基于STM32的智能四探针测试仪的研制

苏州经贸职业技术学院 李 海

电子器件的很多参数都与薄层电阻关系密切，因而需要研究可靠的测量仪器来测量电子器件的相关参数。直流四探针测试法是微电子行业常用的测量材料电阻率的方法，通过测量材料的电阻率可以得到材料的掺杂浓度等重要信息。本文，笔者以STM32为核心控制器，设计了一种新型的数字化智能四探针测试仪，该测试仪可以手动自主选择、自动切换电压电流量程，可以进行相关数据的运算处理，并可以与计算机通讯。

该智能测试仪以STM32嵌入式系统为核心，采用恒流源供电，模数转换器采用AD7135。该仪器硬件电路简单，有自动切换和自主选择量程的双重功能，可以实现自校准，稳定性好，能和PC机通讯，具有较高的智能水平。

一、直流四探针测试原理

四探针测试仪依据范德堡原理，采用直流四探针测试法，将4根金属探针排成1条直线，利用恒流源给外面的1，4探针通电流，再从2，3探针上测量出电位差，根据ρ＝CV/I（C为修正系数，V为测量电压，I为测量电流）即可得到材料的电阻率ρ。四探针测量原理如图1所示。

二、直流四探针系统硬件设计

系统硬件以STM32为核心，由测试架模块、恒流源模块、AD转换模块、键盘模块、温度模块、显示模块、与PC通讯模块以及人机界面模块组成。测试系统结构如图2所示。

在系统通电后开始初始化，包括彩屏、温度以及CH451键盘初始化。电压挡选为2 V，电流档选为1 mA，待测试架接收到启动信号后，探针下降接触被测对象，恒流源的电流送往探头模块，从先前指定的1，4探针输出想要的恒流，此时需要4根探针和被测对象有良好的接触，使得探针获得另外两根针之间的电压，并送给AD7135进行模数转换，转换后的信号送入STM32进行数据处理，最后将测量结果显示在彩屏上，同时把测量结果以及相应的参数通过串口或者USB上传到PC机进行显示。测量过程中，可以根据被测对象电阻率的大小选择合适的电压、电流量程，量程的切换通过键盘模块进行。

1.恒流源的设计。在设计恒流源时，设计了5档电流量程，同时设计了2 V，200 mV，20 mV等电压量程。在测量过程中，测量电流应根据被测对象电阻率的大小选取。电流量程选好后，为了保证测量结果的准确性，在测量过程中必须保持已选电流的稳定性。因此，四探针测量仪中用于提供测量电流的恒流源电路的设计是测试仪设计的关键部分，恒流源设计的好坏将直接决定四探针测量仪研制成功与否。为了提高输入端电压的稳定性，恒流源电路采用电压负反馈电路。芯片使用OP07运算放大器作为差动输入，OP07具有非常强的抑制零漂能力；信号经三极管放大并反馈，通过单片机的控制端口来控制继电器接入的精密电阻阻值。该设计中，笔者把STM32的PE0，PE1，PE2作为地址控制连接到74LS138译码器进行密码输出，从中可得到10 μA，100 μA，1 mA，10 mA和100 mA等量程的恒定电流。

2.A/D转换模块。AD7135是双斜积分式四位半单片A/D转换器，28脚DIP封装，能自动校零。设计利用AD7135的BUSY端的信号送给STM32产生中断，并进行信号处理。AD7135在转换周期中主要经历自动调零、被测电压积分及对基准电压反积分阶段3个阶段。以输入电压Vx为例，其积分器输出端（AD7135的4脚）的波形如图3所示。

BUSY输出端（AD7135的21脚）高电平的宽度为T积分＋T反积分。AD7135内部规定积分时间固定为10 001个时钟脉冲时间，反积分时间的宽度与被测电压的大小成一定比例。可以利用STM32芯片内部的计数器，对AD7135的时钟脉冲进行计数，将上升沿和下降沿信号送入STM32，分别作为计数的启动信号和停止信号，这样计数器只有在BUSY为高电平时计数，因此，只需把BUSY高电平时间内计数器的测量值减去10 001，即可得到被测电压的数值。

3.STM32与AD7135接口电路。该测试仪器采用STM32作为控制器。在设计时，用STM32的PD3与AD7135的BUSY信号相连作为中断信号。在编写程序时，将该端口设置为上升沿、下降沿都能触发中断，用STM32的PA0与AD7135的积分器输出端相连作为脉冲数；在AD上升沿中断启动测量，在AD下降沿停止测量并记下测量脉冲个数，这样探针检测到的电压信号经过AD7135内部的相关模数转换，就转换成了脉冲个数，STM32控制器对采集到的信号（脉冲个数）进行相应的处理后，即可将测量结果在3.2寸彩屏上显示，从而间接地读取了样品的电阻率。设计用的彩色LCD模块接口采用FMSC接口驱动，其速度非常快。

4.键盘模块。测量仪器的键盘模块采用CH451芯片，设计只使用了键盘扫描功能，一共使用了7个键，分别为修正系数向上切换和向下切换、电压放大倍率向上切换和向下切换、电流放大倍数的向上切换和向下切换以及手动测量模式和自动测量模式。CH451与STM32的接口电路，分别通过STM32 芯片的PB8，PB9，PB10和PB11共4个I/O接口与CH451的ch451_load，ch451_din，ch451_dclk，ch451_dout接口相连。当在程序中启用键盘扫描功能后，每次按下按键后，ch451_dout就会产生一个中断信号；在软件编程中利用这个中断信号，使STM32通过串行接口读取按键代码并进行处理，从而得到该按键代码。在没有检测到新的有效按键之前，CH451 不再产生任何键盘中断。设计中代码分别为0x40，0x48，0x50，0x58，0x60，0x68和 0x70。

三、软件设计

测量仪器的软件部分包括彩屏初始化、CH451键盘模块、温度模块、AD7135A/D转换模块、彩屏显示模块以及PC通讯模块等部分的软件设计，可完成系统的数据采集与处理。程序通过AD7135进行A/D转换，然后通过程序判断手动或自动切换电压或电流测量量程，直到测量量程合适，再进行运算处理，将结果显示到彩屏上，之后通过串口或者USB模块与PC通讯进行有关数据的采集与处理，电压测量量程的选择可以在面板上选择自动模式，也可以自主选择好量程（手动模式）。

四、结论

仪器设计中采用了键盘CH451、AD7135器件，大大简化了系统的硬件电路设计。采用STM32作为嵌入式控制器，具备自动检测切换档位等功能，使系统的智能化和适应程度都得到了较大的提高，具有重要的推广价值。