可曉海，古麗江·庫(kù)爾班，常莉麗，王 平，路

（伊犁師范學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，新疆 伊寧 835000）

基于掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可曉海，古麗江·庫(kù)爾班，常莉麗，王 平，路

（伊犁師范學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，新疆 伊寧 835000）

應(yīng)用非易失性存儲(chǔ)芯片24C16與單片機(jī)相連接，設(shè)計(jì)了一種基于掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)說(shuō)明了掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和硬件電路結(jié)構(gòu)，編寫(xiě)了相應(yīng)的讀寫(xiě)程序。這種串行非易失性存儲(chǔ)技術(shù)具有高速讀寫(xiě)、百萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命和數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，能極大提高系統(tǒng)的適用范圍和系統(tǒng)的測(cè)試效率。

耐壓絕緣測(cè)試；24WC16芯片；掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；單片機(jī)

各式各樣的電氣設(shè)備、家用電器、電源接頭排插以及各種電纜系統(tǒng)在各行各業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，按照國(guó)家GB19510-2009/IEC 61347-1:2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了保障使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的耐壓和絕緣性能進(jìn)行強(qiáng)制性檢測(cè)。

在實(shí)際使用過(guò)程中，耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中需要對(duì)測(cè)得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，需要在發(fā)生掉電情況下能夠及時(shí)存儲(chǔ)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，來(lái)提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的效率，測(cè)試完成后需要將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)以便保證數(shù)據(jù)的可靠性，確保被測(cè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)正確的保存和使用。

1 耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思路

針對(duì)文獻(xiàn)[1]中一般耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)存在問(wèn)題，設(shè)計(jì)了既具有傳統(tǒng)測(cè)試功能又具有方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能夠滿足更多復(fù)雜多變的場(chǎng)合使用耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和工作原理

1）硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要完成在交流高壓產(chǎn)生、直流高壓產(chǎn)生和電流測(cè)量、電阻測(cè)量時(shí)具有對(duì)數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)等功能。硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Design method of hardware

2）工作原理

耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路按組成結(jié)構(gòu)可分為5大電路模塊：數(shù)字電路模塊（51單片機(jī)和232通訊）、耐壓模擬電路模塊、絕緣模擬電路模塊、AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路模塊和顯示存儲(chǔ)電路模塊。

數(shù)字電路以華邦的51單片機(jī)W78E58B為核心模塊，單片機(jī)上電啟動(dòng)后，接收顯示存儲(chǔ)電路傳來(lái)的控制指令，啟動(dòng)互鎖繼電器選擇性的接通耐壓（或絕緣）模擬電路，讓模擬電路接收耐壓（或絕緣）測(cè)試端傳來(lái)的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后送給AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路；此時(shí)數(shù)字電路選擇相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換通道傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)，按照一定的算法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算出實(shí)際測(cè)量的耐壓（或絕緣）電壓或電流數(shù)據(jù)，按照約定的通訊協(xié)議對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后傳送給顯示存儲(chǔ)電路，至此，一次測(cè)量周期完成，然后再重復(fù)循環(huán)測(cè)量周期。

耐壓模擬電路由升壓電路、信號(hào)運(yùn)算電路和保護(hù)電路組成。由數(shù)字電路控制互鎖繼電器啟動(dòng)后，將耐壓測(cè)試端和耐壓模擬電路接通。耐壓測(cè)試端接被測(cè)物后使用手調(diào)升壓器升壓，對(duì)被測(cè)物所施加的耐壓電壓（DYDY）和耐壓電流（NYDL）信號(hào)通過(guò)限流降壓后，分別送給兩路求真有效值芯片AD536進(jìn)行運(yùn)算得到交流電壓和電流信號(hào)的有效值，電壓有效值信號(hào)直接送給多路輸入AD芯片的其中一路；電流有效值信號(hào)分為2路，一路送給AD轉(zhuǎn)換芯片的其中一路輸入，一路接入耐壓保護(hù)電路，當(dāng)被測(cè)物被耐壓測(cè)試端的交流高壓擊穿所產(chǎn)生的過(guò)量程電流信號(hào)后啟動(dòng)耐壓保護(hù)電路，將擊穿的被測(cè)物與耐壓模擬電路斷開(kāi)，防止故障擴(kuò)大。

絕緣模擬電路有直流固定高壓模塊、信號(hào)處理電路和保護(hù)電路組成。由數(shù)字電路控制互鎖繼電器啟動(dòng)后，將絕緣測(cè)試端和絕緣模擬電路接通。絕緣電壓測(cè)試端接被測(cè)物，根據(jù)單片機(jī)指令控制直流高壓模塊DC500V/1000V輸出進(jìn)行切換，絕緣電壓輸出端分為2路，一路接被測(cè)物，一路接高阻值電阻進(jìn)行絕緣電壓采樣后送給信號(hào)處理電路處理后送給AD轉(zhuǎn)換芯片的其中一路輸入。絕緣電流測(cè)試端將被測(cè)物的絕緣電流信號(hào)限流后同樣分為2路，一路送給信號(hào)處理電路處理后送給AD轉(zhuǎn)換芯片的其中一路輸入端，一路接入絕緣保護(hù)電路，同理當(dāng)被測(cè)物被絕緣測(cè)試的直流高壓擊穿所產(chǎn)生的過(guò)量程電流信號(hào)啟動(dòng)保護(hù)電路，將擊穿的被測(cè)物與絕緣測(cè)試端斷開(kāi)，防止故障擴(kuò)大。

AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路是以串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543為核心的電路，TLC2543是12位開(kāi)關(guān)電容初次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多可以有11路模擬量輸入和1路輸出。本測(cè)試系統(tǒng)中使用了4路，分別用于測(cè)量耐壓電壓、耐壓電流、絕緣電壓和絕緣電流。接收單片機(jī)的控制命令后啟動(dòng)其中一路的AD轉(zhuǎn)換并將數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

顯示存儲(chǔ)電路以單片機(jī)W78E58B、非易失性存儲(chǔ)芯片24WC16和標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232為核心構(gòu)成，單片機(jī)掃描按鍵電路發(fā)出的測(cè)試控制命令，按照約定的通訊協(xié)議對(duì)控制命令進(jìn)行編碼后通過(guò)MAX232發(fā)送給主控板數(shù)字電路和接收數(shù)字電路傳送的測(cè)試數(shù)據(jù)。接收的測(cè)試數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議的編碼規(guī)則解碼后傳送給數(shù)碼管顯示電路和串行存儲(chǔ)芯片CAT24C16。

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，以臺(tái)灣華邦的51內(nèi)核單片機(jī)W78E58B作為系統(tǒng)主控板數(shù)字電路的控制和運(yùn)算核心，顯示存儲(chǔ)電路使用W78E58B和CAT24WC16作為核心，主控板與顯示存儲(chǔ)電路之間使用MAX232進(jìn)行雙向通訊[2]。系統(tǒng)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)了數(shù)字電路和顯示存儲(chǔ)電路程序流程圖，如圖2所示；讓軟件設(shè)計(jì)具有良好的可維護(hù)性。

圖2 程序流程圖Fig. 2 Program flow chart

2 耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思路

2.1 顯示存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)

顯示存儲(chǔ)電路以W78E58B為核心，P0口和P2口是顯示接口，用于數(shù)碼管顯示。P10～P14為指示燈接口，P15～P17為CAT24WC16的三根控制線接口。P3口為鍵盤(pán)接口和MAX232通訊接口。W78E58B通過(guò)兩線制串行I2C總線對(duì)CAT24WC16進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)存儲(chǔ)[3]。顯示存儲(chǔ)電路的部分接口電路如圖3所示。

2.2 高速串行掉電存儲(chǔ)器24WC16的主要特點(diǎn)及管腳功能

CAT24WC16是CATALYST公司生產(chǎn)的低功耗的16K位的串行CMOS非易失性E2PROM器件[4],內(nèi)部含有2048個(gè)8位字節(jié)；一個(gè)16字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩沖器；工作電壓：1.8～6 V，短路電流100 mA，輸出負(fù)載能力為1個(gè)TTL門(mén)和100pF，該存儲(chǔ)器具有高速讀寫(xiě)、百萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命、存儲(chǔ)容量大和掉電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可達(dá)100年等特點(diǎn)，其管腳主要功能如表1所示。

表1 管腳功能Tab.1 Function of electron tubes

管腳描述：SCL串行時(shí)鐘輸入管腳用于產(chǎn)生所有數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的時(shí)鐘。SDA串行數(shù)據(jù)/地址雙向傳輸管腳用于數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。A0、A1、A2在多個(gè)存儲(chǔ)器級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址，在24WC16中不起作用時(shí)統(tǒng)一連接到Vss。WP寫(xiě)保護(hù)管腳連接到Vcc高電平時(shí)存儲(chǔ)器為只讀狀態(tài)，連接到Vss低電平時(shí)為可讀寫(xiě)狀態(tài)。

I2C總線協(xié)議：只有在空閑狀態(tài)下允許器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)/地址線SDA必須保持穩(wěn)定狀態(tài)不得跳變。SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)/地址線SDA的電平從高到低的跳變視為I2C總線的起始信號(hào)；SDA的電平從低到高的跳變視為I2C總線的停止信號(hào)。

圖3 部分接口電路Fig. 3 Part of the interface circuit

在顯示存儲(chǔ)電路中，主器件為單片機(jī)W78E58B，從器件為串行存儲(chǔ)器件CAT24WC16。

器件尋址：主器件通過(guò)發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程，然后發(fā)送它所要尋址的從器件的地址。8位從器件地址的高4位固定位1010（見(jiàn)表2）。接下來(lái)的3位（a10、a9、a8）對(duì)應(yīng)為從器件24C16的8個(gè)分區(qū)（000～111），用來(lái)定義從器件哪個(gè)分區(qū)被主器件訪問(wèn)[5]。從器件的8位地址的最低位作為讀寫(xiě)控制位?！?”表示對(duì)從器件進(jìn)行讀操作，“0”表示對(duì)從器件進(jìn)行寫(xiě)操作。在主器件發(fā)送起始信號(hào)和從器件地址字節(jié)后，CAT24C16監(jiān)視總線并當(dāng)其地址與發(fā)送的從地址相符時(shí)響應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（通過(guò)SDA線），CAT24C16再根據(jù)讀寫(xiě)控制位（R/W）的狀態(tài)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌Ｆ骷ぶ返刂肺蝗绫?所示。

表2 從器件地址位Tab.2 Address bits from aff i liated device

應(yīng)答信號(hào)：I2C總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)，每成功地傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，接收器產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答的器件在第9個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)將SDA線拉低，表示其已收到一個(gè)8位數(shù)據(jù)。24WC16在接收到起始信號(hào)和從器件地址之后響應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。24WC16工作在只讀模式時(shí)，發(fā)送一個(gè)8位數(shù)據(jù)后釋放SDA線并監(jiān)視一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，一旦接收應(yīng)答信號(hào)，24WC16繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，如主器件沒(méi)有發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，器件停止傳送數(shù)據(jù)且等待一個(gè)停止信號(hào)。

寫(xiě)操作：寫(xiě)操作有字節(jié)寫(xiě)和頁(yè)寫(xiě)模式。本電路采用字節(jié)寫(xiě)模式，在此模式下，主器件發(fā)送起始命令和從器件地址（R/W置0）給從器件24WC16，在24WC16產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，主器件發(fā)送24WC16的字節(jié)地址，主器件在收到從器件的另一個(gè)應(yīng)答信號(hào)后，再發(fā)送數(shù)據(jù)到被尋址的存儲(chǔ)單元。24WC16再次應(yīng)答，并在主器件產(chǎn)生停止信號(hào)后開(kāi)始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫(xiě)，在內(nèi)部擦寫(xiě)過(guò)程中，24WC16不再答應(yīng)主器件的任何請(qǐng)求。字節(jié)寫(xiě)時(shí)序如圖4所示。

圖4 字節(jié)寫(xiě)時(shí)序Fig. 4 Byte of the writing sequence

應(yīng)答查詢：可以利用內(nèi)部寫(xiě)周期時(shí)禁止數(shù)據(jù)輸入這一特性。一旦主器件發(fā)送停止位表示主器件操作結(jié)束時(shí)，24WC16啟動(dòng)內(nèi)部寫(xiě)周期，應(yīng)答查詢立即啟動(dòng)，包括發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)和進(jìn)行寫(xiě)操作的從器件地址。如果24WC16正在進(jìn)行內(nèi)部寫(xiě)操作，不會(huì)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。如果24WC16已經(jīng)完成了內(nèi)部自寫(xiě)周期，將發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，主器件可以繼續(xù)進(jìn)行下一次讀寫(xiě)操作。

讀操作：對(duì)于24WC16讀操作的初始化方式和寫(xiě)操作時(shí)一樣，僅把R/W位置1，有立即地址讀、選擇讀和連續(xù)讀3種不同的讀操作方式。本系統(tǒng)采用立即地址讀操作方式。

立即地址讀：24WC16的地址計(jì)數(shù)器內(nèi)容為最后操作字節(jié)的地址加1。如果上次讀寫(xiě)的操作地址為N，則立即讀的地址從地址N+1開(kāi)始[5]。24WC16接收到地址信號(hào)后（將R/W位置1），它首先發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，然后發(fā)送一個(gè)8位字節(jié)數(shù)據(jù)。主器件不需發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，但要產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)。地址讀時(shí)序如圖5所示。

圖5 立即地址讀時(shí)序Fig. 5 Immediate address of the reading sequence

2.3 存儲(chǔ)電路的讀寫(xiě)程序

W78E58B采用I2C方式與外部存儲(chǔ)器E2PROM芯片24WC16通信，將字節(jié)數(shù)據(jù)通過(guò)SCL（時(shí)鐘線）和SDA（數(shù)據(jù)地址線）進(jìn)行雙向傳輸。

外部存儲(chǔ)器24WC16的寫(xiě)函數(shù)，用于將耐壓絕緣的測(cè)量參數(shù)寫(xiě)入外存24WC16；外部存儲(chǔ)器24WC16的讀函數(shù)，用于提取外存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)回送到數(shù)碼管顯示或上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[6]。

部分讀寫(xiě)程序如下：

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在滿足耐壓絕緣測(cè)試的情況下，增加了掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。傳統(tǒng)耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示后需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)記錄，在時(shí)間緊急、測(cè)試量大的特殊情況下一邊測(cè)試一邊記錄不方便也容易出差錯(cuò)；本耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)能對(duì)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄，測(cè)試完后統(tǒng)一提取數(shù)據(jù)有利于保證所測(cè)數(shù)據(jù)的正確性和提高工作效率。

隨著測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用，有時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量?jī)?chǔ)存并傳送給上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及上位機(jī)軟件自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，可采用對(duì)存儲(chǔ)容量有更高要求CATWC32/64/128/256等芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)。

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Design of pressure insulation test system based on power-down data storage

KE Xiao-hai, KUERBAN Gulijiang, CHANG Li-li, WANG Ping, LU Chong
（School of Electronic and Information Engineering YiLi Normal College, Yining 835000, China）

Design a pressure insulation testing system based on power-down data storage which used the nonvolatile memory chips 24c16 power-fail data storage capabilities connected to the microcontroller in this paper. Designing idea and the circuit structure of the Design of pressure insulation test system based on power-down data storage was described in detail, and the write and read programs were complied. Because of this serial nonvolatile storage technology has much merits, such as high speed read and write, million times to wipe and storage for long time. These advantages can greatly enhance the application scope of system and the test efficiency of system.

pressure insulation test; 24WC16 chips; power-down data storage; microcontroller

TP302

A

1674-6236(2014)03-0124-05

2013–06–27 稿件編號(hào)：201306184

新疆自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009211A10)；伊犁師范學(xué)院項(xiàng)目(YLYB201138)

可曉海(1985—)，男，湖北黃岡人，碩士研究生。研究方向：信號(hào)與信息處理、模式識(shí)別。