高精度直流微电阻测试仪的研究与开发-----硬件可靠性设计与软件设计 电阻测试仪, 软件设计, 单片机, 可靠性, 元器件

3.8硬件的可靠性设计
满足功能的单片机系统，在应用于实践中，必须要做好硬件的可靠性设计，影响单片机系统可靠安全运行的因素主要来自于内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺等影响。如果不充分考虑到这些干扰因素，并采取相应的措施，会使系统运行失常，下面从设计可靠性和布板可靠性两方面来确保。

3.8.1设计可靠性
3.8.1.1硬件方面的设计可靠性
使用硬件抗干扰技术是抑制干扰的有效方法，常用的硬件抗干扰技术有：滤波技术、屏蔽技术、隔离技术、去祸技术、接地技术等。

本系统对于硬件方面的可靠性抗干扰采取以下几方面的措施：

1.抑制来自电源的干扰
本电路设计中将电源变压器的原边和副边分别加以屏蔽，有效的抑制来自电源变压器给系统造成的干扰。同时选用元器件的时候是选用低通滤波器，它可抑制由电网侵入的电源对本系统的干扰。为了增大输入输出滤波电容，减少电源纹波系数，本电路采用性能优良的直流稳压线路。为了防止工频50H2的信号对本系统的干扰，在电路设计中对于交流电的应进行采取了能短则短、尽量短的措施，把工频信号对系统的干扰可以降到最低。本电路选用的变压器的容量是稍稍偏大的，这样做的目的还是为了把来自电源的干扰尽量的抑制到最低。本系统中的数字地、模拟地是一点相连的；外壳地线和公共地线是分开走线，防止相互干扰。

2.抑制来自系统输入输出通道的干扰
在硬件抗干扰设计中，对于系统输入输出通道的抗干扰的设计相当的重要，本电路设计中对于这方面的措施有：本电路采用光祸隔离的手段把前后的电路隔离开来，使得从输入通道中进入的干扰源大为降低，提高了系统的抗干扰能力，在输入通道中还采取了低通滤波器的技术，可有效提高系统对特定频率干扰的抑制。

3.接地抗干扰
设计接地抗干扰是单片机系统抗干扰的重要方面。在本系统中，对于模拟地、数字地要分开。模拟地作为放大器、A/D转换器中模拟电路的零电位；数字地作为单片机各种数字电路的零电位，它在设计中与模拟地用Zk.的电阻来分开，避免模拟信号与数字信号之间造成相互的干扰，用2k.电阻来连接模拟地和数字地

是本仪器电路的一大创新点，经过了实际调试后效果相当的好。

3.8.2硬件系统的布板可靠
性在电子系统设计中，为了提高硬件的抗干扰能力，保证布板的可靠性是相当的重要，形成干扰的基本要素有三个：
（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，ai/dt大的地方就是干扰源，如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源；
（2）干扰传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介，典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射；
（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D转换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等.
本电路的布板从抑制干扰源、切断传播路径和保护敏感器件这三方面入手来保证布板的可靠性。

1.抑制干扰源
本电路布板设计抑制干扰源的措施有：电路板上的每个芯片都并联一个电容值很小的高频电容，用以减小板上芯片对电源的影响。PCB板上的高频电容的连线非常的靠近电源端而且相当的短而粗，这样做的目的是减小电容的等效串联电阻，不至于串联电阻太大影响电路的滤波效果。在板上布线时，本电路避免了布线中出现90度的折线，从而减小了电路中产生的高频噪声的发射，进而对电路系统的可靠性造成影响，从而干扰系统的稳定运行。

2.切断干扰传播路径
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类；所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰；高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光祸来解决；所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰.本电路布板对于切断干扰传播路径的措施如下：
本电路的晶振与单片机的引脚布置的非常的近，在布线时用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳进行接地并对其进行固定，这样做的目的是可以切断干扰的传播路径。本电路布板的分区是比较合理的，用地线把数字电路区与模拟区隔离区分开来，这样子能有效的抑制干扰源的传播途径。

3.提高敏感器件的抗千扰性能
本电路布线时的提高敏感器件抗干扰性能的措施有：在布线时本电路尽量的减少回路环的面积，这是为了降低感应噪声，从而提高电路的整体抗干扰性能。在布线时，选用的电源线和地线是相当的粗短，其作用是一方面为了减小压降，另一方面是为了降低祸合噪声。本电路的芯片的闲置端在不改变系统逻辑的情况下都接地了，是为了防止造成整个测试仪电路系统的干扰。

4.元件布置的可靠性
本电路板上的各种孔如螺钉孔、异型孔等的位置的安排布置是合理的。孔与板边距离是大于孔的直径的，PCB板的最薄弱截面也具有足够的抗弯强度，板上的接插件的可靠性是有保证的。

本测试仪的散热部分的布置是合理的，充分考虑到了对于电路中电源和其他电路的散热问题，从而保证不因为电路的发热验证而导致的系统的不稳定。

本电路的交流部分与直流部分是分开的；高频部分与低频部分同样也是分开的；对于信号线的走向也是参照规范来进行布置的。

4 高精度微电阻测试仪的软件系统设计
本章主要对微小电阻智能测试仪的软件系统进行设计的研究。

4.1系统软件的功能和组成
为实现对电流、电压信号的精确采集、滤波、放大、补偿、A/D以及利用单片机对测量获得的数量进行存储和显示，达到快速智能测量微电阻的目的，从软件方面进行设计，紧密结合硬件电路的设计流程，为达到整个系统的合理而流畅的运行，下面通过原理流程图的形式加以说明软件设计。C51语言有着以下几方面的优点：缩短开发周期、开发出的软件系统易于维护、可靠性高、可移植性好，而且有着丰富的库函数可供我们直接调用等，因此本系统的软件编写语言为C51语言。

4.2系统软件的结构
测试系统的软件设计采用模块化结构，它由主程序、数据采集子程序、数据转换子程序、显示子程序、软件可靠性设计等部分组成。

4.3主控程序
主程序主要实现对采集的数据进行存储及对己经存储的数据进行计算和处理，求出所要测量的电阻值，并进行电阻值的LED显示。图4.1为主程序流程图。

其中主要包括以下几个方面的程序：初始化程序：包括完成对单片机的初始化、系统初始化、I/0接口的初始化、数据缓冲区初始化、开放中断等工作。

数据采集程序：实现电压采集。

数据A/D转换程序：进行数据的A/D转换。

数据处理程序：进行数字滤波、误差校正、饱和判断、设定放大倍数等处理。

显示程序：对电阻值进行显示。

CPU内部定时器/计数器设计：对CPU内部的定时器/计数器进行软件设计。

软件可靠性设计：对整个软件系统进行可靠性设计。

主程序流程图如图4.1所示。程序开始，先进行上电复位，随后进行初始化，再进入数据采集子程序，再进行数据放大，然后进入A/D转换子程序，根据A/D转换芯片ADS7805的过量程和欠量程信号，对需要切换量程的在旋转到适当量程后重新进行采集，当A/D转换后的数据在量程范围内时，再进入LED显示子程序对数据进行读取。



4.4数据采集子程序
本高精度直流微电阻测试仪的数据采集子程序如图4.2所示，程序的流程如下：首先应对采集的数据进行人工判断，判断这个电阻会在总共5个量程档位中的哪个量程上，随即旋至这个量程档位，接着对于采集的数据通过低通滤波后再到由P521光祸芯片组成的光祸隔离，随后到OPI“组成的运放电路进行放大，便完成数据采集部分的工作，返回主程序。



4.5A/D数据转换子程序
本高精度直流微电阻测试仪的A/D数据转换子程序如图4.3所示，程序的流程如下：首先对A/D数据转换子程序进行初始化，随后选通片选信号，接下来对采集的数据进行A/D数据转换，数据转换完成后把数据读入单片机以判断此数据是否满足量程的饱和值，会出现三种情况，一种是过饱和状态，一旦超过饱和值则在LED显示模块上显示告警（显示器闪烁）和在蜂鸣器上声音告警，出现超过量程的饱和值的情况后应手动调节量程旋钮；另一种是欠饱和状态，出现这种情形后也应手动调节量程旋钮，直到读入单片机的数据满足量程的饱和要求的值时则把数据地址锁存，随后读取转换数据，接着返回主程序。

数据采集子程序实现电压采集，并进行A/D转换，A/D采用查询方式工作。

初判断选择适当的档位即选好放大倍数。中断有效时，执行中断服务程序操作，中断服务程序进行ADS7805的转换，实现对电压采集，同时对电压信号数字信号进行读取和存储，采用查询工作方式对转换结果进行读取。



在这个子程序中，一个重要的流程是对电流进行两次反向测量，首先经过电流方向控制单元，这是第一次正向测试电流的采集转换过程，而在是否二次电流方向这个判断单元中，如果判断是N，则循环转至电流控制方向单元再进行二次的电流采集转换。

A/D转换结果采用查询方式读取：ADS7805的存储信号STROBE连接到并口芯片8155的PA口，在程序中不停地检测PA口，直到检测到信号为止，表示A/D转换结束，可以读取转换结果。

ADS7805的转换输出16位数据分成高8位和低8位两次并行输出，ADS7805的P21脚控制分两次读取。设计中采用两次数据高位对齐，即数据存取采用左对齐。