（控制理论与控制工程专业论文）多通道接触电阻无线测控仪的研制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着中国工业的不断发展，测控装备在工业控制中的地位逐渐显现。多 通道接触电阻无线测控仪就是在这种前提下，为保障海上石油钻探平台输油 设备系统安全而研制开发的。 多通道接触电阻无线测控仪是对输油设备重要管线连接处进行实时监 测，确保连接点连接牢固、无断裂或松动隐患的测控设备。作为新型测控设 备的前端分系统，为后端系统提供可靠的数据信息支持。目前，市场上还没 有此类专门用途的实时测控设备。对接触电阻的测试，现在也多集中在微电 子、材料和电器领域，而将其应用于其他领域的也不多见。因此，无论在测 控对象，还是在接触电阻测试应用领域，本课题多通道接触电阻无线测控仪 的研制都做出了新的尝试。 本论文通过对系统各部分方案进行论证分析，研究确定系统总体设计方 案，选择芯片；完成各功能模块的硬件电路设计，论述设计原理并绘制p c b ； 研究设计系统程序流程图、编写软件程序并对各模块做台面实验。 系统采用无线星型网络结构，选用集成了数据采集各种资源、总线接口 丰富的s o c ( 片上系统) 单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 作为系统的主控芯片，控制芯片 n r f 2 4 0 1 完成中心机与终端机的无线传输、计算并输出数据控制数控恒流源 的电流输出、采集数据并预处理。利用p d i u s b d l 2 完成u s b l 1 接口硬件电路， 实现系统中心机与主控机之间的实时通信。通过反馈闭环p i d 控制，使数控 恒流源电流输出更加精确，减小电流输出误差。采用软件滤波、硬件滤波、 p c b 多层制板等技术有效减小各种干扰，以提高系统性能。 经台面实验，本论文研制的多通道接触电阻无线测控仪实现了各部分的 功能、达到了预期效果、验证了系统设计方案的可行性、并可为今后类似设 备的设计开发提供参考。 关键词：接触电阻，数控恒流源，无线通信，u s b ，c 8 0 5 1 f 0 4 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e u n c e a s i n gd e v e l o p m e n t o ft h ec h i n e s ei n d u s t r y , t h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n th a sa p p e a r e dg r a d u a l l yi ni n d u s t r i a lc o n t r o l f i e l d i nt h i sk i n do fp r e m i s e ，m u l f i c h a n n e lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n t f o rc o n t a c tr e s i s t a n c ei nw i r e l e s si sd e v e l o p e df o rt h es y s t e ms a f e t yo fo i l t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n to f t h em a r i n eo i ld r i l l 她p l a t f o r m m u l f i c h a t m e lm e a l s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n tf o rc o n t a c tr e s i s t a n c ei n w i r e l e s sc a r r i e so nt h er e a l - t i m em o m _ t o rt oi m p o r t a n tp i p e l i n ej u n c t i o no ft h eo i l t r a n s f e re q u i p m e n t ，g u a r a n t e e st h ej u n c t i o nc o n n e c t i o nr e l i a b l e ，d o e sn o th a v et h e b r e a ko rl o o s eh i d d e nd a n g e r a st h ef i ：o n ts u b s y s t e mo ft h en e wm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gi n s t r u m e n t , i tp r o v i d e st h er e l i a b l ed a t am e s s a g ef o rt h er e a re n d s u b s y s t e m a tp r e s e n t ，t h i s k i n d o fp r o f e s s i o n a lr e a l t i m em e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gi n s t r u m e n th a sn o ta p p e a r e di nt h em a r k e t t h ec o n t a c tr e s i s t a n c e st e s t i sm o s t l ya p p l i e di nt h ef i e l do fm i c r oe l e c t r o n ，t h em a t e r i a la n dt h ee l e c t r i c a p p l i a n c e ，b u ta p p l i e d i ti no t h e rf i e l di s n ts e e n t h e r e f o r e ，r e g a r d l e s si n m e a s u r e do b j e c to ri nt h ec o n t a c tr e s i s t a n c et e s ta p p l i c a t i o nd o m a i n , t h i st o p i co f t h ed e v e l o p m e n to fm u l f i c h a n n e lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n tf o r c o n t a c tr e s i s t a n c ei nw i r e l e s sm a d ea l ln e wa t t e m p t t h r o u g ht h ed e m o n s t r a t i o nt ov a r i o u sp a r to fs y s t e md e s i g np l a n , t h ep a p e r r e s e a r c h e da n dd e t e r m i n e dt h eo v e r a l ls y s t e mp r o j e c td e s i g n ，c h o i c e dt h ec h i p ； c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s ，d i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo fd e s i g ni nd e t a i la n dd r a w st h ep c b ；r e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h e s y s t e mf l o wc h a r t ，w r o t et h es o f t w a r ep r o g r a ma n dd i dt h et a b l et e s tt ov a r i o u s m o d u l e s t h es y s t e mu s e dt h ew i r e l e s ss t a rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，s e l e c t e dt h es o c ( o n p i e c es y s t e m ) m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tc 8 0 5 1f 0 4 0i n t e g r a t e dd a t aa c q u i s i t i o n r e s o u r c e sa n db u si n t e r f a c ea ss y s t e m sm a s t e rc o n t r o lc h i pt oc o n t r o lt h ec h i po f n r f 2 4 0 1t oc o m p l e t e dt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd u t yb e t w e e nt h ec e n t r a la n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h et e r m i n a l ，c o m p u t e da n do u t p u tt h ed a t at oc o n t r o lt h ec o n s t a n tc u r r e n to ft h e d i g i t a lc o n s t a n t - c u r r e n tp o w e r ，a c q u i s i t e da n dp r o c e s s e dt h ed a t a c o m p l e t e d t h e h a r d w a r ei n t i 耐乱ec i r c u i t & s i g no fu s b l 1u s i n gp d s b d l 2 ，r e a l i z e dt h e r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec e n t r a la n dt h em a s t e rc o n t r o lm a c h i n e t h r o u g ht h ef e e d b a c kc l o s e d - l o o pp i dc o n t r o l ，c a u s e dt h ee l e c t r i cc u r r e n to u t p u t o ft h ed i g i t a lc o n s t a n t - c u r r e n tp o w e rm o r ep r e c i s et or e d u c et h em e a s u r i n g0 t r o t u s e dt h es o f t w a r ef i l t e r ，t h eh a r d w a r ef i l t e ra n dt h ep c bm u l t i - l a y e rb o a r d t e c h n o l o g ya n ds oo nt or e d u c ee a c hk i n d so fd i s n l r b a n c et oe n h a n c et h es y s t e m p e r f o r m a n c e a f t e rt h et a b l et e s t ，m u l t i c h a n n e lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s m t m e n tf o r c o n t a c tr e s i s t a n c ei nw i r e l e s so ft h ep a p e rd e v e l o p e dh a sr e a l i z e dt h ef u n c t i o no f v a r i o u sp a r t , a c h i e v e dt h ee x p e c t a t i o ne f f e c t ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fs y s t e m d e s i g np l a n , a n dm a yp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h en e x ts i m i l a re q u i p m e n t s d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o n t a c tr e s i s t a n c e ，m g i t a lc o n s t a n t - c u r r e n tp o w e r ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , u s b ，c 8 0 5 1 f 0 4 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 日期聊年月引日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及背景 经济的发展、科技的进步，人类社会对能源的需求越来越多。石油资源 作为主要能源，其需求压力也越来越大。在陆地开采的同时，人们已经把目 光更多的投向了海洋石油资源的开发上。因此海洋石油平台开采、输送设备 的安全可靠性尤为重要。在海洋平台输油管线的连接部分在装配完毕后，由 于长期自然氧化和腐蚀，加之热作用和长期振动使连接处松动，对输油安全 造成威胁。因此需要一种能对关键部位实时监测，确保安全的测控设备。本 学位论文课题就源于此。目前市场上还没有类似的测控设备，因此，对此课 题研究是很有意义的。 1 2 测控装备研发的意义 随着现代工业的超大型化、高参数化、工况复杂化，测量和控制技术已 成为现代工业的核心技术之一，测试装备和控制系统己成为重大装备不可分 割的重要组成部分。 我国正处在工业经济的高速发展期，能源、重化工等产业是工业经济的 支柱产业，大型电力、石化、冶金企业的重大装备是多种技术和众多设备的 集成。测试设备和自控系统监测控制整个工艺流程和产品质量，保障重大装 备的安全可靠运行和实施高效优化，是整个装备的神经中枢、运行中心和安 全屏障。没有控制系统和关键测试设备的自主创新，就不能完整、自主地掌 握和发展重大装备的核心技术。 工业企业的信息化必须解决信息的采集、测量、处理、应用和传输等技 术及其相关设备。仪器仪表是各种复杂工况下的信息采集测量设备，控制系 统是信息的实时处理应用设备。典型的信息化工业企业由过程控制系统 ( p c s ) 、生产管理系统( 把s ) 和企业资源管理系统( e r p ) 三级组成。 测试和控制设备是节约能源、保护环境、实现循环经济的重要手段。环 境检测，江河治理，污染源监控，环境突发事件处理，电、油、气、水的合 理分配利用都要依靠大量的测试设备和监控系统。“十一五 规划提出大力 发展高科技产业和加强战略领域的基础研究，关键精密测试仪器是高科技产 哈尔滨工程大学硕士学位论文 业和前沿科学研究不可或缺的重要装备。 自主创新加快经济发展是国策，振兴装备制造业是义不容辞的任务，也 是不可推卸的责任。 1 3 智能仪表 随着中国工业的发展，中国测控装备制造业的春天已然来临。在国家大 力倡导自主创新的今天，测控装备的自主研发空间广大。测控装备的发展越 来越多的引入了智能仪表的概念，当今智能仪表已成为测控装备不可或缺的 重要部分，因此，要研发测控装备必须了解智能仪表的知识，将智能仪表的 设计融入到测控系统中。 1 3 1 智能仪表的概念及其发展现状 工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分 析，并根据处理结果对生产过程进行控制的重要技术工具。其中包括检测仪 表、分析仪表、执行与控制仪表、记录仪表等几大类，也有将几部分功能集 成在一起的仪表。工业自动化仪表是工业控制领域的基础和核心之一。 微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本 性变革，即以微型计算机( 单片机或嵌入式系统) 为主体，代替传统仪表的常 规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表，称为智能仪表。这类仪 表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功 能部件、接口电路和输入输出通道的设计，以及应用软件的开发。传统模拟 式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系统为主体 的仪表中，则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编 程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，来完成众多的数 据处理和控制任务。 目前智能仪表的发展现状可以从对传统仪表的改进和新型仪表的出现两 方面来归纳。传统的仪表引入m c u 及各类半导体新器件后，不但工作速度有 了跨越式提高，在测量精度、运行可靠性、稳定性、存储容量等方面也有了 较大的提高。除此，新的技术还使传统仪表具有了自校准、自适应、自学习 等功能，使精度和可靠性进一步得到提高。 当前无论在人们生活周围还是工业现场都能发现智能仪表的踪迹，有些 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 虽然不是以一台完整仪表的形式出现，但也已经具备了智能仪表的特点。如 以前一个变送器只能测量一个通道或者一种物理量，而如今一个变送器可以 同时测量多个通道甚至是多种物理量。并且，测量时还可以对信号进行一定 的滤波处理n 儿羽。 总之，智能仪表已经被运用到了国民经济和国防建设的各个领域，逐渐 发挥起举足轻重的作用。随着半导体电子技术的高速发展，智能仪表已经展 现出前所未有的特性。智能仪表的内涵和外延也将随之不断扩展。 1 3 2 智能仪表的设计 1 3 2 1 设计过程和要点 研制与开发一台智能仪表是一个复杂的过程，这一过程包括：分析仪表 的功能要求和拟制总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路 和编制程序，以及仪表的调试和性能功能测试等等。为保证仪表质量和提高 研制效率，应在正确的设计思想指导下进行仪表研制的各项工作。下面简述 智能仪表设计中为大多数学者所肯定的两个设计要点： ( 1 ) 模块化设计 依据仪表的功能、精度要求和经济技术指标，自上而下( 或由大到小) 按仪表功能层出把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计与调试，然后 把它们连接起来，进行总调，这就是设计仪表的最基本的思想。 模块化设计的优点是：无论硬件还是软件，每个模块都相对独立，故能 独立地进行研制和修改，从而使复杂的研制工作得到简化。同时模块化设计 方式有助于研制工作的分解和设计研制人员之间的分工合作，从而提高了工 作效率和研制速度。 ( 2 ) 模块的链接 上述各种软、硬件研制和调试之后还需要将它们按一定的方式连接起来， 才能构成完整的仪表，以实现既定的各种功能。软件模块的链接一般是通过 监控程序调用各种功能模块，或采用中断的方法实时地执行相应服务模块来 实现。 硬件模块连接方式有两种，一种是以主机模块为核心，通过设计者自行 定义的内部总线( 数据总线、地址总线和控制总线) 连接其它模块；另种是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以标淮总线连接其它模块( 例如c a n 总线等) 。 1 3 2 2 设计技术 智能仪表设计技术是与测控技术、电子技术、微机技术以及生产工艺水 平密切相关的，除了仪表的体系结构、电路设计、电路调试、软件编程、实 现功能的方法和算法以外，还包括电子元器件、机械结构、编程调试手段、 焊接制作工艺等。可以说，作为一个小型的微机化控制部件，智能仪表设计 涵盖了计算机控制系统设计的所有方面，而由于其结构的特殊性，它对实现 技术的要求更高。 就工业自动化应用领域而言，目前国外大公司生产的智能仪表几乎都采 用了专用仪表集成电路，即针对某一类仪表设计的要求设计集成电路芯片， 芯片中包括了i d c u 、a d d a 、显示键盘电路接口、测量电路和控制电路等，在 保证仪表功能和精度的前提下，最大限度地将仪表电路“浓缩到 专用芯片 中，简化仪表电路。这些仪表无一例外地采用了表面贴装工艺、自动化流水 线焊接，电路调试和测试也是在计算机辅助下完成的乜3 。 一般说来，智能仪表设计技术的发展主要表现在功能和应用两个方面。 前者是指采用新的仪表电路结构和新型电子元器件，研究新的算法，改善仪 表的性能指标，增加新的仪表功能，提高仪表的可靠性等；后者是指拓展仪 表的应用领域，使仪表适应新的应用条件和应用环境。两者是相辅相成的。 1 4 本课题的主要研究内容 本系统研究主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 详细研究现有的测试产品技术应用及其性能，进行系统方案论证， 设计系统组成原理并对各部分关键技术进行研究分析，选用合适的芯片； ( 2 ) 根据各部分功能需要，完善各功能模块设计，设计硬件电路； ( 3 ) 编写各模块接口控制程序和辅助功能程序； ( 4 ) 通过实验室台面实验，对各模块进行功能和数据测试，并根据实验 结果对设计进行调试和改进。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多通道接触电阻无线测控仪系统方案论证 与原理设计 由于本题研制的多通道接触电阻无线测控仪应用环境和功能与现有的接 触电阻测试设备的不同，因此，该测控仪在总体设计与测试技术方面都存在 着一定的差异，尤其要考虑到测控仪工作环境复杂、测试点多、被测试设备 的安全性等诸多因素，为了满足这些要求必须对测控仪各部分技术进行详细 的分析讨论，选用最合适的技术和应用器件。 2 1 测控仪系统方案论证 接触件接触形式有三种( 即点接触、线接触、面接触) 。各种形式的接触 都将在接触部位产生电阻，这种在两个接触元件的接触部位产生的电阻叫接 触电阻。影响接触电阻的因素很多包括： ( 1 ) 材料的性质：电阻率、硬度、化学性质、金属化合物的机械强度与 电阻率； ( 2 ) 接触面的状况：当接触面形成氧化膜时( 银例外) 氧化膜比金属本 身的电阻要大得多； ( 3 ) 接触压力； ( 4 ) 接触表面的粗糙度。 接触电阻可由下式表示：r - - k ( 0 1 p ) 刀。式中，r 为接触电阻；p 为接触压力；k 为与接触材料的物理、化学性质以及接触表面情况有关的系 数；力为与接触形式、压力范围和实际接触面的数目有关的指数( 实验证明， 在接触压力不太大的范围内，对于点接触，n = 0 5 ；线接触，n = 0 7 ；面接 触，2 = 1 ) 哺1 。由此可见，接触电阻的大小主要与接触压力有关。当接触压 力保持不变或其变化几乎可以忽略时，所对应的接触电阻叫静态接触电阻； 由于运动是绝对的，实际使用环境必将对接触部位施加变化的压力，接触电 阻的大小也必将随接触压力的数值、方向及时间的变化而变化，这样的接触 电阻叫动态接触电阻。由于这种变化是受外界动态环境的影响而在极短的时 间内发生的，接触元件可能受到挤压而导致接触电阻减小；也可能受到牵引 而导致接触电阻增加，甚至致使连接中断而造成严重后果h 3 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣暑暑宣；宣i 宣暑置置i 宣昌暑昌宣i i ；i 宣宣眚；i i 皇h i l l 置 当两连接件链接完毕后，除接触压力外，各影响接触电阻的因素已基本 确定，接触压力的大小将直接影响接触电阻的大小。因此，欲检测连接处连 接是否正常，即检测连接处接触电阻是否在允许范围即可。 系统要求对连接部位进行实时测量、监控，加之测量点多，现场环境复 杂等因素，应用传统的布线形式，势必造成产品成本增加，实时性差、不稳 定等诸多问题，因此，在数据传输方面，应考虑应用其他无线通信方法来完 成数据传输的任务。 目前市场上接触电阻测试仪种类繁多，功能各有不同。如常州金科安联 科技有限公司生产的j k 2 5 1 1 接触电阻( 直流低电阻) 测试仪、苏州精创科学 仪器有限公司生产的z y 9 6 3 2 9 7 3 3 9 9 8 6 继电器接触电阻快速测量仪、上海来 扬电气科技有限公司生产的h 乙y 一型接触电阻测试仪等产品，他们大多适用 于变压器及电感线圈铜阻，继电器接触电阻、开关、接插接触电阻、导线电 阻、元器件焊点接触电阻、印制板线条及焊孔电阻等。传统的接触电阻测试 仪表多为单回路，开尔文电桥四端测试法、2 4 档量程、l e d 显示，无数据 存储功能。测量时只能手工，单点单次测量，费时费力、实时性差，且只能 测试分立元件，对接入网络、待测电阻含有等效串并联电阻的器件电阻无法 测量。l e d 显示虽然具有清晰度好，寿命长，驱动电路简单，响应时间短等 特点，但l e d 显示耗电量大，画面单一，只能显示数字和简单的字母。当仪 表需要较多人机对话功能以及显示数据曲线等复杂图像时，如果继续用l e d 显示，不但操作繁琐，而且不直观。而对于图像显示，l e d 更是无能为力。 只能借助外部记录工具。并且传统记录方式：机械有纸记录、有笔记录，不但 成本高，可靠性差，而且效率不高，效果不理想。测试方法多为大电流低阻 测试j 此种方法在测量分立元件时可以不忽略热效应作用，但本产品技术应 用环境不同，还必须对测试原理进行改进，以满足需要。 因此，本课题主要研究的是一个多通道的、实时测量监控的、接触电阻 数据采集控制系统。采用分布式系统操作，用多个处理器分块指挥多个采集 通道的运作，由专门的模块负责与中心机对话，完成上传下达的接口作用。 这种系统用专门的模块向中心机传送数据，因此具有系统延时小，采集速度 快，精度高，易于扩充等优点。中心机与主控机相连，主控机负责整个系统 的控制和数据分析、存储和图像显示工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多通道接触电阻数据采集测控系统可同时输入多路信号，并对这些信号 进行前置处理、自动采样。转换和存储，由m c u 把经过预处理的信息上传至 中心机。在工作现场，数据采集系统的终端机部分位于设备附近，常在较恶 劣的环境下工作，接收来自现场的多种信号，因此要加入滤波技术对干扰信 号进行滤波，终端机将数据以数字信号形式传给中心机，当采集数据值超过 预定临界值，系统报警，操作人员可以从所设计的主控机看到现场的测量数 据，根据情况作进一步的处理。 2 2 测控仪系统原理设计 通过系统方案论证，整个系统采用无线星型网络通信结构。对于中心机 和终端机的设计，考虑到设备开发设计周期、可延续性和扩展性、今后可维 修性等因素，系统设计采用模块化的设计思想进行详细设计。 2 2 1 系统总体设计 图2 1 星型模式框图 常见的点对多点通信系统多采用环型和星型两种模式。其中，环型系统 主要用于传输距离较远且实时性要求不高的场合；而星型系统则特别适用于 近距离条件下，数据量较大且实时性要求较高的场合，通信模式框图如图2 1 所示。 2 2 2 中心机设计 中心机主要完成与主控机和终端机的数据通信功能。中心机m c u 相对于 终端机工作任务量较小，只对数据作简单处理后，发送到主控机或终端机。 大量的数据运算处理任务交由主控机来完成。 中心机结构如图2 2 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 薯；暑i i 宣置昌葺昌；置i i i i i 宣i i i i 眚宣i ；i i ；i 鲁i 宣i i i i ；i i ；i i i 暑昌暑葺昌暑i 暑i 置i 宣宣i i i i 暑；置葺皇圈 图2 2 中心机结构框图 2 2 3 终端机设计 终端机主要由m c u 、无线数传模块、电源模块、数控恒流源模块、测量与 数据采集模块等主要部分组成。d a c 将来自m c u 的数字量转换为相应的模拟 量输入到恒流源，恒流源根据输入模拟量的大小输出一个与负载无关的恒定 电流，恒定电流经过待测电阻，测量与数据采集模块工作对其电压值进行采 样、滤波、调整，模拟量经a d c 转换为相应的数字量送到m c u ，m c u 对这些数 字量进行预处理，通过无线数传模块发送到中心机。其结构如图2 3 所示。 图2 3 终端机结构框图 2 3 电阻测试技术设计 在电阻测试技术中有很多的测试方法，根据测量的电阻量值不同和测试 环境的不同，应用不同的测试方法。我们比较熟悉的有恒流测压法、惠斯通电 桥法和单臂电桥法等两线测试方法。这些方法的测量范围是很大的，由几十欧 姆到几兆欧姆。其测量的阻值远远大于测试引线电阻和测试探针与测试点的 接触电阻。但当被测电阻阻值小于几欧，测试引线的电阻和探针与测试点的 接触电阻与被测电阻相比已不能忽略不计时，若仍采用两线测试方法必将导 致测试误差增大。此时可采用开尔文连接方式( 或称四线测试方式) 来进行测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 试。对于施加的恒定激励电流能全部流过被测电阻的情况下，使用开尔文方法 测试是很简便的，比如测试单个电阻。但我们还常常遇到被测电阻与一个电阻 网络并联的情况，这个电阻网络会对施加电流有分流作用，导致无法采用上述 方法进行测试，在这种情况下必须采用电阻隔离测试技术。 2 3 1 恒流测压法 图2 4 中，r 是引线电阻与接触电阻之和；，是程控恒流电流源；y 是具 有极高输入阻抗的电压表，它对恒流电流源不产生分流作用。施加己知的恒 定电流厶流过被测电阻r ，然后测量出电阻两端的电压玎当r ，时， 根据公式足= v z 就可算出电阻值。 图2 4 恒流测压法 2 3 2 惠斯通电桥法 图2 5 中，巧，是程控恒压电源；是标准电阻；置是被测电阻； 是电流表。当电桥平衡即流过电流表，的电流为零时，郁i v 2 = 如墨， 由此可计算出气= kx 砭k 。 r s c d 图2 5 惠斯通电桥法图2 6 双臂电桥测试法 2 3 3 双臂电桥法 单臂电桥测量范围为l o 1 0 6 q ，单电桥测几欧姆的低电阻时，引线电阻 和接触电阻已经不可忽略。而双臂电桥适用于1 0 _ 6 1 0 2 q 电阻的测量，它是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 改进的单臂电桥，如图2 6 所示。将电桥中的中低电阻足和刀改成四端接法， 并在桥路中增加两个高阻电阻r 和兄，则大大降低了引线电阻和接触电阻的 影响。当被测电阻阻值远远大于测试引线电阻和测试探针与测试点的接触电 阻时，采用两线测试的基本方法是可行的，并且也可以获得相当高的测试精 度鄹。 2 3 4 开尔文测试法 当被测电阻阻值小于几欧，测试引线的电阻和探针与测试点的接触电阻 与被测电阻相比已不能忽略不计时，若仍采用两线测试方法必将导致测试误 差增大。此时可采用开尔文连接测试法( 或称四线测试法) 来进行测试，如图 2 7 所示。 开尔文测试法，其有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线f 和一 条检测线s ，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求s 线必须接到一个 有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线s 的电流极小，近似为零。用r 表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路的电流为 零，在巧、吃上的压降也为零，而激励电流j 在巧、吃上的压降不影响j 在被 测电阻上的压降，所以电压表可以准确测出冠两端的电压值，从而准确测量 出冠的阻值。测试结果和r 无关，有效地减小了测量误差陆3 。按照作用和电位 的高低，这四条线分别被称为高电位施加线( h f ) 、低电位施加线( l f ) 、高电位 检测线( h s ) 和低电位检测线( l s ) 嘲。 2 3 5 电阻隔离测试法 对于施加的恒定激励电流能全部流过被测电阻的情况下，使用上述方法 测试是很简便的，比如测试单个电阻。但还常常遇到被测电阻与一个电阻网 络并联的情况，这个电阻网络会对施加电流有分流作用，导致无法采用上述 方法进行测试，在这种情况下必须采用电阻隔离测试技术，其测试电路原理 如图2 8 所示。 图2 8 中，足是被测电阻，巧、r 2 串联后再与足并联；a 1 、a 2 是高输入 阻抗、高精度运算放大器；d v a 是高输入阻抗、高精度差分电压的程控放大 倍数仪用放大器，它的输出与数模转换器a d c 相连；d a c 是电流输出型数模转 换器，d a c 与a l 构成程控恒流源，根据计算机控制d a c 输出不同的恒定电流 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。a 2 构成电压跟随电路使圪= 虼，从而= o 。因此计算机通过电流输出 d a c 设定t 就控制了流过被测电阻b 的电流，再通过由d v a 和a d c 构成的电 压测试电路测试出足两端的电压就可以算出是的阻值。这种方法等效于将吒 断开，把被测电阻单独隔离开来进行测试的情况，因此称其为电阻隔离测试技 术m 。 h prl p s 图2 7 开尔文四线测试法图2 8 电阻隔离测试法 恒流测压法是电阻测量的简便实用方法，一般适用于待测电阻远大于引 线电阻和接触电阻，即兄 r 。惠斯通电桥法和双臂电桥法虽然提高了测 试精度，但需另外设计电流测量电路，增加了测控仪的开发难度。电阻隔离 测试技术通过计算机控制使测试方便简洁，但由于d a c 输出能力有限，并不 适用。 综上所述，测试方案选用开尔文四端测试法对接触电阻进行测量。 2 4 终端机与中心机通信系统技术设计及芯片选择 一切完成信息传输任务的系统可称为通信系统。它包括有线或无线，如 电报、电话、广播、电视、雷达以及数据传输等。一个完整的通信系统的概 括组成框图可用图2 9 来表示。 信源 ： 接收信号 ii 图2 9 通信系统方框图 信源：信源就是信息的来源。 输入变换器：它的作用是将信息变换成相应的电信号，不同的信源需要 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不同的变换器。 发射设备：它完成信号的处理，将电信号变换为适合在不同信道内传输 的信号。 接收设备：它将由信道送来的信号还原为源端的电信号。 输出变换器：它的作用是将传输来的电信号变换成所需要的信息形式。 信道：它是发射设备和接收设备中间的传输媒介，表明信号传输的途径。 信道的种类很多，大体上可分为以下几种： ( 1 ) 无线信道：它是利用自由空间、电离层等来传输信号，属于无线通 唐 1 日o ( 2 ) 有线通道：它是利用架空明线或电缆来传输信号，属于有线通信。 ( 3 ) 光通道：它是利用纤维光缆来传输信号，属于光通道。 由于每种信道的传输特性不同，因此根据不同的通信方式、环境和条件， 必须选择不同的信道。 多通道接触电阻测控仪应用环境工作节点多、工作环境复杂、布线困难、 且实时性要求高，因此综合考虑选用星型网络的无线信道传输方式。 2 4 1 无线通信技术设计 目前应用于数据传输的短距离无线通信技术主要有红外技术，蓝牙技术， 8 0 2 1 l b 无线局域网标准技术和微功率短距离无线通信技术，先简介如下： 2 4 1 1 红外技术 红外通信技术采用人眼看不到的红外光传输信息，是使用最广泛的无线 技术，它利用红外光的通断表示计算机中的o - 1 逻辑，通常有效作用半径2 米，发射角一般不超过2 0 度，传统速度可达4m b i t s ，1 9 9 5 年i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 将通信速率扩展到的高达1 6 m b i t s ，红外技术采用 点到点的连接方式，具有方向性，数据传输干扰少，速度快，保密性强，价 格便宜，因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，p d a ，移动电话等移动设 备，但红外技术只限于两台设备通讯，无法灵活构成网络，而且红外技术只 是一种视距传输技术，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物，有效距离小， 且无法用于边移动边使用的设备陋m 3 。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1|tt i i iti暑暑萱 2 4 1 2 蓝牙技术 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，它采用无线电射频技术实现设备 之闻的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据 和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网 之间也可以形成分布式网络( s c a t t e r n e t ) ，从而方便，快速的实现各类设 备之间的通信，蓝牙技术使用2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 频段，具有全球可操作性，最大传输率1 m b i t s ，当发射功率为l m w 时，有 效距离小于等于1 0 米，适合于鼠标，键盘等短距离设备，当功率为l o o m w 时，适合于移动电话，笔记本电脑等经常变动环境的设备。它采用跳频扩频 f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p r e c t r u m ) 技术，具有非常可靠的数据 和语音传输能力，蓝牙芯片尺寸小，功率低，其应用越来越广泛。但一个微 微网同时连接的设备个数不能多8 个，当多于8 个时只能通过建立多个微微 网，利用跨两个微微网的设备进行连接，会造成网速下降，蓝牙技术更强调 设备之间的连接，而不是客户机与服务器之间的连接，并且蓝牙技术尚无国际 标准，只有蓝牙利益集团制定的行业标准嘲渤。 2 4 1 38 0 2 1 1 b 技术 i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 8 0 2 1 1 b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用2 4 g h z 的i s m 频段，8 0 2 t l b 协议 主要工作在o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) 的物理层 和数据链路层，其物理层支持5 5 船i t s 和l lm b i t s 两种速度，采用直接 序列扩谱d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技术进行调制解调增 强了抗于扰能力，提高了传输速度，并使用动态速率漂移，数据传输速率可 根据环境在1 1m b i t s 、5 5m s i t s 、2 衄i t s 、lm b i t s 之间自动切换， 有效通讯距离1 0 0 - - 3 0 0 米n 们，8 0 2 1 1 无线网络的最大优点是兼容性，只要 在原有网络上装上无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，就可以提供无线网络服 务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局 域网一样方便，却免除了布线的麻烦。8 0 2 1 1 b 具有有线对等私有协议w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 确保数据安全。以其具有穿透能力，全方位 传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵， 妨碍了其推广和应用。 2 4 1 4 微功率短距离无线通信技术 它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件 构成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议， 用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操 作即可实现基本的数据无线传输功能，因其功率小，开发简单快速而应用广 泛，在工业，民用领域使用较广。 各种短距离无线通信技术主要性能列表比较如下表2 1 所示： 表2 1 各种短距离无线通信技术主要性能比较 微功率短距离无线通 红外技术蓝牙技术 8 0 2 1 1 b 信技术 系统功耗较高局较低最低 通信距离 l o m l o o m 3 0 0 m 3 0 0 m 通信速率 2m b s 可高达5 0 0 m b p s 通信频率红外频率 2 4 g k t z 2 4 g i t z 2 4 1 0 6 g h z 频率申请否否否否 开发难度易难难易 通信方式红外蓝牙 8 0 2 1 l bf s k 模块成本很低向很高低 通过对各种无线通信传输技术的比较后得出结论，由于普通射频芯片开 发简单快速，功率小，功能简单，携带方便，使得其在无线产品中得到了广 泛的应用，因此我们将采用普通射频芯片来实现短距离无线通信的目的。 2 4 2 无线模块芯片选择 无线通信的方式有很多种方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。 因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑 系统使用的环境，所选的结果要尽量简单实用、易于实现、器件的选择要考 虑合适的参数、稳定的性能、较低的功效、低廉的成本。 选择无线收发芯片要根据系统性能要求进行综合考虑，主要有以下几点： ( 1 ) 收发芯片数据传输的编码方式 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用曼切斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更 多的内存和程序容量，并且曼切斯特编码大大降低数据传输的速率，一般仅 能达到标称速率的i 3 。而采用串口传输的芯片，因为串口的编程相对简单， 应用及编程非常简单，并且传送的速率很高，标称频率就是实际速率。 ( 2 ) 外围软件数量 芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的复杂性。 因此应该选择外围元件少的收发芯片。 ( 3 ) 功耗 由于无线收发芯片是应用在一些移动的产品上，因此功耗非常重要，应 该根据需要选择综合功耗较小的模块。 ( 4