摘 要：泄漏電流是電氣安全性能測試最關(guān)鍵的參數(shù)，為了設(shè)計滿足多標(biāo)準(zhǔn)、多種類型泄漏電流測試系統(tǒng)的要求，主要介紹了以TMS320F2812為核心的泄漏電流測試系統(tǒng)，講述了泄漏電流的測試原理和測試方法，詳細(xì)講述了采取單一人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的泄漏電流信號調(diào)理電路，采用TMS320F2812進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從軟硬件方面完成整個測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過該測試系統(tǒng)的技術(shù)研究，可以節(jié)省產(chǎn)品成本，提高測試精度，對于我國的泄漏電流測試技術(shù)水平有著重要的意義。

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關(guān)鍵詞：泄漏電流; TMS320F2812; 人體阻抗; 隔離

中圖分類號：TN06-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0160-05

Design of leakage current test system based on TMS320F2812

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LIU Jian-li， LI Dong

(Beijing Information Science Technology University， Beijing 100192， China)

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Abstract：

Leakage current is the most important parameter index in comprehensive test of electrical safety performance. To meet the need of designing multi-standard and multi-type leakage current test system， a leakage current test system based on TMS320F2812 is introduced. The principle and methods of leakage current test system are discussed， and the TMS320F2812 collects data and communicates with computer based on signal adjusting circuit of leakage current with single human body impedance networks are elaborated. The design and implementation of the whole test system is completed based on both hardware and software. Some experimental evidence and analysis of results are performed. Through researching the test system technology， it can greatly reduce the cost of the products and improve the test accuracy. It has significance for the level of leakage current test technology in our country.

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Keywords： leakage current; TMS320F2812; human body impedance; isolation

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收稿日期：2011-08-05

0 引 言

泄漏電流是指在沒有故障施加電壓的情況下，電氣設(shè)備中相互絕緣的金屬零件之間，或帶電零件與接地零件之間，通過其周圍介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流。也包括當(dāng)人觸及電器設(shè)備時，由設(shè)備經(jīng)過人體到達(dá)大地的電流或由設(shè)備經(jīng)人體又回到設(shè)備的電流。它是衡量電器絕緣性好壞的重要標(biāo)志之一，也是產(chǎn)品安全性能的主要指標(biāo)。

泄漏電流測試系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，或者說最符合人體實際阻抗情況，具備一組或者幾組由特定阻抗值和滿足一定功率要求的電阻和電容組成的電路來模擬人體觸電。通過將人體阻抗網(wǎng)絡(luò)連接人體可能觸電的待測儀器部件，測量流過人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流[1]。

1 泄漏電流整體測試方案

為了提高測試精度和數(shù)據(jù)的采集與處理速度，滿足最新標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計了新的泄漏電流測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)以計算機(jī)和DSP芯片TMS320C2812作為測控平臺，實現(xiàn)了對采取單一人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的泄漏電流的自動測試。測試方法如下：信號輸入為直流到1 MHz的電壓(或電流)信號，其示意圖如圖1所示。

圖1 泄漏電流測試示意圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

測控系統(tǒng)由PC機(jī)、DSP芯片TMS320F2812控制系統(tǒng)以及外圍擴(kuò)展功能電路、泄漏電流采集信號調(diào)理電路、DSP與PC通信接口電路構(gòu)成，采集、計算、顯示和存儲進(jìn)而分析被測儀器泄漏電流特征值，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

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圖2 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計框圖

各部分功能介紹如下：

泄漏電流調(diào)理電路：被測設(shè)備在加上220 V交流電壓通過隔離變壓器所產(chǎn)生的

電流，流入人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，

第一級放大電路使電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⒃O(shè)計阻抗匹配電路使輸入信號穩(wěn)定，放大電路的作用通過調(diào)整放大增益使輸出信號在A/D采集范圍之內(nèi)，光耦隔離主要是為了使被測系統(tǒng)與測試系統(tǒng)之間實現(xiàn)完全的電氣隔離，減小兩者之間的干擾。

DSP控制系統(tǒng)：利用TMS320F2812的GPIO控制

繼電器實現(xiàn)三種(表面對表面、表面對地、表面對電源)泄漏電流測試的切換，以及控制中斷處理，利用DSP內(nèi)部集成A/D和采樣保持電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過串口或USB把數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析、處理和顯示[2-3]。

本系統(tǒng)中DSP采用TI的32位控制類定點芯片TMS320F2812。基于其高處理速度和處理精度的優(yōu)勢，在電子控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其主要特點有外部時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后達(dá)到150 MHz(時鐘周期為6.67 ns)、有著豐富的外設(shè)接口(異步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等)、具有多達(dá)56個可復(fù)用的GPIO口。

通過DSP的SCI模塊與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和TMS320F2812內(nèi)置12位16通道ADC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，最高轉(zhuǎn)換速率為12.5 MSPS，可以滿足50 Hz~1 MHz泄漏電流的采樣。

1.1.1 高度放大與線性隔離電路的設(shè)計

按照對泄漏電流測試的最新標(biāo)準(zhǔn)要求，要求對50 Hz~1 MHz的泄漏電流進(jìn)行檢測。所以對放大器的頻帶范圍要求很高，本文選用低噪聲精密運(yùn)算放大器HA7-5127-5，其通頻帶寬達(dá)8.5 MHz，滿足大于1 MHz的要求。前級電壓跟隨電路以及放大電路如圖3所示。

圖中，被測設(shè)備泄漏電流經(jīng)過單一模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，鉗形二極管電路起保護(hù)作用，防止正負(fù)電壓過高。后加跟隨放大器U1匹配阻抗和使信號穩(wěn)定，放大器U2對微弱泄漏電流信號進(jìn)行放大，通過RP1調(diào)整電路的放大增益，以便于觀察和采集。

1.1.2 線性光耦隔離電路的設(shè)計

在電路設(shè)計中，隔離傳輸電路是比較常用的電路之一，隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來，在電子電路中，電介質(zhì)通過阻斷直流(DC)電來實現(xiàn)兩個通信點的隔離。泄漏電流測試需要加上工頻電壓及以上的高電壓，期間即使流過很小的交流(AC)電流，也會給人體造成致命的傷害。設(shè)計隔離電路的作用就是使人體免受危險電壓或危險電流的損壞。高壓與低壓隔離電路如圖4所示。

圖3 前級電壓跟隨電路以及放大電路

圖4 高壓與低壓隔離電路

在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、高精度數(shù)據(jù)采集、長距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設(shè)計中，經(jīng)常要用到隔離電路，一般來說，隔離分為光耦隔離、電磁隔離和電容隔離、磁耦隔離四種方法，下面介紹各自的優(yōu)缺點。

(1) 光電隔離技術(shù)

光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如：空氣間隙)上的光傳輸，以達(dá)到隔離目的。光耦合器(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出，這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點是，光具有對外部電子或磁場內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。還有，光耦合隔離方式適合傳輸?shù)皖l信號和直流信號，且功耗較大。

(2) 電磁隔離技術(shù)

電感耦合技術(shù)使用兩個線圈之間的變化磁場在一個隔離層上進(jìn)行通信。最常見的例子就是變壓器，其磁場大小取決于主級和次級繞組的線圈結(jié)構(gòu)(匝數(shù)/單位長度)、磁芯的介電常數(shù)以及電流振幅。電感耦合技術(shù)的優(yōu)點是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計允許噪聲和信號頻率重疊，但是會呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號低差分阻抗。另一個優(yōu)點是，信號能量傳輸可達(dá)到近100%的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。其主要缺點是對外部磁場(噪聲)的磁化。

(3) 電容隔離技術(shù)

電容耦合技術(shù)是在隔離層上采用一個不斷變化的電場傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個電介質(zhì)隔離器，并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質(zhì)材料等都決定著電氣性能。使用一個電容隔離層的好處是，在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率，以及對磁場的抗擾度。電容耦合技術(shù)的缺點是其沒有差分信號和噪聲，并且信號共用相同的傳輸通道，這一點與變壓器不同。這就要求信號頻率要大大高于噪聲預(yù)期頻率，這樣隔離層電容就呈現(xiàn)出信號的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。

(4) 磁耦隔離技術(shù)

磁耦技術(shù)是一種芯片級變壓器隔離技術(shù)。Icoupler磁耦數(shù)字隔離器就是在上述背景下，由美國模擬器件公司ADI設(shè)計開發(fā)的一款適合高壓環(huán)境的隔離電路。Icoupler是ADI公司的一項專利隔離技術(shù)，是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統(tǒng)的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光敏三極管的結(jié)合，因采用了高速的iCOMS工藝，因此在功耗、體積、集成度、速度等各方面都優(yōu)于光耦技術(shù)。同時能滿足醫(yī)用設(shè)備高電壓工業(yè)應(yīng)用、電源以及其他高隔離度環(huán)境的嚴(yán)格隔離要求，非常適合在各種工業(yè)上的應(yīng)用，

包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口、各種總線隔離以及其他多通道隔離應(yīng)用。磁耦產(chǎn)品的優(yōu)點有[4]：

速度高 最高速率可達(dá)到150 Mb/s；

功耗低 工作時的功耗僅為傳統(tǒng)光耦產(chǎn)品的1/10，最小工作電流為0.8 mA；

性能更高 時序精度，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器；瞬態(tài)抗擾度可高達(dá)25 kV/μs。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的兩倍，并且數(shù)據(jù)傳輸速率和時序精度是其10倍。

體積更小 集成度更高，最多一個芯片上集成了4個通道；PCB節(jié)省60%~70％左右，采用了低成本SOIC封裝；

應(yīng)用方便 同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道，而且不用任何外圍分立元件;

可靠性高 壽命長，省去傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換部分，壽命與其他CMOS器件相同；

當(dāng)然，磁耦合隔離方式適合傳輸高頻信號，不能用于直流或低頻信號的傳輸，且需要對隔離輸出信號整形后才能為接收數(shù)字電路使用，但其功耗較小[5]。

在泄漏電流隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號有ADC控制信號(直流電平)、ADC工作時鐘信號(幾兆甚至更高頻率的信號)，在這樣的應(yīng)用條件下，如果用普通的光耦隔離器件，只能隔離直流或者低頻信號，所以采用光耦技術(shù)很難滿足對泄漏電流隔離的需求。而磁耦隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號以及直流信號，且磁耦隔離對數(shù)字信號的傳輸性能較好，即使傳輸模擬信號，也會引起信號的失真，解決方法就是可以對需要傳輸?shù)哪M信號進(jìn)行電平抬高，使得模擬信號的最小電流值可以驅(qū)動隔離器件工作，才會保證被傳輸信號的不失真。另外一個解決的方法就是如果將需要傳輸?shù)牡皖l信號調(diào)制到高頻載波上，再用磁耦合隔離電路隔離傳輸，在接收端再用解調(diào)電路提取出低頻信號，可以實現(xiàn)用磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號的目的。本文設(shè)計的新型磁耦合隔離電路不用調(diào)制和解調(diào)電路就可以實現(xiàn)低頻和直流信號的磁耦合隔離傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗小，信號傳輸延遲很小[6]。

本文采用模擬隔離放大器進(jìn)行隔離，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測對象電氣上的隔離，選用高線性度模擬光電耦合器HCNR201，其主要參數(shù)介紹如下：具有±5%的傳輸增益誤差和±0.05%的線性誤差；具有大于1 MHz的頻帶帶寬；輸入電壓范圍為0~15 V。電路如圖5所示。

電路說明[7]：光耦U2用于正極性信號的隔離，光耦U3用于負(fù)極性信號的隔離。在隔離電路中，R2調(diào)節(jié)初級運(yùn)放U1輸入偏置電流的大小，C3起反饋作用，同時濾除了電路中的毛刺信號，避免HCNR201的鋁砷化鎵發(fā)光二極管LED受到意外沖擊。R1可以控制LED的發(fā)光強(qiáng)度，從而對通道增益起一定的控制作用。HCNR201是電流驅(qū)動，其工作電流要求為1～20 mA。由于是隔離雙極性信號，因此采用雙電源供電的HA7-5127-5運(yùn)算放大器，其輸出電流可達(dá)25 mA。R3是采樣電阻，將光耦輸出電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺c運(yùn)放U1組成電壓跟隨電路，實現(xiàn)輸入輸出電路的阻抗匹配。在圖5線性光耦電路中，隔離電路的隔離電壓增益，也即隔離系數(shù)為:

G=R3/R2

該隔離電路的隔離增益只與電阻值R3，R2有關(guān)，與光耦的電流傳輸特性無關(guān)，從而實現(xiàn)了電壓隔離。

1.1.3 電平抬高電路的設(shè)計

由于TMS320F2812內(nèi)部集成的A/D采樣范圍為0~3 V，在采集信號進(jìn)行光耦隔離之前，可以調(diào)節(jié)放大器的增益，使被采集的電壓信號落到-1.5~+1.5 V范圍之內(nèi)，然后設(shè)計一個+1.5 V的基準(zhǔn)電壓源將被采集信號進(jìn)行電平抬高，這樣就可以保證采樣信號在0~3 V的范圍內(nèi)，電路如圖6所示[8]。

圖5 線性光耦隔離電路

圖6 (-1.5，1.5) V~(0，3) V電平抬高電路

利用放大器的虛短、虛斷原理，得：

Uo=1.5*(1+Rf/R2)*R3/(R1+R3)-

Ui*Rf/R2

這里取R1=R2=R3=Rf=10 kΩ，根據(jù)上式即可得：

Uo=1.5-Ui

這樣就實現(xiàn)了電平抬高的目的，Ui的取值范圍是-1.5~+1.5 V，Uo的取值范圍是0~3 V。此時被采集信號在0~3 V輸入電壓范圍之內(nèi)，滿足要求。

1.2 系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計

軟件部分包括DSP內(nèi)部采樣程序的設(shè)計和DSP采樣大量數(shù)據(jù)與PC機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信程序的設(shè)計，在CCS 3.3開發(fā)環(huán)境下編寫；上位機(jī)PC機(jī)的測試界面軟件采用Microsoft Visual C++編寫。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由DSP控制內(nèi)部集成的ADC模塊對外部的泄漏電流調(diào)理后的信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，并將采集到的大量數(shù)據(jù)送入DSP內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波和前端處理，將處理結(jié)果通過USB或者串口傳入PC機(jī)進(jìn)行后端分析、處理和顯示，如圖7所示。

TMS320F2812內(nèi)置12位兩路8通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部集成兩個采樣保持器，采樣量程為0~3 V，擁有快速的轉(zhuǎn)換頻率，可運(yùn)行在25 MHz的轉(zhuǎn)換時鐘或12.5 MSPS的采樣率。根據(jù)公式voltage=((AdcRegs.RESULT34)*3)/4 095.0，其中voltage為DSP_AD采樣值；AdcRegs.RESULT3為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器[9]。

本系統(tǒng)采用它后，在采集速度和精度上完全可以滿足設(shè)計的需求。通過軟件進(jìn)行采樣，用串口調(diào)試助手讀出采樣值。軟件流程圖如圖8所示。

圖7 A/D采樣及數(shù)據(jù)通信框圖

圖8 模/數(shù)轉(zhuǎn)換軟件流程圖

1.2.2 測試界面程序軟件流程

通過啟動測試程序軟件，由PC機(jī)選擇測試參數(shù)，然后通知下位機(jī)(DSP)開始測試，然后測試電路對測試信號進(jìn)行實時采集，通過放大、隔離保護(hù)等信號調(diào)理，由DSP控制系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳至上位機(jī)(PC)，PC機(jī)對采集到的信號處理及顯示，并判定被測設(shè)備是否合格，其流程圖如圖9所示。

2 實驗結(jié)果

2.1 隔離電路實驗結(jié)果

對該電路首先進(jìn)行仿真試驗，輸入峰峰值為3 V的正弦波，經(jīng)過雙極性隔離電路后，其輸入、輸出波形如圖10~圖12所示。

2.2 電平抬高電路試驗結(jié)果

對上述電平抬高電路輸入峰峰值為3 V的正弦交流信號，在放大器的正向輸入1.5 V的基準(zhǔn)電壓，其輸出波形如圖13所示。

3 結(jié) 語

本文主要從軟硬件兩個方面對整個測試系統(tǒng)做了簡單的介紹，硬件部分包括單一人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，高速放大電路，線性光耦隔離電路以及電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，從硬件角度基本滿足泄漏電流測量要求；軟件部分分為下位機(jī)DSP程序和在PC上運(yùn)行的VC++程序，結(jié)合流程圖詳細(xì)地介紹了測量軟件的實現(xiàn)，以及上下位機(jī)之間測量通信的流程。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］左麗霞，鄧芳芳，盧山.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(13):108-112.

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［3］隋超，劉亞軍，趙玉賓，等.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.微計算機(jī)信息，2010，26(7):145-147.

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作者簡介：

劉建利 主要研究方向為測試計量技術(shù)及儀器。

李 東 主要研究方向為測試計量技術(shù)及儀器。