許中原，周 驊，穆 杰

(1. 貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2. 開(kāi)封文化藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475000)

多通道絕緣耐壓測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)及硬件設(shè)計(jì)*

許中原1，周 驊1，穆 杰2

(1. 貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2. 開(kāi)封文化藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475000)

為了滿足對(duì)新型多接口器件的檢測(cè)需求，針對(duì)目前耐壓絕緣測(cè)試儀普遍通道少、自動(dòng)化程度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款多通道的耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)了高壓多通道可靠切換方式、測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)化錄入和高效人機(jī)界面。通過(guò)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)Ρ粶y(cè)物高效檢測(cè)，快速反饋、數(shù)據(jù)自動(dòng)化錄入，提高了測(cè)試效率，完成了系統(tǒng)所要求的各項(xiàng)指標(biāo)和功能。

多通道；耐壓絕緣測(cè)試；智能化；下位機(jī)

0 引言

根據(jù)電子設(shè)備的安規(guī)測(cè)試要求，各種電氣設(shè)備、接口、連接器等電氣產(chǎn)品，在出廠之前必須進(jìn)行規(guī)定電壓下的絕緣耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以考核產(chǎn)品的絕緣水平，衡量過(guò)電壓的能力，反映產(chǎn)品的電氣安全性能[1-2]。目前市場(chǎng)上的這類(lèi)設(shè)備單通道居多，測(cè)試效率低，不支持模塊化的元件治具，需要人工參與較多，測(cè)試設(shè)備的記錄和分析功能有待提高[3]。針對(duì)以上問(wèn)題和不足，本文設(shè)計(jì)了一款集多通道、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理的耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)，有效解決目前設(shè)備對(duì)新型多測(cè)試點(diǎn)元器件測(cè)試只能分時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從靈活性考慮，主要分為上位機(jī)和下位機(jī)部分，上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)USB通信[4]。上位機(jī)采用PC平臺(tái)，包含人機(jī)界面和數(shù)據(jù)庫(kù)；下位機(jī)使用STM32處理器，主要包含多通道掃描模塊、MCU控制模塊、高壓電源模塊。其中多通道掃描模塊主要是實(shí)現(xiàn)多通道的掃描和切換，高壓電源模塊主要是產(chǎn)生高壓電源，MCU控制模塊主要是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)命令解析和配置命令下發(fā)[5]。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示，本文主要介紹硬件電路設(shè)計(jì)部分和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)部分。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路及下位機(jī)設(shè)計(jì)

硬件電路部分和下位機(jī)部分是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)上的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集交直流耐壓、絕緣電阻測(cè)試為一體的多通道絕緣耐壓一體式測(cè)試儀，能夠?qū)崿F(xiàn)不低于3 kVAC/10 mA、4 kV/5 mA耐壓測(cè)試，通過(guò)通道掃描的方式對(duì)外提供16個(gè)絕緣耐壓測(cè)試通道[6]。

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件電路部分主要由高壓多通道掃描模塊、多通道驅(qū)動(dòng)模塊、高壓電源模塊、STM32控制模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊(與上位機(jī)通信)、RS232通信模塊、故障存儲(chǔ)模塊等組成，其中RS232主要實(shí)現(xiàn)與高壓電源模塊的通信，故障存儲(chǔ)模塊采用EEPROM[7]。多通道耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要預(yù)留足夠的安全余量，實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境下隔離設(shè)計(jì)和相互干擾的控制。MCU采用的是STM32F103VET6，它具有80個(gè)GPIO口、兩個(gè)I2C、5個(gè)USART以及512 KB Flash、64 KB的RAM存儲(chǔ)資源。主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信、通道控制、測(cè)試數(shù)據(jù)反饋、故障存儲(chǔ)等功能。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

下位機(jī)是上位機(jī)命令解析、數(shù)據(jù)處理、外圍模塊控制的中心。在下位機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用了uCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它具有實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核以及搶占式多任務(wù)的處理能力。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)部分主要包含：上下位機(jī)交互通信、高壓測(cè)試條件配置、多通道掃描模塊的控制、以及故障存儲(chǔ)和故障查詢等。其中上下位機(jī)通信部分主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)命令解析和配置命令下發(fā)、配置命令包含測(cè)試條件命令和通道控制命令等。其測(cè)試原理主要是根據(jù)測(cè)試控制算法，上位機(jī)首先向STM32發(fā)送配置命令，MCU對(duì)配置命令進(jìn)行解析，解析出的命令分別對(duì)高壓電源模塊和多通道掃描模塊進(jìn)行配置，配置好后啟動(dòng)測(cè)試；測(cè)試結(jié)束后，下位機(jī)將測(cè)試結(jié)果反饋給上位機(jī)，上位機(jī)收到測(cè)試結(jié)果后，系統(tǒng)停止測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，避免重復(fù)測(cè)試，方便用戶查詢。

2.2高壓多通道掃描模塊設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，滿足可靠性考慮，要采用必要的電氣隔離[8]。常用的電氣隔離方式有繼電器隔離、光電耦合器隔離、晶體管等隔離方式。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先是高低壓的隔離，采用繼電器隔離法，用24 V繼電器對(duì)高壓通道進(jìn)行控制；其次是STM32與24 V繼電器的電氣隔離，采用晶體管隔離法,在設(shè)計(jì)時(shí)使用ULN2803A，它是TI公司生產(chǎn)的高電壓、高電流達(dá)林頓管陣列，高壓輸出最高50 V,常用作繼電器等的驅(qū)動(dòng)器。

在設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足耐壓絕緣測(cè)試要求，減少高壓多通道切換中繼電器的性能影響測(cè)試結(jié)果，在實(shí)際電路中使用的是高耐壓、高絕緣電阻的干簧管繼電器，其開(kāi)關(guān)電壓7 500 VDC，最小負(fù)載電壓15 000 VDC,最大電流3 A, 絕緣電阻為1 010 Ω。其工作原理是將可磁化的簧片和惰性氣體密封在玻璃管中，當(dāng)繞在干簧管上的線圈通電時(shí)，形成磁場(chǎng)使簧片磁化，簧片的觸點(diǎn)部分就會(huì)被磁力吸引，當(dāng)引力大于簧片彈力時(shí)，常開(kāi)接點(diǎn)吸合；當(dāng)磁力減小到一定程度時(shí)，接點(diǎn)被簧片的彈力打開(kāi)。多通道掃描模塊結(jié)構(gòu)和原理如圖3所示，通常進(jìn)行一步測(cè)試用到兩個(gè)通道，一個(gè)作為電壓高端通道、一個(gè)是電壓低端通道，測(cè)試時(shí)高端和低端與被測(cè)物之間形成測(cè)試回路。

圖3 多通道掃描模塊結(jié)構(gòu)及原理圖

3 系統(tǒng)工作及測(cè)試

系統(tǒng)的上下位機(jī)交互的工作流程如下：首先是握手，上位機(jī)發(fā)送串口識(shí)別指令給下位機(jī)，下位機(jī)收到后反饋數(shù)據(jù)給上位機(jī)；接著上位機(jī)發(fā)送開(kāi)機(jī)命令，下位機(jī)啟動(dòng)開(kāi)機(jī)自檢，對(duì)自身外圍模塊檢測(cè)，將自檢結(jié)果保存并且反饋給上位機(jī)；開(kāi)機(jī)自檢過(guò)后，上位機(jī)開(kāi)始發(fā)送測(cè)試條件命令，測(cè)試條件命令協(xié)議格式是“發(fā)送配置命令+通道”，對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行配置，配置完成后開(kāi)始啟動(dòng)測(cè)試。其他交互方式還有故障查詢和系統(tǒng)時(shí)間等，故障查詢時(shí)，上位機(jī)發(fā)送故障查詢指令，下位機(jī)將以往故障記錄反饋給上位機(jī)，故障格式是“故障時(shí)間+故障碼”。由于uCOS系統(tǒng)使用了RTC時(shí)鐘，在初次使用時(shí)要更新系統(tǒng)時(shí)鐘，以便發(fā)生故障時(shí)記錄故障的時(shí)間，當(dāng)下位機(jī)接收到此指令，將系統(tǒng)時(shí)間更新。交互場(chǎng)景及流程如圖4所示[9]。

圖4 交互流程

該16通道耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)和硬件部分，通過(guò)與上位機(jī)界面整體聯(lián)調(diào)，能準(zhǔn)確地完成上位機(jī)命令接收、解析和反饋、多通道的控制、故障存儲(chǔ)等，很好地完成了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足要求。系統(tǒng)測(cè)試的配置界面如圖5所示，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 測(cè)試配置界面

圖6 檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該多通道耐壓絕緣測(cè)試下位機(jī)和硬件電路部分，通過(guò)與上位機(jī)聯(lián)合調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)了測(cè)試條件的配置、多通道模塊的控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的反饋、故障的存儲(chǔ)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試能快速完成項(xiàng)目需求和性能要求。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試表明：該系統(tǒng)性能可靠、測(cè)試數(shù)據(jù)精確，同時(shí)能夠提高測(cè)試效率，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

[1] 帥仁俊, 何慕容. 智能化耐壓絕緣測(cè)試設(shè)備的原理與實(shí)現(xiàn)[J] .南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 1997, 11(4): 50-54.

[2] 蔡祥，江冰. 基于485的耐壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 通訊技術(shù)，2011，44(3):32-34.

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[4] 陳娟，李元，李萬(wàn)國(guó).基于B/S模式的嵌入式系統(tǒng)測(cè)試方法與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，43(2)：50-52.

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[7] LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II[M].邵貝貝，等譯.北京：航空航天大學(xué)出版社，2010.

[8] 劉火良，楊森.STM32庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

Design of slave computer and hardware for multi-channel insulation withstand voltage test system

Xu Zhongyuan1, Zhou Hua1, Mu Jie2

(1. School of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Kaifeng Culture and Art Career Academy, Kaifeng 475000, China)

In order to meet the testing needs of the new multi-interface devices, for current voltage insulation tester has less common channel, and the degree of automation is not high, a multi-channel voltage insulation testing system is designed. The system mainly realizes reliable high-pressure multi-channel switching mode, the test data entry automation and efficient user interface. The practice results show that the system is simple, efficient and capable of analyst detection, rapid feedback and automated data entry. It improves test efficiency, and completes all the indexes and functions required by the system.

ulti-channel; voltage insulation testing; intelligence; slave computer

TP206.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.011

許中原，周驊，穆杰.多通道絕緣耐壓測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)及硬件設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：38-40.

貴州省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目(黔科合LH字【2014】7630)；貴州省功率元器件可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目(KFJJ201502)

2017-04-06)

許中原(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、硬件設(shè)計(jì)。周驊(1978-)，男，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向：EDA，集成電路設(shè)計(jì)。穆杰(1975-)，男，本科，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)。