基于微电阻测量的开关导通耐久测试仪研究

摘  要：文章对微电阻测量的开关导通耐久测试仪进行设计研究。为达到对微小电阻的精度测量，采用恒流源技术进行扩展，稳定地提取出信号;通过信号放大、信号采集及A/D 转换显示结果。利用四线测量法，在测量导线电阻不相等的情况保证测量精度，四线法技术消除接触电阻，减少测量误差，提高测量精度;使用A/D转换方式将模拟信号转为数字信号，采用ICL7135转换器保证数据转换的可靠性和稳定性;使用STM32F103RBT6微控制器进行运算及后续通信传输处理，保证系统的稳定性和实时性。

关键词：微电阻;开关导通;高精度

中图分类号：TP368     文献标识码：A文章编号：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

按鍵在电气设备中常作为开关使用，通过按压控制触点的闭合，从而使电路导通。然而，随着现在电子产品的技术性和复杂化程度的提高，按键的职能与作用也发生了很大的变化。在电气类设备按键工作时，按压过程中不可避免地产生的电子噪声，容易造成精密的电子模块工作不稳定甚至失灵。按键在按压过程中电压的变化可以通过电阻的变化准确地反映出来，所以可以通过测试电气类按键在按压过程中的电阻变化来反映其寿命的长短。每个按键都存在一个特定的压力曲线，可以通过曲线的波峰值和波谷值判断按键是否为合格品。

电路中的接触电阻是导电通路中主要的微小电阻。接触电阻是两个紧密连接的结点对流过的电流的阻碍，而且接触电阻是评价电子元件的连接性能和可靠性能的重要依据。由于接触电阻的存在，会增加导体在通电时的损耗，使接触部位的温度升高，电阻值的大小将直接影响回路工作时的载流能力。因此，接触电阻数值的大小是进行回路检修、质量验收的重要数据。

微小电阻测量方法的研究近年来发展得比较快，微小电阻多采用微欧仪进行测量，微欧仪的电流较大，一般为100 A～200 A，可看成具有较大的电流恒流源，采用大电流变压器与高频开关电源实现较大的恒流效果。但是对微小电阻进行测试时，较大的电流和较长的测试时间可能会提高电阻的温度，从而降低测量精度;而且这些测量仪器重量和体积都较大，不便于携带，成本相对也比较高。因此，高精度微电阻测试仪的研究设计是十分必要的。

1  研究方法

通过测试开关在机械触发按键闭合运动时，在有负载的状态下进行开关主要技术指标—电压/电流/电阻的采集、信号调理、运算并进行现场显示，同时将技术指标通过有线方式（RS485）传输到PC端数据库中，来实现“高精度的微电阻测试”和“开关导通耐久测试”的功能，具体研究方法有：

（1）采用可编程电压源调节负载的电源;可编程直流电子负载与开关串联来控制使用的电流，可编程直流电子负载运行于CC模式作为恒流源提供恒定电路电流，提高测量精度。

（2）采用的是四线法测试方案，电压测量端不与恒流源直接连接，而是直接连到待测电阻两侧，微小电阻值测量准确度较高。

（3）针对高精度A/D采集、转换的电阻信号，由于其微小，在送MCU处理之前要进行微小信号调理，以便供MCU运算处理。通过多路开关电阻采集的实时性，采用MCU上运行嵌入式OS，基于多线程技术进行软件开发。

2  研究设计方案

2.1  总体结构

本测试仪通过对电流、电压、电阻信号的采集、调理、放大、A/D转换及运算，达到对微电阻进行快速测量的目的。测试仪总体结构示意图如图1所示。

图1  系统总体结构示意图

2.2  系统电子电气设计方案

“开关导通耐久测试仪”的系统智能控制电子电气部分的主要功能：当机械触发开关闭合运动时，在有直流电子负载的状态下进行8路开关主要技术指标—电压/电流/电阻的采集、信号调理、运算并进行现场显示，同时将技术指标通过有线方式（RS485）传输到PC端上位机数据库中，电子电气部分设计框图如图2所示。

图2  系统电子电气设计框图

系统电子电气部分主要由上位机数据管理模块、电源/恒流源模块、采集调理模块、下位机控制器、声光电报警模块、继电器控制模块、保护模块等功能单元所组成。

2.2.1  电源/恒流源模块

负载部分采用电源、电流分别控制。可编程电压源调节负载的电源;可编程直流电子负载与开关串联来控制使用的电流，可编程直流电子负载运行于CC模式作为恒流源提供恒定电路电流。该模块使用到的设备如图3、图4所示。

2.2.2  采集调理模块

采集调理模块主要包括：高精度A/D采集、转换、信号调理电路。测试单元最小的精度已经小于1欧姆，在导线中的接触电阻已经能给测量带来不准确性，故不适于普通的伏安法来进行检测，采用的是四端法测试方案（也称开尔文法），电流和电压分开单独通路测量，消除接触电阻，专用于微小电阻值测量。其测量原理如图5、图6所示。

图3  可编程直流电源

图4  可编程直流电子负载

图5  开尔文法测量示意图

图6  開尔文法测量电路原理图

针对精确的微小电阻信号测量，A/D转换电路是将电压的模拟信号转变为数字信号，微处理器根据收到的电压值来计算被测电阻的电阻值。为达到自动量程的切换、高分辨率等需求，选用ICL7135A/D转换器，具有自动调零、自动极性和超量程判别等功能，而且具有输入阻抗高、抗干扰能力较强的优点;当输入为零的时候，输出零点稳定无漂移。单极性信号输入时，ICL7135能提供±20 000的计数分辨率。如果将参考电压设置为1 V，±2.000 0 V的精度测量中，ICL7135的精度高达±0.000 1 V。另外，它采用单基准电压，能够实现双极性输入模拟电压的转换，模拟输入电压的范围0～±1.999 9 V。转换结果BCD码的输出形式有并行和串行两种形式，方便与微处理器连接。

针对高精度A/D采集、转换的电阻信号，由于其微小，在送MCU处理之前要进行微小信号调理，以便供MCU运算处理。

2.2.3  信号控制器

信号调理后的电阻信号送控制器进行运算以及后续通信传输处理。考虑到系统比较复杂，而且要完成较多的功能，要求系统要有较好的稳定性、较高的性价比和实时性，因此选用意法半导体公司生产的微控制器STM32F103RBT6，该控制器的增强型单片机使用的是高性能的ARM Cortex-M3内核，该内核是32位的精简指令集微处理器（RISC）。

2.2.4  声光电报警模块

开发设计了声光电报警电路以便当测试开关的电阻、电压超限时触发报警。声光电报警模块采用的是ISD1700系列录放芯片，该芯片的采样率可在4 K～12 K区间进行调节，并可以实现多段录音，供电范围2.4 V～5.5 V之间。另外ISD1700能完成新录音的提示，当有新的声音录制时，LED会每隔几秒闪烁一次来提示用户。此外还存有4种音效用以提示用户的操作结果，如开始录音、停止录音、擦除、下一曲和全部擦除等。录音数据全部无压缩地存储在芯片的FLASH内，因此有更好的音质和断电存储。芯片中有话筒输入与模拟信号输入两路独立的语音信号输入通道。用户可在SPI模式下可以对芯片进行更多的功能操作。如可以对模拟通道配置寄存器进行读写，对任意存储地址进行录放等。

2.2.5  保护模块

在电力系统测量中，对于测量电路的保护是常规的技术手段，这里采用MOS管配合继电器专门的吸收电路实现保护功能，如图7所示。

图7  保护模块电路原理图

具体为：

（1）当系统流过的电流超过限定值时，通过继电器吸合强行使输出控制电压接地，从而限定场效管的开度。当电压过高时M358输出小于12 V，此时二极管导通后三极管导通，进而MOS管接地从而起到保护作用。

（2）当系统电压超过限定值时，电流过高时M358输出小于12 V，此时二极管导通后三极管导通，进而MOS管直接接地从而起到限流作用。

（3）过热保护，系统采用热敏电阻来实时监测场效应管的温度变化情况，当温度超过预定值时，电路将被自动断开。

3  软件设计方案

系统软件包括两大部分：控制器嵌入式软件和电脑端PC软件。

微控制器主板嵌入式软件使用嵌入式C语言，基于IAR或者MDK集成开发环境。为了提高多路开关电阻采集的实时性，并考虑系统扩展，采用MCU上运行嵌入式OS，基于多线程技术进行软件开发。

电脑端PC软件采用VC++语言在Microsoft Visual C++ 6.0 集成开发环境中进行编写代码，主要功能是对开关电流值、电压值进行设置，控制测量设备对开关进行输出相关设定参数，并对开关接触电阻进行计算。采用工业显示ActiveX控件、SQL Server数据库技术、串口通信技术、外设驱动技术（报表打印机）等，然后编译成可执行exe文件，运行装有Windows XP/WIN7等32位操作系统的电脑或者工控机上。

4  结  论

本测试仪可进行电压、电流、电阻信号的精确采集、调理以及处理，并研究设计上限报警模块，保护测量电路，电阻测量范围：0.1 Ω～5 Ω;可测量各种线圈的电阻、开关、插头等仪器的接触电阻，具有性价比高、速度快、成本低、精度高、测量范围广等特点，有一定的使用价值。

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作者简介：康凯（1980—），女，汉族，辽宁锦州人，副教授，硕士研究生，研究方向：机械、汽车制造与服务。