趙紅宇，楊壁賢，鐘子峰，呂志榮，董法偉，林旭

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部，廣東廣州，510000）

1 研究背景

地 鐵1500VDC 逆 變380VAC 的 大功率模塊，投入使用時(shí)間平均已經(jīng)超過(guò)10 年（一號(hào)線已經(jīng)超過(guò)20 年），由于大功率模塊重要性高、質(zhì)量大、體積大、安裝工藝復(fù)雜且維修人力成本、時(shí)間成本、材料成本極高，所以大功率模塊維修質(zhì)量要求嚴(yán)格。對(duì)大功率模塊的精修細(xì)檢深度維修成為必然趨勢(shì)。經(jīng)測(cè)算由于溫度傳感器導(dǎo)致模塊故障的比例由2019 年的2.48%上升到2020 年的3.29%，以往溫度傳感器的檢測(cè)僅是在常溫下靜態(tài)測(cè)試溫度傳感器的阻值是否匹配標(biāo)準(zhǔn)值，既不能測(cè)試出恒溫下溫度傳感器的電阻特性，也不能根據(jù)實(shí)際工況溫度下進(jìn)行動(dòng)態(tài)的全區(qū)段的溫度-阻值特性測(cè)試，已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，因此急需一個(gè)滿足維修大功率生產(chǎn)需求的溫度傳感器智能測(cè)試裝置。

2 測(cè)試裝置的技術(shù)方案

■2.1 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)框圖

溫度傳感器測(cè)試裝置由電源模塊、USART HMI 串口屏、STM32 控制板、測(cè)試裝置控制板、半導(dǎo)體加熱/制冷裝置、WiFi 模塊、PT100 溫度檢測(cè)模塊組成、散熱風(fēng)扇，外圍電路配置了220VAC 電源開關(guān)以及溫度傳感器對(duì)外檢測(cè)接口，整個(gè)模塊操作界面均通過(guò)USART HMI 串口屏實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)框圖

圖2 交變溫度測(cè)試界面

圖3 恒溫測(cè)試界面

■2.2 測(cè)試裝置的功能介紹

溫度傳感器測(cè)試裝置通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體的制熱、制冷、恒溫的一鍵智能控制，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器交變溫度性能測(cè)試、恒溫電阻特性測(cè)試，同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在MCU中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，可以將溫度傳感器全區(qū)段的溫度-阻值用曲線方式展現(xiàn)在USART HMI 串口屏上，并將測(cè)試過(guò)程的結(jié)果分時(shí)存儲(chǔ)保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可溯性，最終測(cè)試結(jié)果將自動(dòng)上傳至指定服務(wù)終端保證測(cè)試結(jié)果真實(shí)性。由于溫度傳感器測(cè)試裝置的人機(jī)交互界面基于USART HMI 串口屏，該串口屏具有體積小、性能穩(wěn)定、僅需5VDC 供電等特點(diǎn)，所以測(cè)試裝置具有攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單易于操作。完全能夠勝任復(fù)雜工況下的維修需求。在日常維修過(guò)程中，很多元器件的測(cè)試條件需要在特定溫度下進(jìn)行，溫度傳感器測(cè)試裝置在設(shè)計(jì)階段將恒溫測(cè)試單獨(dú)設(shè)計(jì)成一種測(cè)試模式，所以該裝置在一定溫度范圍內(nèi)可以作為恒溫溫度檢測(cè)使用。

3 各模塊設(shè)計(jì)方案

■3.1 半導(dǎo)體電源設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制熱、制冷需要功率較大（大于20W），根據(jù)使用需求要求加熱、制冷過(guò)程可控、精度較高，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體的供電電路，該電路可以根據(jù)STM32 輸入0～3.3VDC（分辨精度0.05V）控制信號(hào)，輸出VCC 在0.7～12VDC（可控精度0.1VDC）、電流≥3A 可調(diào)，如圖4 所示。

圖4 半導(dǎo)體電源設(shè)計(jì)

圖5 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集

經(jīng)試驗(yàn)，該電源電路輸出電壓（0～12VDC）電流（≥3A）線性可控且精度較高，輸出電壓穩(wěn)定，帶負(fù)載能力較強(qiáng)，有電壓自檢反饋機(jī)制，能滿足使用需求。

■3.2 溫度傳感器模擬輸入AD 采集電路

由于該溫度傳感器測(cè)試對(duì)于精度要求不是很高（根據(jù)使用需求：真實(shí)值在標(biāo)準(zhǔn)值±5%以內(nèi)，測(cè)量誤差小于±2%），故電路設(shè)計(jì)時(shí)未采用專用的基準(zhǔn)電壓源，使用TL431 及外圍電路搭建出基準(zhǔn)電壓源，優(yōu)點(diǎn)是電壓可調(diào)節(jié)、成本低，缺點(diǎn)是精度不高、存在一定溫漂；溫度傳感器電阻值測(cè)試框架為電橋電阻測(cè)量法，根據(jù)0～80℃測(cè)試需求，溫度傳感器在測(cè)試范圍內(nèi)阻值變化為28kΩ～1.8kΩ，將電橋一個(gè)橋臂分為三個(gè)擋位，將兩個(gè)橋臂的電位差經(jīng)過(guò)專用儀器儀表放大器芯片放大后進(jìn)行AD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

注：待測(cè)溫度傳感器的B 常數(shù)為3250（B 常數(shù)不是一個(gè)理想常數(shù)，是一個(gè)隨溫度區(qū)間而波動(dòng)的值，需要在一定溫度段進(jìn)行非線性修正），室溫25℃時(shí)阻值為10kΩ，可以根據(jù)公 式R=10*EXP（3250*（1/(T+273)-1/(25+273)））（T 為測(cè)試溫度），計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)參考阻值。

■ 3.3 STM32 控制及外圍接口電路

STM32 控制板采用成品通用STM32 控制系統(tǒng)，該板卡具有USB、JATG、USART 調(diào)試接口、40 個(gè)通用I/O 接口、5VDC 轉(zhuǎn)3.3V LDO 電路及一些外圍電路，所以該板卡I/O 口豐富、調(diào)試方便、具有自檢功能、故障指示排查功能、且無(wú)需另設(shè)計(jì)電源模塊等優(yōu)點(diǎn)，采用該板卡可以大大簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)。如圖6 所示。

圖6 STM32 控制電路設(shè)計(jì)

■3.4 軟件與程序設(shè)計(jì)

溫度傳感器測(cè)試裝置的軟件設(shè)計(jì)分三層，第一層USART HMI 串口屏上位機(jī)軟件編程，主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互處理、用戶權(quán)限判斷、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示、測(cè)試數(shù)據(jù)分時(shí)存儲(chǔ)；第二層STM32 底層軟件編寫，該層主要負(fù)責(zé)物理接口信息處理、溫度采集、WiFi 模塊通訊、數(shù)據(jù)上傳。第三層加熱/制冷裝置PID 控制，該層負(fù)責(zé)加熱/制冷裝置的恒溫控制及交變溫度測(cè)試時(shí)溫度加/減控制。該設(shè)計(jì)的好處減少USART HMI 串口屏與STM32 核心控制板之間的數(shù)據(jù)傳輸，加快系統(tǒng)的反應(yīng)與處理速度，從而使整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)更穩(wěn)定反應(yīng)更快。注：溫度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)參考值已經(jīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量值，對(duì)溫度傳感器B 常數(shù)在不同溫度段進(jìn)行了非線性修正。部分源代碼如下：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "usart2.h"

#include "adc.h"

#include "dma.h"

#include "dac.h"

#include "exti.h"

#include "stdio.h"

#include "common.h"

//WiFi 上傳

float temp_adc_PT100=0;

//PT100 采集電壓值

float temp_adc_Sensor1=0;

//溫度傳感器1 采集電壓值

float temp_adc_Sensor2=0;

//溫度傳感器2 采集電壓值

float temp_adc_Sensor3=0;

//溫度傳感器3 采集電壓值

u32 man=0,sn=0;

//員工號(hào)及部件唯一碼

void USART_3FF(void)

void atk_8266_wifista_init(void)

//WiFi STA 模式初始化

void REF_disp(void)

//更新顯示

void RUT_judg(void) //結(jié)果判斷

void ADC_PT100(void) //采集PT100 電壓值

void ADC_Sensor1(void) //采集溫度傳感器1 電壓值

void ADC_Sensor2(void) //采集溫度傳感器2 電壓值

void ADC_Sensor3(void) //采集溫度傳感器3 電壓值

void PID_Const_temper(u8 data) //恒溫控制PID 控制

void PID_Alter_temper(void) //交變測(cè)試PID 控制

4 測(cè)試裝置維修模式的優(yōu)點(diǎn)

以往溫度傳感器的測(cè)試僅在常溫下使用萬(wàn)用表對(duì)溫度傳感器的阻值進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比下使用溫度傳感器測(cè)試裝置測(cè)試量具有較多優(yōu)點(diǎn)，如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)測(cè)試與測(cè)試裝置測(cè)試功能的比較

測(cè)試人員僅需將待測(cè)溫度傳感器的接線接到相應(yīng)的接口上，按照顯示屏的提示輸入員工號(hào)、部件唯一碼并選擇想要測(cè)試類型即可完成測(cè)試。不僅操作簡(jiǎn)單而且測(cè)試結(jié)果可視化，突破了以往僅能對(duì)溫度傳感器進(jìn)行功能測(cè)試而不能進(jìn)行性能測(cè)試的技術(shù)瓶頸，使模塊的維修效率與可靠度得到了極大的改善。

測(cè)試裝置可以通過(guò)控制加熱/制冷裝置將溫度傳感器的測(cè)試溫度調(diào)制到一個(gè)指定溫度，突破了環(huán)境溫度限制，同時(shí)可以將溫度傳感器特定溫度段的電阻特性曲線直觀呈現(xiàn)。

加熱/制冷裝置通過(guò)經(jīng)典PID 溫控模型，經(jīng)測(cè)試精度可以達(dá)到誤差小于等于±0.5℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生產(chǎn)測(cè)試需求精度。

5 測(cè)試裝置的運(yùn)作流程圖

溫度傳感器測(cè)試裝置的測(cè)試運(yùn)作流程圖見圖7 所示。

圖7 溫度傳感器測(cè)試裝置的運(yùn)作流程

溫度傳感器測(cè)試裝置操作簡(jiǎn)單一鍵測(cè)試，測(cè)試過(guò)程實(shí)時(shí)曲線顯示，測(cè)試結(jié)果直觀可查，具有很好的人機(jī)交互界面，對(duì)于日常維修起到了極大的幫助。

6 結(jié)束語(yǔ)

溫度傳感器測(cè)試裝置根據(jù)使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，測(cè)量精度適用維修檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，如需提高測(cè)量精度現(xiàn)需要對(duì)硬件架構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，例如：采用專用AD 轉(zhuǎn)換芯片及專用電壓芯片等。

溫度傳感器測(cè)試裝置是一種智能化測(cè)試裝置，適用于軌道交通設(shè)備中特定溫度傳感器功能、性能檢測(cè)。通過(guò)全區(qū)段溫度性能的測(cè)試直觀呈現(xiàn)溫度傳感器的整體性能狀態(tài)，提高維修效率與維修質(zhì)量，本裝置另一目的在于對(duì)維修現(xiàn)場(chǎng)的溫度傳感器測(cè)試提出一種新的測(cè)試方法與測(cè)試思路。

本裝置可以通過(guò)修改溫度傳感器非線性擬合算法即對(duì)STM32 核心控制板軟件修改，可以將溫度傳感器的測(cè)試適用范圍進(jìn)一步推廣使用。