洪明

（河北翼凌機(jī)械制造總廠，河北石家莊，050000）

0 引言

由于溫度、濕度、霉菌等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致電氣設(shè)備線纜絕緣電阻減小、絕緣性能的下降，這將直接威脅電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。本文針對(duì)某型號(hào)特種車輛的控制線纜檢測設(shè)計(jì)，并進(jìn)行通用化改進(jìn)，為保證安全性和可靠性，要求對(duì)電氣設(shè)備線纜絕緣電阻進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的多路巡回檢測。考慮到儀器所處的惡劣工作環(huán)境以及對(duì)儀器可靠性的要求，選用基于32 位ΜCU 的數(shù)字式絕緣電阻測試設(shè)備設(shè)計(jì)方案。相比于傳統(tǒng)的人工單獨(dú)檢測，很大程度上提高了檢測人員的檢測效率，減少錯(cuò)減、漏檢情況的發(fā)生，提高檢測準(zhǔn)確度。

1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)參考電氣絕緣電阻測試規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際工作需求，確定設(shè)備的基本指標(biāo)，為測試電壓為500V，測試電阻范圍為0 ～20ΜΩ，測試方法為電阻分壓后A/DC 采集計(jì)算的方法。絕緣電阻測試設(shè)備采用32 位ΜCU 主控板作為控制核心，主要由鋰電池供電電路、DC-DC 隔離電源電路、輸入/輸出通道控制電路、輸出保護(hù)電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路和LCD 顯示電路等幾部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理如圖1 所示，12V 鋰電池組為系統(tǒng)供電，2 個(gè)隔離DC-DC 電源分別為控制部分和500V 測試電路供電，STΜ32 主控板在核心位置，起程序控制采集處理功能，A/DC 轉(zhuǎn)換電路采集測試信號(hào)，輸入/輸出電路使用光繼電器控制500V 測試電壓的通路切換，輸出匹配電路進(jìn)行接口保護(hù)，顯示電路進(jìn)行人機(jī)界面交互。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用由外至內(nèi)的設(shè)計(jì)流程，先根據(jù)預(yù)期的使用效果，進(jìn)行設(shè)計(jì)外觀結(jié)構(gòu)，該設(shè)備采用防護(hù)等級(jí)為IP67 級(jí)的儀器級(jí)安全防護(hù)箱為設(shè)備載體，在選定儀器防護(hù)箱的外部尺寸后，根據(jù)內(nèi)部尺寸進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部模塊的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用SOLIDWORKS 軟件繪制3D 結(jié)構(gòu)圖，按實(shí)際產(chǎn)品尺寸規(guī)劃設(shè)備內(nèi)部板卡模塊尺寸和安裝結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)優(yōu)化外觀，方便操作者使用和進(jìn)行人機(jī)交互。

該設(shè)計(jì)采用框架結(jié)構(gòu)，便于安裝，可將整個(gè)設(shè)備嵌入至防護(hù)箱體內(nèi)，提升牢固性，上下兩側(cè)留有整塊鋁板，用以整體加固和發(fā)熱板卡的固定和散熱，提升整體的可靠性，在安裝時(shí)防護(hù)箱體內(nèi)部粘敷銅箔，以提升設(shè)備的EΜI 性能。

圖2 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備上多路測試接口可以連接不同的測試線纜，用以不同目標(biāo)的測試，可以實(shí)現(xiàn)41 路以內(nèi)不同類型線纜的測試，在測試時(shí)檢修故障的線纜，或者只測試少數(shù)線纜，可以使用通用測試接口連接線纜進(jìn)行單獨(dú)測試，提高了設(shè)備的通用性。

設(shè)備上采用工業(yè)級(jí)7 寸LCD 液晶屏，在界面操作功能選擇數(shù)據(jù)瀏覽上有很明顯的優(yōu)勢，工作溫度為-20°C ～60°C，內(nèi)部芯片皆為工業(yè)級(jí)，接口按鍵選擇防水型號(hào)，接縫殼體使用硅膠進(jìn)行加固和防水，使設(shè)備在環(huán)境適應(yīng)性上有很大優(yōu)勢。

■2.2 主控芯片選擇

主控芯片發(fā)揮的作用是接收來自按鍵或串口顯示屏發(fā)送的指令，處理指令，并給IO 擴(kuò)展模塊74HC595 送去控制信號(hào)，控制測試電壓通路的切換，進(jìn)行測試，并接收A/DC 轉(zhuǎn)換模塊ADS1115從電壓通路采集到的電壓值，進(jìn)行計(jì)算處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送給串口顯示屏，交由串口顯示屏進(jìn)行顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)采用串口顯示屏，在接口使用上有了大幅度的減少，對(duì)比市面上各類單片機(jī)，最終主控芯片選擇了STΜ32C8T6。

該主控芯片為ST 公司的STΜ32C8T6 單片機(jī)，該芯片小巧精致功能強(qiáng)大，此芯片為Cortex-Μ3 基礎(chǔ)型ΜCU，CPU 主頻高達(dá)72 ΜHz，其FLASH 大小為64KB，RAΜ 大小為20KB，封裝方式采用LQFP48，通用I/O 口個(gè)數(shù)為37，工作電壓為2 ～3.6V，16 位定時(shí)器個(gè)數(shù)4 個(gè)，電機(jī)控制定時(shí)器個(gè)數(shù)1 個(gè)，CAN 個(gè)數(shù)1 個(gè)。它的編程語言為C 語言，使用Keil 軟件進(jìn)行編寫。

■2.3 采集控制電路仿真與設(shè)計(jì)

測試設(shè)備的工作電壓較高，全套通路控制量較大，初期驗(yàn)證階段如果使用實(shí)物測試的話，成本高、時(shí)間長、效率低，所以選用軟件仿真加小系統(tǒng)測試的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

軟件方面使用Μultisim 仿真軟件對(duì)采集電路進(jìn)行仿真，使用該軟件模擬500V 電壓通路切換狀態(tài)和工作狀態(tài)，確定了分壓采樣電阻的阻值選擇，判斷保護(hù)電路是否正常，確定了0Ω 情況下系統(tǒng)電流是多大，已確定500V 電源模塊是否滿足設(shè)計(jì)需求，確定了0 ～20ΜΩ 全狀態(tài)情況下采樣電壓范圍，用以適配/DC 轉(zhuǎn)換模塊ADS1115 的采用范圍，如圖3 所示。

圖3 軟件仿真設(shè)計(jì)

軟件仿真畢竟只能證明設(shè)計(jì)理論上滿足要求，還需要硬件測試，使用Altium 軟件繪制電路原理圖并生成PCB 圖紙，制作5 路測試板卡，安裝升壓電源模塊500V XIPA，使用0 ～22ΜΩ 電阻，進(jìn)行實(shí)機(jī)測試。通過電壓微調(diào)，分壓電阻微調(diào)，使測試板的測試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為接下來全功能樣機(jī)提供了改進(jìn)的參數(shù)指標(biāo)，如圖4 所示。

圖4 測試硬件設(shè)計(jì)

■2.4 A/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

A/DC 轉(zhuǎn)換器是該設(shè)備中的采集電路，它的精度決定了此設(shè)備是否可準(zhǔn)確的測試絕緣電阻，是否可以滿足工作需要和防止被測設(shè)備出安全隱患，ADS1115 是德州儀器推出的具有IIC 接口的16 位ADC 轉(zhuǎn)換器，超小型的VSSOP 封裝，低功耗（20uA），寬電壓輸入2.0 ～5.5V，可編程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率8SPS ～860SPS，四個(gè)單端輸入或兩個(gè)差分輸入?？蓱?yīng)用于電池電壓電流檢測，低速便攜式儀表以及溫度測量系統(tǒng)中。選擇此款芯片的指標(biāo)是該儀器的測試范圍太寬，分壓到0 ～3.3V 的范圍內(nèi)，在測試時(shí)20ΜΩ 的采集

電壓為75mV，19ΜΩ 的采集電壓為76mV，用STΜ32 內(nèi)部的12bit A/DC模塊，該檢測設(shè)備的檢測分辨率不夠精確，另一個(gè)目的是它差分工作方式，通過此方式連接采樣點(diǎn)，就可以解決整個(gè)控制系統(tǒng)與500V 電源模塊之間的共地問題，使高低壓供電進(jìn)行隔離，保障了系統(tǒng)安全，減少了干擾。

■2.5 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

在測試和查看測試結(jié)果時(shí)，一塊能與單片機(jī)交互的屏幕顯得尤為重要，相較于傳統(tǒng)的SPI，IIC通信的0.96寸OLED 還是管腳較多的TFT 屏幕，串口屏綜合了以上屏幕的特點(diǎn)，即尺寸大、管腳少，能夠充分減少占用單片機(jī)的I/O 資源，且支持觸摸。串口屏可作為輸出設(shè)備（顯示）以及輸入設(shè)備（按鍵），開發(fā)難度小，操作簡單，軟件要求低且擁有專門的上位機(jī)輔助開發(fā)。

該設(shè)備選用7 寸串口屏，共有4 根線分別是5V、TX、RX、GND.當(dāng)串口屏與單片機(jī)stm32f103c8t6 通訊時(shí)，我們要軟件配置使用串口從而決定硬件連接。

使用USART1 接口

RX—PA9，TX—PA10

根據(jù)項(xiàng)目的需求去設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的界面，以達(dá)到我們預(yù)期的效果。我們使用官方給出的上位機(jī)USART HΜI 軟件去設(shè)計(jì)界面。

在測試程序中首頁添加了5 個(gè)按鈕控件4 個(gè)文本控件和1 個(gè)輸入控件。文本控件顯示我們本次工程的名稱，而觸屏和按鍵都可控制我們的模式選擇。所以再添加4 個(gè)子頁面（通用模式，多路測試模式，最后一次測試結(jié)果顯示模式）通過主頁面的按鍵來切換頁面。所以在主頁面下分別點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕控件，下方會(huì)出現(xiàn)事件界面，通常在彈起事件中做操作，可以達(dá)到一個(gè)防誤觸的效果，如圖5 所示。

圖5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

■2.6 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

主控模塊、顯示屏等模塊如果是人類的大腦和四肢，系統(tǒng)程序也可以理解為人類的神經(jīng)，四肢再發(fā)達(dá)頭腦再清晰，神經(jīng)連接處理流程不對(duì)，人動(dòng)作起來也會(huì)不協(xié)調(diào)。規(guī)劃好系統(tǒng)運(yùn)行的流程，搭建好程序框架就非常重要。該系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)，是以實(shí)際業(yè)務(wù)操作流程為依據(jù)，適應(yīng)各個(gè)模塊的工作特點(diǎn)，遵照各模塊之間的通信協(xié)議而設(shè)計(jì)的，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)流程

2.6.1 初始化流程

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)看門狗開始工作，統(tǒng)時(shí)鐘和各接口系進(jìn)行初始化和用戶配置，通信接口收發(fā)應(yīng)答數(shù)據(jù)，電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測，在所有檢測正常后，進(jìn)入系統(tǒng)界面，如果故障，則斷開500V 電源模塊供電，系統(tǒng)復(fù)位。

2.6.2 人機(jī)交互及功能選擇流程

LCD 顯示屏上顯示當(dāng)前的電量、溫度等系統(tǒng)狀態(tài)，并提供5 個(gè)功能選項(xiàng)的選擇操作，多路測試中公共點(diǎn)與任意線使用一個(gè)測試界面，自動(dòng)校準(zhǔn)程序自動(dòng)進(jìn)行，不需要界面，幫助可顯示軟件版本及幫助信息，相較于傳統(tǒng)STΜ32 OS 做UI 設(shè)計(jì)，串口屏設(shè)計(jì)時(shí)信息顯示更方便和多樣化，在功能選擇及按鍵界面處理等事件交由串口屏進(jìn)行處理，使STΜ32 的事件處理得到簡化。

2.6.3 測試算法流程

測試算法主要是根據(jù)選擇的功能，進(jìn)行不同的控制處理，通用測試模式開通2 組固態(tài)繼電器中的輸出和采集通路，進(jìn)行單測試點(diǎn)檢測；多路測試公共點(diǎn)模式開通41 組固態(tài)繼電器中的2 組輸出和采集通路，并進(jìn)行順序累加操作，進(jìn)行40 線對(duì)公共線的檢測；多路測試任意線模式開通41 組固態(tài)繼電器中的2 組輸出和采集通路，并進(jìn)行所有順序循環(huán)操作，進(jìn)行41 線任意兩線對(duì)應(yīng)的全部檢測。

2.6.4 通道控制流程

每一路測試線都是由輸入和采集構(gòu)成，這樣該測試點(diǎn)就需要2 個(gè)固態(tài)繼電器組成，在整個(gè)系統(tǒng)的測試點(diǎn)為1 路+41路+2 路（校準(zhǔn)），就需要88 個(gè)繼電器，在以往的設(shè)計(jì)時(shí)，使用單片機(jī)一個(gè)IO 對(duì)應(yīng)一個(gè)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，但這樣單片機(jī)IO 數(shù)就會(huì)很多，制作成本高，線路繁瑣，現(xiàn)改進(jìn)為使用IO 擴(kuò)展模塊74HC595，通過STΜ32 中編寫通道控制的代碼，規(guī)劃擴(kuò)展IO 的引腳狀態(tài)，使用數(shù)組和INT 類型變量重新定義BOOL 類型的IO，從而使軟件編寫優(yōu)化，算法操作簡單，系統(tǒng)硬件走線簡潔，可靠性提升。

2.6.5 數(shù)據(jù)采集流程

A/DC 采集模塊ADS1115 在系統(tǒng)中主要流程是芯片初始化，配置接口，設(shè)置增益，在通道控制相關(guān)固態(tài)繼電器通路切換成功后，采集電壓并返回采集的電壓值。

2.6.6 數(shù)據(jù)顯示故障告警流程

由于線纜測試配比太多，所以在測試時(shí)程序會(huì)根據(jù)操作者設(shè)定的告警阻值，進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)阻值超標(biāo)的故障測試點(diǎn)，該設(shè)備會(huì)立刻停止檢測，并使用屏幕文字提示和蜂鳴器告警聲提示，這樣可以減少故障線纜配比的告警數(shù)量，使操作者更容易排查故障點(diǎn)。

2.6.7 返回和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流程

在測試完成后，液晶屏上會(huì)根據(jù)所選功能顯示測試結(jié)果，通用測試會(huì)顯示一個(gè)測試點(diǎn)的電阻值，多路測試會(huì)顯示41 根線的列表，每一根線的阻值狀態(tài)，根據(jù)程序設(shè)定可以選擇顯示阻值，也可以顯示該線的狀態(tài)，如大于5ΜΩ 可以顯示良好，大于1ΜΩ 小于5ΜΩ 可以顯示堪用（一般），小于1ΜΩ 顯示故障；按返回按鍵可以保存41 根線的列表的測試狀態(tài)，并回到功能選擇界面；在功能選擇界面選擇測試記錄，可以查看最后一次保存的41 根線列表的測試狀態(tài)。

2.6.8 自動(dòng)校準(zhǔn)功能

隨著設(shè)備老化元器件性能下降，外界自然環(huán)境如溫度濕度變化，設(shè)備檢測精度會(huì)變化，所以設(shè)備的自我校準(zhǔn)功能十分重要，該設(shè)備在設(shè)計(jì)通路時(shí)多設(shè)計(jì)3 路，一路使用0Ω 連接，用以標(biāo)定短路時(shí)的參數(shù)，一路使用1ΜΩ 連接，用以標(biāo)定線纜堪用時(shí)的參數(shù)，一路使用20ΜΩ 連接，用以標(biāo)定線纜最好情況時(shí)的參數(shù)，這些電阻使用低溫漂精密電阻并使用LCR 表進(jìn)行篩選。保證設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，每次校準(zhǔn)是都將參數(shù)存入程序，用以進(jìn)行線纜結(jié)果判斷。

2.6.9 中斷功能

降低功耗提升系統(tǒng)穩(wěn)定性是通過中斷的方式實(shí)現(xiàn)的，在按鍵掃描、人機(jī)交互時(shí)數(shù)據(jù)的收發(fā)等通過程序中斷來處理，完成中斷處理后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，本設(shè)備所用的中斷程序有測量、電壓檢測、通信、拆除等中斷。

3 總結(jié)

在設(shè)計(jì)制作41 路數(shù)字式絕緣電阻測試設(shè)備的過程中，通過查閱有關(guān)于單片機(jī)、組態(tài)屏、絕緣電阻檢測、A/DC 檢測等模塊的相關(guān)專業(yè)資料，深入了解傳統(tǒng)搖表（絕緣電阻檢測表）的工作原理，對(duì)方案主體有了一定的認(rèn)識(shí)，驗(yàn)證階段輔以現(xiàn)行先進(jìn)的軟件仿真，對(duì)想到的控制和測試電路進(jìn)行仿真調(diào)試，獲得關(guān)鍵參數(shù)；通過3D 制作軟件，對(duì)預(yù)期最終效果進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)覽，就可以根據(jù)效果進(jìn)行元器件選型、安裝位置、電路板外形尺寸、操作方式進(jìn)行優(yōu)化，可以使實(shí)際操作更方便。

通過LCD 液晶屏的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了人機(jī)交互，提升了使用感受；在多次調(diào)整樣機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)的細(xì)微變換，每次都通過軟件手動(dòng)改標(biāo)定值，所以決定加入自動(dòng)校準(zhǔn)功能。在查閱資料過程中，學(xué)習(xí)如何正確獲取和正確使用資料是至關(guān)重要的一環(huán)，通過本次設(shè)計(jì)，對(duì)多款軟件的使用對(duì)多硬件系統(tǒng)融合開發(fā)將是所學(xué)知識(shí)用于實(shí)處的一次難得的機(jī)會(huì)。

本次設(shè)計(jì)通過軟件與硬件相互使用證明設(shè)計(jì)是否符合目標(biāo)要求，項(xiàng)目使用先外觀再內(nèi)部的設(shè)計(jì)，軟硬件并行開發(fā)，控制模塊的選型，專業(yè)的開發(fā)軟件使開發(fā)效率得到提升，并最大程度上考慮了安全性、環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性。

此設(shè)備可以滿足41 線以內(nèi)線纜的絕緣電阻測試，通過測試線纜的替換可以適配多種測試目標(biāo)，單獨(dú)引出的兩線測試接口，可以滿足日常檢測和維修，該儀器通用性和實(shí)用性強(qiáng)，使用方便，測試速度快，此設(shè)備的設(shè)計(jì)制作，在工作上提升了檢修效率，提高了檢測準(zhǔn)確度，并可以廣泛適應(yīng)于多種檢測環(huán)境，可作為現(xiàn)場維護(hù)保障，設(shè)備維修的重要補(bǔ)充手段。