基于MC9S12XS128的自動電阻測試儀設(shè)計

余紅英，喻 潔，楊 杰

（蕪湖信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，安徽蕪湖 241003）

基于MC9S12XS128的自動電阻測試儀設(shè)計

余紅英，喻 潔，楊 杰

（蕪湖信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，安徽蕪湖 241003）

本文以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12XS128為控制芯片，用4×4矩陣鍵盤作為人與系統(tǒng)對話設(shè)備，用自帶漢字庫的帶背光的12864LCD為顯示器，設(shè)計了自動電阻測試儀。測試儀實(shí)現(xiàn)了100Ω、1KΩ、10KΩ、10MΩ四檔位的精確測量，且在各檔位間能實(shí)現(xiàn)自動切換；同時具有電阻篩選功能；測試儀還設(shè)計了自動測量電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化的裝置，能動態(tài)顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化的曲線。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，具有相應(yīng)的靈活性和實(shí)用性。

MC9S12XS128微處理器；電阻測試；自動換擋；電阻篩選；液晶顯示

電阻是現(xiàn)代電子工業(yè)發(fā)展中最常用的電子元件之一，其測量在產(chǎn)品研發(fā)及測試中有著廣泛的應(yīng)用；隨著工業(yè)發(fā)展的需求，現(xiàn)有的萬用表測量電阻均需要手動選擇量程，無法在線測量及依據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行控制，已經(jīng)不能滿足需求。本文以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12XS128為控制芯片，用4×4矩陣鍵盤作為人與系統(tǒng)對話設(shè)備，用自帶漢字庫的帶背光的12864LCD為顯示器，設(shè)計了自動電阻測試儀，測試儀實(shí)現(xiàn)了100Ω、1KΩ、10KΩ、10MΩ四檔位的精確測量，且在各檔位間能實(shí)現(xiàn)自動切換，測試速度達(dá)到10次/秒，10KΩ以下檔位測量誤差小于0.5%，10 MΩ檔測量精度小于0.7%，總體測量精度高，讀數(shù)跳動不大于2字；同時具有電阻篩選功能；測試儀還設(shè)計了電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化自動測量并能動態(tài)顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線的裝置；系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，具有相應(yīng)的靈活性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用MC9S12XS128微處理器作為控制芯片，主要包括：恒流源、穩(wěn)壓電源、電阻/電壓轉(zhuǎn)換單元、鍵盤控制單元、單片機(jī)控制單元、量程切換單元、曲線繪制單元、電機(jī)驅(qū)動單元和顯示單元[1]。測試儀總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 自動電阻測試儀總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MC9S12XS128核心控制板

本系統(tǒng)的核心控制板是MC9S12XS128芯片的最小硬件系統(tǒng)。它有MC9S12XS128芯片、時鐘晶振電路、復(fù)位電路、濾波電感、BDM接口電路、電容及接插件等構(gòu)成。核心控制板具有多達(dá)59個第一功能為通用輸入輸出的端口，具有12位的AD采集模塊，支持12位、10位、8位三種精度選擇，實(shí)現(xiàn)測得數(shù)據(jù)的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換，具有8個獨(dú)立的帶有可編程控制頻率和占空比的PWM通道，采用軟件方式控制每個通道輸出的PWM占空比，通過電機(jī)驅(qū)動電路，控制電機(jī)帶動電位器旋轉(zhuǎn)及停止；核心控制板通過一個6針插頭將信息引出并和BDM調(diào)試器連接，用BDM調(diào)試器通過BDM接口電路向目標(biāo)板下載程序，將MC9S12XS128內(nèi)部128KBFLASH中的程序擦除，這是用BDM實(shí)現(xiàn)程序的傳輸功能[2]；也可通過BDM進(jìn)行實(shí)時在線調(diào)試、設(shè)置斷點(diǎn)、讀寫內(nèi)存、讀寫寄存器、單步執(zhí)行程序、運(yùn)行程序、停止程序運(yùn)行等操作。為提高數(shù)據(jù)處理速度，用軟件把MC9S12XS128核心控制板的時鐘頻率從16 MHZ超頻到80MHZ。核心控制板最小硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 核心控制板最小硬件系統(tǒng)

2.2 檔位自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

測試儀對于10 kΩ以下的范圍內(nèi)的電阻，采用恒流源驅(qū)動的伏安法進(jìn)行測量。為了提高測量精度,本測試儀采用了三組不同的恒流源（20mA、2mA、200uA），分別應(yīng)用于100Ω、1KΩ、10KΩ三檔；10MΩ檔則采用恒壓源輸出2.5V電壓,在電路串入高精度的電阻R2，與被測電阻串聯(lián)形成分壓電路，被測電阻上產(chǎn)生壓降UX,則有RX=UX·R2/（2.5-UX）；最后由單片機(jī)控制數(shù)字模擬開關(guān)74HC4051完成四個檔位的切換[3]。具體轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 測試檔位轉(zhuǎn)換電路

各檔位從被測電阻兩端采集的模擬電壓信號經(jīng)LM358跟隨電路后，送入MC9S12XS128單片機(jī)的AD0 (PAD00)A/D采集端口，在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)12位精度的A/D轉(zhuǎn)換，計算出此時的電壓值，轉(zhuǎn)換成電阻值。單片機(jī)的工作基準(zhǔn)電壓為5V，最小分辨電壓可達(dá)1.22 mV。

系統(tǒng)初始處在10MΩ檔位，系統(tǒng)測出電阻阻值，如果阻值大于10KΩ，則將該阻值作為此次測量結(jié)果，否則就通過數(shù)字控制模擬開關(guān)選擇10KΩ檔位，如果測得該阻值大于1 kΩ，則將該阻值作為此次結(jié)果，否則通過數(shù)字控制模擬開關(guān)選擇選擇1 kΩ檔，如果該阻值大于100Ω，則將該阻值作為此次結(jié)果;否則選擇100 Ω檔重新測量電阻。處在某個檔位時，相應(yīng)的彩色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，清晰顯示檔位的切換。在等待測量時，系統(tǒng)處在10MΩ檔；電阻阻值及檔位實(shí)時在12864液晶顯示屏上顯示。

2.3 電阻篩選電路

采用4×4矩陣鍵盤，矩陣鍵盤的8個端口接在MC9S12XS128單片機(jī)的數(shù)據(jù)端口PB0～PB7上，通過矩陣鍵盤設(shè)定篩選電阻值和誤差值，然后根據(jù)測出的被測電阻實(shí)際阻值，如果阻值在計算范圍內(nèi)，在屏幕上顯示“是”，否則在屏幕上顯示“否”，并由蜂鳴器報警提示。

2.4 電位器動態(tài)測量與顯示電路

電位器動態(tài)測量采用兩塊專用集成驅(qū)動芯片BTS7960驅(qū)動減速電機(jī)，帶動電位器轉(zhuǎn)動。通過核心控制板及軟件控制其使能輸入端和PWM的占空比，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制[4]，電機(jī)驅(qū)動電路如圖4所示，通過鍵盤選擇可控制它的轉(zhuǎn)向。

顯示電路采用12864LCD顯示模塊，如圖5所示。LCD的PSB引腳接高電平，即采用8位并行接口方式，LCD的8位數(shù)據(jù)線接在MC9S12XS128核心控制板的輸入/輸出口PA0～PA7上,LCD的RST接到PM5上，LCD的R/S、R/W、EN分別連接到PE2～PE4上，通過核心控制板與軟件控制12864的輸入輸出[5]；通過電機(jī)帶動電位器旋轉(zhuǎn)，電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化，在12864液晶顯示器上顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化的曲線[6]。實(shí)際編程運(yùn)算時，以128方向為Y值方向，表示電阻值的大小。以64方向為X方向，表示旋轉(zhuǎn)角度值。

圖4 電機(jī)驅(qū)動電路

圖5 顯示電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計采用了模塊化設(shè)計的方法，在freescale CodeWarrior環(huán)境中用C語言編寫，有利于后續(xù)開發(fā)。程序主要包括主程序、鍵盤掃描程序、A/D采集程序、自動換擋測試程序、自動篩選程序、電機(jī)驅(qū)動程序、LCD顯示程序。系統(tǒng)軟件總流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件總流程圖

系統(tǒng)的主程序主要完成MC9S12XS128單片機(jī)的系統(tǒng)初始化、中斷初始化、A/D初始化、PWM初始化、12864初始化、鍵盤掃描程序、功能測試程序、測試結(jié)果顯示程序等。系統(tǒng)軟件分支流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件分支流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)調(diào)試完成后，用3位半的數(shù)字萬用表和本系統(tǒng)對不同阻值的電阻進(jìn)行了對比測試，同時還進(jìn)行了電阻篩選測試與動態(tài)電機(jī)驅(qū)動及曲線繪制功能測試。

4.1 自動換檔測試電阻

選擇了10 KΩ、1 KΩ、100Ω、10MΩ各檔位的被測電阻3至4個，在溫度26℃，相對濕度40%的環(huán)境下進(jìn)行了電阻阻值測試，測量結(jié)果如表1所示。

表1 四種量程電阻測試結(jié)果

從測量結(jié)果可知，10KΩ以下檔位測量誤差小于0.5%，10 MΩ檔測量誤差小于0.7%，總體測量精度高，性能可靠。

4.2 自動電阻篩選功能測試

在溫度26℃，相對濕度40%的環(huán)境下進(jìn)行了自動電阻篩選測試，結(jié)果如表2所示。

表2 自動篩選電阻測試結(jié)果

根據(jù)表2測試結(jié)果可知，根據(jù)鍵盤輸入的篩選電阻值和篩選誤差，電路實(shí)現(xiàn)自動篩選功能。在所測電阻值不符合篩選條件時，蜂鳴器聲音報警。篩選測試范例如圖8所示。

4.3 電位器阻值隨角度變化曲線測量裝置功能測試

自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線裝置采用核心控制板、電機(jī)驅(qū)動電路及軟件控制驅(qū)動電機(jī)，帶動4.7K單圈線性電位器轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度和電位器電阻的線性變化，并通過液晶顯示器輸出。顯示結(jié)果如圖9所示。

圖8 篩選測試顯示界面

圖9 線性電位器勻速轉(zhuǎn)動所測電阻值的動態(tài)圖形顯示

5 結(jié)論

經(jīng)測試，本自動電阻測試儀實(shí)現(xiàn)了100Ω、1KΩ、10KΩ、10MΩ四檔位的精確測量，且在各檔位間能實(shí)現(xiàn)自動切換；系統(tǒng)很好地完成電阻測試、電阻篩選功能，幾乎無誤檢；電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化自動測量裝置能動態(tài)顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化的曲線；所有測量結(jié)果均實(shí)現(xiàn)了12864液晶顯示器的實(shí)時顯示。本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，自動換擋測試，易于拓展，可用于工業(yè)生產(chǎn)的電阻在線測量及篩選。

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Design of Automatic Resistance Testing Instrument Based on the Freescale MC9S12XS128 MCU

YUHong-ying,YUJie,YANGJie
（Wuhu Vocational College ofInformation Technology,Wuhu 241003,China）

This paper introduces a design of automatic resistance testing instrument based on Freescale 16-bit microprocessor MC9S12XS128.Its monitor is used by backlight 12864-LCD display containing Chinese character library,using a 4×4 matrix keyboard as a dialogue equipment between person and system.The testing instrument realizes accurate measure of 4 scales of resistance:100Ω,1KΩ,10KΩ and 10MΩ.It can be shifted to one another automatically in the scale of 100Ω,1KΩ,10KΩ,10MΩ.And it has the function of resistance screening.The instrument has the device which enables automatic measured resistance value of the potentiometer to change with the rotating angle,and the curves of the changing resistance value are displayed dynamically on the 12864-LCD monitor. This systemhas steadyperformance and measuringaccuracyreaches design requirements.

MC9S12XS128 microprocessor;resistance testing;automatic shifting;resistance screening;liquid crystal display

TP216

A

1008-178X（2012）09-0003-06

2012-07-19

安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程“電氣自動化技術(shù)特色專業(yè)”建設(shè)項目資助（2008TSZY53）；中央財政支持的計算機(jī)應(yīng)用職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項目（34093031510）；安徽省教學(xué)研究項目（20101289）。

余紅英（1965-），女，浙江淳安人，蕪湖信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院副教授，碩士，從事檢測技術(shù)研究。