基于TMS320F2812泄漏電流測試系統的設計

摘 要：泄漏電流是電氣安全性能測試最關鍵的參數，為了設計滿足多標準、多種類型泄漏電流測試系統的要求，主要介紹了以TMS320F2812為核心的泄漏電流測試系統，講述了泄漏電流的測試原理和測試方法，詳細講述了采取單一人體阻抗網絡的泄漏電流信號調理電路，采用TMS320F2812進行數據采集以及與計算機進行數據通信，從軟硬件方面完成整個測試系統的設計與實現。通過該測試系統的技術研究，可以節省產品成本，提高測試精度，對于我國的泄漏電流測試技術水平有著重要的意義。

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關鍵詞：泄漏電流; TMS320F2812; 人體阻抗; 隔離

中圖分類號：TN06-34

文獻標識碼：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，通過其周圍介質或絕緣表面所形成的電流。也包括當人觸及電器設備時，由設備經過人體到達大地的電流或由設備經人體又回到設備的電流。它是衡量電器絕緣性好壞的重要標志之一，也是產品安全性能的主要指標。

泄漏電流測試系統內部應當根據不同的標準，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。通過將人體阻抗網絡連接人體可能觸電的待測儀器部件，測量流過人體阻抗網絡的電流[1]。

1 泄漏電流整體測試方案

為了提高測試精度和數據的采集與處理速度，滿足最新標準的要求，設計了新的泄漏電流測試系統。該測試系統以計算機和DSP芯片TMS320C2812作為測控平臺，實現了對采取單一人體阻抗網絡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 系統硬件設計

測控系統由PC機、DSP芯片TMS320F2812控制系統以及外圍擴展功能電路、泄漏電流采集信號調理電路、DSP與PC通信接口電路構成，采集、計算、顯示和存儲進而分析被測儀器泄漏電流特征值，系統總體框圖如圖2所示。

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圖2 系統硬件整體設計框圖

各部分功能介紹如下：

泄漏電流調理電路：被測設備在加上220 V交流電壓通過隔離變壓器所產生的

電流，流入人體阻抗網絡，

第一級放大電路使電流信號轉變為電壓信號并設計阻抗匹配電路使輸入信號穩定，放大電路的作用通過調整放大增益使輸出信號在A/D采集范圍之內，光耦隔離主要是為了使被測系統與測試系統之間實現完全的電氣隔離，減小兩者之間的干擾。

DSP控制系統：利用TMS320F2812的GPIO控制

繼電器實現三種(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內部集成A/D和采樣保持電路進行數據采集，通過串口或USB把數據傳輸至PC機進行分析、處理和顯示[2-3]。

本系統中DSP采用TI的32位控制類定點芯片TMS320F2812?；谄涓咛幚硭俣群吞幚砭鹊膬瀯荩陔娮涌刂葡到y中有著廣泛的應用，其主要特點有外部時鐘經過鎖相環倍頻后達到150 MHz(時鐘周期為6.67 ns)、有著豐富的外設接口(異步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等)、具有多達56個可復用的GPIO口。

通過DSP的SCI模塊與PC機進行數據通信和TMS320F2812內置12位16通道ADC進行高速數據采集，最高轉換速率為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計

按照對泄漏電流測試的最新標準要求，要求對50 Hz~1 MHz的泄漏電流進行檢測。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算放大器HA7-5127-5，其通頻帶寬達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，被測設備泄漏電流經過單一模擬人體阻抗網絡，將電流信號轉換成電壓信號，鉗形二極管電路起保護作用，防止正負電壓過高。后加跟隨放大器U1匹配阻抗和使信號穩定，放大器U2對微弱泄漏電流信號進行放大，通過RP1調整電路的放大增益，以便于觀察和采集。

1.1.2 線性光耦隔離電路的設計

在電路設計中，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，電介質通過阻斷直流(DC)電來實現兩個通信點的隔離。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

在醫療設備、工業控制、高精度數據采集、長距離通信、高低壓混合系統等電路設計中，經常要用到隔離電路，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，下面介紹各自的優缺點。

(1) 光電隔離技術

光耦合技術是在透明絕緣隔離層(例如：空氣間隙)上的光傳輸，以達到隔離目的。光耦合器(LED)，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出，這就完成了電-光-電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合技術的主要優點是，光具有對外部電子或磁場內在的抗擾性，而且，光耦合技術允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現在速度限制、功耗以及LED老化上。還有，光耦合隔離方式適合傳輸低頻信號和直流信號，且功耗較大。

(2) 電磁隔離技術

電感耦合技術使用兩個線圈之間的變化磁場在一個隔離層上進行通信。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構(匝數/單位長度)、磁芯的介電常數以及電流振幅。電感耦合技術的優點是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設計允許噪聲和信號頻率重疊，但是會呈現出噪聲高共模阻抗和信號低差分阻抗。另一個優點是，信號能量傳輸可達到近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

電容耦合技術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期頻率，這樣隔離層電容就呈現出信號的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。

(4) 磁耦隔離技術

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

包括數據通信、數據轉換器接口、各種總線隔離以及其他多通道隔離應用。磁耦產品的優點有[4]：

速度高 最高速率可達到150 Mb/s；

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

性能更高 時序精度，瞬態共模抑制力，通道間匹配程度均優于傳統光電隔離器；瞬態抗擾度可高達25 kV/μs。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的兩倍，并且數據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節省60%~70％左右，采用了低成本SOIC封裝；

應用方便 同一芯片內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，省去傳統光電轉換部分，壽命與其他CMOS器件相同；

當然，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字電路使用，但其功耗較小[5]。

在泄漏電流隔離數據采集電路中，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低頻信號以及直流信號，且磁耦隔離對數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的模擬信號進行電平抬高，使得模擬信號的最小電流值可以驅動隔離器件工作，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的低頻信號調制到高頻載波上，再用磁耦合隔離電路隔離傳輸，在接收端再用解調電路提取出低頻信號，可以實現用磁耦合隔離電路傳輸低頻信號的目的。本文設計的新型磁耦合隔離電路不用調制和解調電路就可以實現低頻和直流信號的磁耦合隔離傳輸，而且電路結構簡單、功耗小，信號傳輸延遲很小[6]。

本文采用模擬隔離放大器進行隔離，實現測試系統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用于負極性信號的隔離。在隔離電路中，R2調節初級運放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的鋁砷化鎵發光二極管LED受到意外沖擊。R1可以控制LED的發光強度，從而對通道增益起一定的控制作用。HCNR201是電流驅動，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運算放大器，其輸出電流可達25 mA。R3是采樣電阻，將光耦輸出電流轉變為電壓信號，與運放U1組成電壓跟隨電路，實現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，也即隔離系數為:

G=R3/R2

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

1.1.3 電平抬高電路的設計

由于TMS320F2812內部集成的A/D采樣范圍為0~3 V，在采集信號進行光耦隔離之前，可以調節放大器的增益，使被采集的電壓信號落到-1.5~+1.5 V范圍之內，然后設計一個+1.5 V的基準電壓源將被采集信號進行電平抬高，這樣就可以保證采樣信號在0~3 V的范圍內，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，根據上式即可得：

Uo=1.5-Ui

這樣就實現了電平抬高的目的，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，滿足要求。

1.2 系統軟件方案的設計

軟件部分包括DSP內部采樣程序的設計和DSP采樣大量數據與PC機實現數據通信程序的設計，在CCS 3.3開發環境下編寫；上位機PC機的測試界面軟件采用Microsoft Visual C++編寫。

1.2.1 數據采集模塊設計

系統的數據采集模塊由DSP控制內部集成的ADC模塊對外部的泄漏電流調理后的信號進行模/數轉換和采樣，并將采集到的大量數據送入DSP內部對采樣數據進行軟件濾波和前端處理，將處理結果通過USB或者串口傳入PC機進行后端分析、處理和顯示，如圖7所示。

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

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

圖7 A/D采樣及數據通信框圖

圖8 模/數轉換軟件流程圖

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機選擇測試參數，然后通知下位機(DSP)開始測試，然后測試電路對測試信號進行實時采集，通過放大、隔離保護等信號調理，由DSP控制系統將模擬信號轉換成數字信號傳至上位機(PC)，PC機對采集到的信號處理及顯示，并判定被測設備是否合格，其流程圖如圖9所示。

2 實驗結果

2.1 隔離電路實驗結果

對該電路首先進行仿真試驗，輸入峰峰值為3 V的正弦波，經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的基準電壓，其輸出波形如圖13所示。

3 結 語

本文主要從軟硬件兩個方面對整個測試系統做了簡單的介紹，硬件部分包括單一人體阻抗網絡，高速放大電路，線性光耦隔離電路以及電平轉換電路的設計，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DSP程序和在PC上運行的VC++程序，結合流程圖詳細地介紹了測量軟件的實現，以及上下位機之間測量通信的流程。

參 考 文 獻

［1］邱明曉，劉桂禮，李東，等.符合IEC 61010標準的泄漏電流測試技術［J］.北京機械工業學院學報，2005，20(1):8-11.

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［2］左麗霞，鄧芳芳，盧山.基于DSP的高速數據采集系統設計與實現［J］.電力系統保護與控制，2010，38(13):108-112.

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

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［4］Texas Instruments.ADuM1100產品說明書(修訂版E)［M］.美國：Texas Instruments，2008.

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［5］佚名.磁耦數字隔離技術的應用及發展趨勢［EB/OL］.［2008-04-18].http://wenku.baidu.com/view/7d3ce24e85 2458fb770b56ed.html.

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［6］鄭采君，肖原.新型磁耦合隔離電路設計［J］.電子設計工程，2011，19(4):162-166.

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［7］楊居朋，王軍民，劉迪仁.基于線性光耦HCNR201雙極性信號隔離電路［J］.光電技術及應用，2009，24(6):51-54.

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［9］劉和平，江渝，鄧力，等.數字信號處理器原理、結構與應用基礎［M］.北京:機械工業出版社，2007.

作者簡介：

劉建利 主要研究方向為測試計量技術及儀器。

李 東 主要研究方向為測試計量技術及儀器。