搭建介电温谱自动测试数据采集系统（主要设备高低温箱，安捷伦4294a阻抗测试仪）

2024-02-16 19:49:40

为实现电子元器件传感器阻抗特性的自动化测试，使用主控芯片统一统一控制附属各个设备工作

高低温箱：热电偶
多路开关继电器
阻抗测试设备
气体流量计

主要控制逻辑：测试不同温度下的被测样品的阻抗特性，并实时将记录上传至上位机保存

主要思路：使用恒流源为热电阻PT100供电，然后将其两端电压经运算电路映射到0-3.3V范围内供ADC采集，并获得足够的测试精度，单片机判断后接近设定值时，依次打开四路继电器，随机即发送命令要求阻抗仪测试，并传回测试数据，单片机获得数据后，将温度测试气体流量打包为一个数据帧发送至局域网，并设计命令接口，由上位机随时主动发送命令查询当前测试状态，防止测试人员不在现场时也能及时发现异常

硬件设计：

原理图设计：

单片机核心模块：

模拟部分：恒流源电路为热电阻供电，并将输出结果映射至模数转换器的输入范围，模拟电源使用磁珠与数字电源隔离，模拟地使用0欧姆电阻实现与数字地的单点连接

流量计控制器接口说明，使用mos管驱动两个继电器实现清洗阀控与关闭功能

多路继电器使用485接口控制分别发送不同命令打开各路，

PCB设计：

主要是模拟部分与数字部分分开，485的两根差分线尽量等长。

STM32主要函数设计：

1、二分法查表，此查表函数返回与当前数值最接近的温度值

 1 unsigned char half(float x, unsigned char* s, unsigned char len)
 2 {
 3     unsigned char i = 0,j,result,num = 0;
 4     j = len-1;
 5 
 6     while(1)
 7 {
 8        if (x <(s[(i+j)/2]))
 9         j = (i+j)/2;
10     else
11         i = (i+j)/2;
12     if (j-i ==1)
13     {
14         if((s[j]-x)>(x-s[i]))
15          {num = i;
16             result=s[num];
17             }   
18             
19         else
20          {num = j;
21              result=s[num];
22             }   
23         break;
24     }    
25     
26 
27     
28 
29 }     
30 return result;    
31     
32     
33 }

2、ADC，DAC的使用

　　读取温度：

初始化ADC模式：

       uint16_t ADC_ConvertedValue;
 1     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 2     
 3     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC, ENABLE);
 4 
 5     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
 6     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;        
 7   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ; 
 8     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);    
 9 /*配置ＤＭＡ，和ＡＤＣ寄存器*/
10     DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
11     ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
12   ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
13   // ------------------DMA Init 结构体参数 初始化--------------------------
14 
15  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE); 
16 
17     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = RHEOSTAT_ADC_DR_ADDR;    
18     
19     DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (u32)&ADC_ConvertedValue; 
20 
21     DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;    
22 
23     DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;    
24 
25     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
26 
27     DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Disable; 
28 
29     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; 
30 
31     DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;    
32 
33     DMA_InitStructure.DMA_Mode =  DMA_Mode_Circular ;
34   
35     DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
36 
37   DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;  
38 
39   DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
40   DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
41   DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;  
42 
43   DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0; 
44 
45     DMA_Init(DMA2_Stream0, &DMA_InitStructure);
46 
47   DMA_Cmd(DMA2_Stream0, ENABLE);
48 
49 //ADC结构体配置
50     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 , ENABLE);
51 // -------------------ADC Common 结构体 参数 初始化------------------------
52 
53   ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
54     
55   ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div2;
56     
57   ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;
58     
59   ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_20Cycles;  
60   ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);
61  // -------------------ADC Init 结构体 参数 初始化--------------------------
62     ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);
63 
64   ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
65 
66   ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; 
67 
68   ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; 
69 
70   ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_Rising;
71 
72   ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_TRGO;
73  
74   ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
75 
76   ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;                                    
77   ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
78   
79   ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_13, 1, ADC_SampleTime_56Cycles);
80 
81  
82   ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC1, ENABLE);
83  
84   ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);
85     
86 
87   ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

启用DMA后转换完的ADC数值即存于ADC_ConvertedValue变量中，使用定时器触发

定时器配置

TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);     
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 900;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

DAC配置：DAC使用软件配置触发

 1   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 2     DAC_InitTypeDef  DAC_InitStructure;
 3 
 4 
 5   RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);    
 6 
 7   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);
 8 
 9   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_4;
10   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
11   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
12     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;  
13   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
14   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
15 
16   DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_Software;                        
17   DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;    
18   DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;    
19 
20     DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_TriangleAmplitude_4095;
21   DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
22   DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);

3、与485接口的通信

485使用串口2通信：

初始化函数配置PB10 PB11管脚为usart2，并配置串口2

主要发送函数：

继电器控制命令为,每个命令的执行为打开对应路，并关闭其他路：

1 u8 open1_cmd[4] ="*A1#"; 
2 u8 open2_cmd[4] ="*B2#"; 
3 u8 open3_cmd[4] ="*C3#"; 
4 u8 open4_cmd[4] ="*D4#"; 
为了方便访问定义为2维数组
unsigned char open_cmd[][5]={"*A1#", "*B2#", "*C3#","*D4#"};

 1 void send_uart2(char *p)
 2     
 3 {    u8 i =0;
 4     
 5     while(i<strlen(p))
 6     {     
 7         USART2->DR=p[i];
 8         
 9         while((USART2->SR&0X40)==0);
10         
11         i++;
12     }
13             
14 }

4、与阻抗仪的通信，查询仪器使用手册查得主要使用功能命令为：

/*主要使用命令为*/
频率设定：WrtCmd(“FREQ 1KHZ”)
WrtCmd(“FUNC:IMP RX”);
WrtCmd(“TRIG”);
WrtCmd(“FETC?”);

单片机使用UART4访问同惠232串口，初始化函数配置PC10 PC11管脚,启用串口4；

定义以上命令为字符串：

u8 set_fre[]=“FREQ 1KHZ”;
u8 set_fun[]=“FUNC:IMP RX”;
u8 trig[]=“TRIG”;
u8 fetch[]=“FETC?”;



void send_uart4(char *p)
    
{    u8 i =0;
    
    while(i<strlen(p))
    {     
        UART4->DR=p[i];
        delay_us(100);
        while((UART4->SR&0X40)==0);
        
        i++;
    }
            
}

发送以上命令后仪器会返回测试结果数据：

说明书给出的测试结果格式为：<DATA A>,<DATA B>格式： <DATA A>（主参测量数据），<DATA B>（副参测量数据）结束符

例如：b'+5.11094E+03,-1.19979E+05,+0\r\n' 以字节流形式返回

使用串口4接收此字节流

 1 void UART4_IRQHandler(void)
 2 {
 3   uint8_t ucTemp;
 4     
 5     if(USART_GetITStatus(UART4,USART_IT_RXNE)!=RESET)
 6     {        ;
 7         
 8     ucTemp = USART_ReceiveData(UART4);
 9     data4[u4_num] = ucTemp ;
10     u4_num++;        
11         if(ucTemp=='\n')
12         { data4[u4_num] = ucTemp ;
13             USART_ITConfig(UART4, USART_IT_RXNE, DISABLE);
14                 u4_finish_flag=1;
15         }        
16     }     
17 
18 }

5、打包向上位机发送数据

 1 res = half(tem_value,tem, strlen(tem));
 2         if(tem_value-res<0.5)
 3         {    
 4             for(i=0; i<4; i++)
 5             {
 6             send_uart4(open_cmd[i])
 7             send_uart4(trig);
 8             send_uart4(fetch);
 9             while(u4_finish_flag==0);
10             data4[u4_num] = res ;
11             u4_num = 0;
12             send_usart1(data4);
13             
14             
15             }

tem_value即为当前温度值，当此温度值与标准值小于设计误差时触发四路测试并将结果返回、

python 上位机设计

主循环中接收数据并存入excel中

 1 import xlwings as xw
 2 import time
 3 import socket
 4 import tkinter
 5 import time
 6 import win32api
 7 from tkinter import filedialog
 8 import os
 9 
10 #GetValue = rng.Cells(rng.Cells.Count).Value 访问单个单元格
11 import sys 
12 sys.setrecursionlimit(1000000)
13 root = tkinter.Tk()
14 root.minsize(1000, 600)
15 root.title('lxy')
16 global file_path
17 ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)
18 
19 global number
20 global colnum
21 colnum=1
22 global wb
23 global sht1
24 global fig
25 
26 
27 def select():
28     global file_path
29     file_path = filedialog.askdirectory()
30     file_path = file_path.replace('/', '\\')
31 
32 def read():
33     global file_path
34     global colnum
35     global number
36     global fig
37     Cp=[]
38     D=[]
39     fre=[]
40     sampleName = en1.get()
41     path = os.path.join(file_path, sampleName)
42     wb = xw.Book(os.path.join(file_path, 'Cp.xlsx'))
43    
44     sht1 = wb.sheets[0]
45     while(1):
46         data = ser.readline()
47         tem = a[-1]
48         data = a.decode(encoding="utf-8")
49         R = data.split(',')[0]
50         X = data.split(',')[1]
51         sht1.cells(colnum,1).value = tem
52         sht1.cells(colnum,2).value = R
53         sht1.cells(colnum,3).value = X
54         colnum=colnum+1
55 
56     
57     
58 b1 = tkinter.Button(root, text='文件夹', font=('times new roman', 24), command=select)
59 b2 = tkinter.Button(root, text='测试', font=('times new roman', 24), command=test)
60 b3 = tkinter.Button(root, text='获取数据', font=('times new roman', 24), command=read)
61 en1 = tkinter.Entry(root, text='起始', font=('times new roman', 24))   
62 b1.place(x=0, y=100, width=200, height=100)
63 b2.place(x=210, y=0, width=200, height=100)
64 b3.place(x=510, y=0, width=200, height=100)
65 en1.place(x=0, y=0, width=200, height=100)      
66 
67 root.mainloop()

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