經(jīng)驗介紹： 基于CAN總線和LabVIEW的交流數(shù)字電橋
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作者：田恬
在精密測量中，電阻通常用手動平衡的交流電橋進(jìn)行測量。然而在手動平衡時，電阻的變化必然還含著雜散的交流成分和導(dǎo)線電阻；另一缺點(diǎn)就是平衡需要時間。
隨之，出現(xiàn)了一種新型的RLC數(shù)字電橋。RLC數(shù)字電橋較之前的平衡電橋使用起來非常簡單方便，所以應(yīng)用越來越廣泛。
目前常見進(jìn)口和國產(chǎn)的高精度RLC電橋，均采用阻抗．矢量電壓法測量各參數(shù)。通常這些儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對元器件要求較高、選配和調(diào)試?yán)щy、生產(chǎn)成本高、體積較大、需220 V交流供電，其推廣受到限制。
本文采用簡單的測量電路實現(xiàn)對于電阻的測量，
結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，只需電池供電，便于攜帶，
最主要的是其具有遠(yuǎn)距離實時監(jiān)測的功能。
1 交流電橋電阻測量原理
交流電阻測量原理如圖l所示。前端測量電路借鑒了RLC電橋，待測器件的阻值可由下式算出：式中：R精密為精密電阻的阻值；U待測和U精密分別為待測電阻和精密電阻兩端電壓值。
利用電壓跟隨器及差動放大器采集待測器件及已知阻值的電阻兩端電壓差，通過信號處理電路后，利用A/D轉(zhuǎn)換，將直流信號送入單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，得出待測器件的阻值。隨后，通過CAN總線將獲得的待測器件的電阻值送至另一塊單片機(jī)，并利用LabVIEW開發(fā)平臺，進(jìn)行實時監(jiān)測。
2數(shù)字電橋硬件電路
硬件設(shè)計主要有交流信號源電路、信號處理電路、單片機(jī)主控電路和CAN通信電路。
2.1交流信號源電路
如圖2所示，用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生方波后，再通過一個壓控電壓源型二階低通濾波電路得到正弦波信號。
為提高電源的帶負(fù)載能力，提高輸出功率，減小信號失真，在二階低通濾波電路后增加一個如圖3所示的功率放大電路。
若要實現(xiàn)正弦波激勵信號的幅值可調(diào)，可在功率放大電路后添加一個放大電路。
2.2信號處理電路
信號處理電路包括電壓跟隨器、差動放大電路、移相電路、相敏檢波電路和低通濾波電路。
2. 2.1 電壓跟隨器和差動放大電路
如圖4所示，將待測電阻兩端電壓分別送人電壓跟隨器，再將信號分別送到差動放大電路的兩輸入端，取出差動信號，即可以得到待測電阻的電壓。另一路測量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓的電路也相同。
2.2.2相敏檢波電路和移相電路
采用如圖5所示的相敏檢波電路可明顯提高測量儀的檢測精度和抗噪能力，使測量結(jié)果穩(wěn)定。
如果相敏檢波電路的輸入信號與參考信號同相，即可輸出一個在零線以上的全波，輸出始終為正。若兩輸入信號反相，則為在零線以下的全波，輸出始終為負(fù)。
然而，信號在傳遞過程中產(chǎn)生了相位的偏移，即與參考信號的相位有一定的差值，這就需要通過一個如圖6所示的移相電路，保證與參考信號的相位相同或相反。
2.2.3低通濾波電路
將一個周期信號f(t）進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開：
低通濾波電路是使低于截止頻率的信號通過，高于截止頻率的信號不能通過。當(dāng)截止頻率低于w時，輸出的信號即為輸入信號的傅里葉級數(shù)展開的直流分量ao，即輸入信號的平均值。
2.3單片機(jī)主控電路
主控電路共有兩塊單片機(jī)，前一片單片機(jī)的主控芯片是STC12C5A60S2，它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍。這塊單片機(jī)實現(xiàn)了量程的切換、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、LCD顯示、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。量程的切換通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)實現(xiàn)，即將不同阻值的精密電阻接入測量電路中。
后一片單片機(jī)則使用STC89S52，實現(xiàn)通過CAN總線從前一片單片機(jī)接收數(shù)據(jù)和利用串口通信向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.4 CAN通信電路
使用的CAN通信電路如圖7所示，包括MCP2515CAN控制器和TJA1050 CAN收發(fā)器。單片機(jī)通過SPI協(xié)議實現(xiàn)對MCP2515 CAN控制器的控制，進(jìn)而實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
3軟件設(shè)計
分別對兩片單片機(jī)進(jìn)行編程，實現(xiàn)各自的功能。
前一片單片機(jī)流程圖如圖8所示，在完成各個部分的初始化及上電自檢后，分別通過A/D轉(zhuǎn)換讀取兩路模擬信號的電壓值，進(jìn)行阻值的計算，通過計算所得的阻值匹配相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻以提高精度。匹配成功后，實現(xiàn)LCD的顯示及數(shù)據(jù)的發(fā)送。
后一片單片機(jī)流程圖如圖9所示，主要實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的接收，并將其通過串口通信發(fā)送至上位機(jī)二若接收到數(shù)據(jù)，則在中斷服務(wù)程序中對標(biāo)志變量進(jìn)行置1操作，在主程序中通過對該標(biāo)志的判斷，進(jìn)行LCD的顯示及數(shù)據(jù)發(fā)送。
上位機(jī)程序則是在LabVIEW平臺進(jìn)行開發(fā)二利用NI公司提供的如圖10所示的VISA底層函數(shù)，能夠很方便地搭建—個上位機(jī)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、保存等。
上位機(jī)程序運(yùn)行后，通過如圖11所示的程序前面板，可實現(xiàn)友好的人機(jī)交互。
4實驗結(jié)果
部分測量數(shù)據(jù)如表1所示。
誤差存在的原因有很多，比如供電電源的不穩(wěn)定、滑動變阻器隨時間的漂移、A/D轉(zhuǎn)換的誤差等，所以還存在很多可以改進(jìn)、完善的地方。
5總結(jié)
本文主要實現(xiàn)的是對于待測器件電阻的遠(yuǎn)距離測量，同時具備了上位機(jī)實時監(jiān)測的功能。測量電路簡單、體積小、成本低、便于攜帶，設(shè)計方法獨(dú)特。相比較目前的數(shù)字交流電橋，可用在工業(yè)的實時遠(yuǎn)距離測量中，并具有友好的人機(jī)交互環(huán)境。
6摘要：
針對目前數(shù)字交流電橋產(chǎn)品的電路復(fù)雜、體積大、價格昂貴等問題，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的簡易數(shù)字交流電橋，可以實現(xiàn)電阻的測量，并利用CAN總線通信將測量結(jié)果送至較遠(yuǎn)距離外的另一單片機(jī)，使其將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測。主控芯片采用的是STC12C5A60S2,上位機(jī)程序在LabVIEW平臺下開發(fā)。該數(shù)字交流電橋測量電路簡單、體積小、成本較低，在工業(yè)的遠(yuǎn)距離測量中具有很強(qiáng)的實用性。
