片CH423、继电器驱动和继电器组成。CH423负责将主控的控制信号转换为I/O输出，进而控制继电器通道切换。检测通道是由干簧继电器构成的继电器阵列，最大可支持单板120×120通道。

信号调理电路如图5所示，共分为3个部分。信号调理电路第1部分是由AD8220仪表运算放大器构成的共模抑制放大电路，AD8220是具有放大倍数可调的增益放大器，该放大器在单位增益下具有94 dB以上的共模信号抑制能力，可以大幅度降低来自于测量端的共模干扰[24]。在对小阻值电阻进行测量时，匹配不同的增益电阻Rg，可以产生不同的放大倍数，以增大系统的可测量范围。第2部分是由AD820构成的两极点的Sallen-Key滤波器，调节电阻电容参数以实现对高频干扰的滤波。电阻R3与电阻R1构成电阻分压器，以便信号能够缩放到模数转换器(analog to digital converter,ADC)的输入电压。第2部分的输出信号分别流向比较器与数据采集电路。第3部分是由THP210全差分运放构成的运算放大电路，将单端信号转换为差分信号进入数据采集电路。

图5 信号调理电路

为保证系统的反应速度，提高数据采集精度，数据采集模块采用AD7176-2高精度数模转换芯片。AD7176-2是一款快速建立、高精度、高分辨率的∑-Δ型模数转换器，适合低带宽输入信号。AD7176-2为24位高精度ADC，最高采样率为150 KSPS，可以得到17个无噪声位的完全建立数据。AD7176-2支持差分输入或单端输入，将0～2.5 V电压信号转换为数字信号。

2.3 比较输出单元

比较输出单元的参考信号来自DAC输出。通过主控制器计算目标电阻的电压值，控制DAC输出参考电压并与调阻过程中的电压变化进行比较。选用比较器实现电压的比较，并输出TTL信号控制激光器。比较输出电路如图6所示。

图6 比较输出电路

数模转换芯片采用AD5541高精度DAC，输出电压精度16位，保证了参考信号的高精度。比较器使用AD790，传播延迟最大值为45 ns，输入失调电压为250 μV，输入迟滞电压500 μV，可以灵敏地识别输入信号的微弱变化。

3 激光调阻测控系统软件设计

针对激光调阻机测控系统高速、稳定与多任务处理的要求，引入了RT-Thread实时操作系统。将设备硬件驱动嵌入到系统中，通过多任务切换实时处理测量过程中的任务。系统软件架构如图7所示。

图7 系统软件架构

RT-Thread是一个嵌入式实时多线程操作系统，以线程调度为基本调度单位、使用基于优先级的抢占式调度算法进行任务切换[25-26]。在激光调阻机测控系统中引入RT-Thread，将测量与控制过程中的具体任务划分为线程，使用优先级对线程进行实时调用，保证系统运行的实时性。

激光调阻机测控系统的主要任务分为4个部分：消息处理、电阻采集参数配置、数据计算与误差补偿。系统通过设备驱动程序调用外围设备执行动作，系统软件流程图如图8所示。

图8 软件流程图

4 实验与结果分析

为验证系统性能，本文通过测量实验与调阻实验，对系统的测量精度、调阻效率与调阻精度进行验证。激光调阻机测控系统硬件测试平台如图9所示。

图9 激光调阻机测控系统硬件测试平台

4.1 测量实验

取激光调阻机工作区间(0.5 Ω～40 MΩ)的多组电阻值，分别对不同挡位进行测量实验。为验证测量精度，使用FLUKE 8508A八位半高精度万用表的测量结果作为参考值。测量实验结果如表1所示。

表1 测量实验结果

由表1可知：在低阻值区间(1～100 Ω)，测量结果相对误差小于0.2%；在标准阻值区间(100 Ω～100 kΩ)，测量结果相对误差小于0.01%；在高阻值区间(100 kΩ～10 MΩ)，测量结果相对误差小于0.1%。

4.2 调阻实验

取激光调阻机工作区间(0.5 Ω～40 MΩ)的多组电阻值，分别对不同挡位进行调阻实验。在连续调阻过程中，使用示波器采集比较器输出波形，验证调阻效率。调阻完成后，使用FLUKE 8508A八位半高精度万用表测量阻值，分析验证调阻精度。

设置示波器采样率为40 kHz，在连续调阻过程中对比较器输出信号进行连续采样，比较器输出电压如图10所示。

①单次调阻周期；②设置测量通道；③调阻前判断； ④粗调；⑤精调；⑥调阻后测量。图10 连续调阻下比较器输出波形

由图10可知：在单次调阻周期内，调阻时间接近于20 ms，则在连续调阻下，调阻速度可达50个/s。

调阻实验结果如表2所示。由表2可知：在低阻值区间(1～100 Ω)，调阻结果相对误差小于1%；在标准阻值区间(100 Ω～100 kΩ)，调阻结果相对误差小于0.1%；在高阻值区间(100 kΩ～10 MΩ)，调阻结果相对误差小于2%。

表2 调阻实验结果

5 结论

本文根据激光调阻机测控系统的特点，对激光调阻机测控系统的测量与控制电路进行设计。依据开尔文测阻法搭建电阻检测电路，实现对电阻值的高精度测量。通过将待调电阻与标准电阻比较，输出TTL电平控制激光器达到精确调阻的目的。实验表明：此种方法可以有效提高激光调阻机的调阻精度和调阻效率。