基于掉電數據存儲的耐壓絕緣測試系統設計

可曉海，古麗江·庫爾班，常莉麗，王 平，路

（伊犁師范學院 電子與信息工程學院，新疆 伊寧 835000）

基于掉電數據存儲的耐壓絕緣測試系統設計

可曉海，古麗江·庫爾班，常莉麗，王 平，路

（伊犁師范學院 電子與信息工程學院，新疆 伊寧 835000）

應用非易失性存儲芯片24C16與單片機相連接，設計了一種基于掉電數據存儲的耐壓絕緣測試系統，詳細說明了掉電數據存儲的耐壓絕緣測試系統的設計思路和硬件電路結構，編寫了相應的讀寫程序。這種串行非易失性存儲技術具有高速讀寫、百萬次擦寫壽命和數據保存時間長的優點，能極大提高系統的適用范圍和系統的測試效率。

耐壓絕緣測試；24WC16芯片；掉電數據存儲；單片機

各式各樣的電氣設備、家用電器、電源接頭排插以及各種電纜系統在各行各業中有著廣泛的應用，按照國家GB19510-2009/IEC 61347-1:2007標準規定，為了保障使用者的生命財產安全，需要對相關產品的耐壓和絕緣性能進行強制性檢測。

在實際使用過程中，耐壓絕緣測試系統在測試過程中需要對測得的大量數據進行現場記錄，需要在發生掉電情況下能夠及時存儲所測得的數據，來提高現場測試的效率，測試完成后需要將測試數據傳送給上位機以便保證數據的可靠性，確保被測產品的數據正確的保存和使用。

1 耐壓絕緣測試系統的軟硬件設計思路

針對文獻[1]中一般耐壓絕緣測試系統存在問題，設計了既具有傳統測試功能又具有方便的數據存儲功能，能夠滿足更多復雜多變的場合使用耐壓絕緣測試系統。

1.1 系統硬件設計和工作原理

1）硬件設計結構

系統主要完成在交流高壓產生、直流高壓產生和電流測量、電阻測量時具有對數據的采集、顯示和存儲等功能。硬件設計結構如圖1所示。

圖1 硬件設計結構Fig. 1 Design method of hardware

2）工作原理

耐壓絕緣測試系統的硬件電路按組成結構可分為5大電路模塊：數字電路模塊（51單片機和232通訊）、耐壓模擬電路模塊、絕緣模擬電路模塊、AD數據轉換電路模塊和顯示存儲電路模塊。

數字電路以華邦的51單片機W78E58B為核心模塊，單片機上電啟動后，接收顯示存儲電路傳來的控制指令，啟動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）測試端傳來的測量信號進行相應處理，然后送給AD數據轉換電路；此時數字電路選擇相應的AD轉換通道傳來的數字信號，按照一定的算法對數字信號進行轉換計算出實際測量的耐壓（或絕緣）電壓或電流數據，按照約定的通訊協議對測量數據進行編碼后傳送給顯示存儲電路，至此，一次測量周期完成，然后再重復循環測量周期。

耐壓模擬電路由升壓電路、信號運算電路和保護電路組成。由數字電路控制互鎖繼電器啟動后，將耐壓測試端和耐壓模擬電路接通。耐壓測試端接被測物后使用手調升壓器升壓，對被測物所施加的耐壓電壓（DYDY）和耐壓電流（NYDL）信號通過限流降壓后，分別送給兩路求真有效值芯片AD536進行運算得到交流電壓和電流信號的有效值，電壓有效值信號直接送給多路輸入AD芯片的其中一路；電流有效值信號分為2路，一路送給AD轉換芯片的其中一路輸入，一路接入耐壓保護電路，當被測物被耐壓測試端的交流高壓擊穿所產生的過量程電流信號后啟動耐壓保護電路，將擊穿的被測物與耐壓模擬電路斷開，防止故障擴大。

絕緣模擬電路有直流固定高壓模塊、信號處理電路和保護電路組成。由數字電路控制互鎖繼電器啟動后，將絕緣測試端和絕緣模擬電路接通。絕緣電壓測試端接被測物，根據單片機指令控制直流高壓模塊DC500V/1000V輸出進行切換，絕緣電壓輸出端分為2路，一路接被測物，一路接高阻值電阻進行絕緣電壓采樣后送給信號處理電路處理后送給AD轉換芯片的其中一路輸入。絕緣電流測試端將被測物的絕緣電流信號限流后同樣分為2路，一路送給信號處理電路處理后送給AD轉換芯片的其中一路輸入端，一路接入絕緣保護電路，同理當被測物被絕緣測試的直流高壓擊穿所產生的過量程電流信號啟動保護電路，將擊穿的被測物與絕緣測試端斷開，防止故障擴大。

AD數據轉換電路是以串行模數轉換芯片TLC2543為核心的電路，TLC2543是12位開關電容初次逼近模數轉換器，最多可以有11路模擬量輸入和1路輸出。本測試系統中使用了4路，分別用于測量耐壓電壓、耐壓電流、絕緣電壓和絕緣電流。接收單片機的控制命令后啟動其中一路的AD轉換并將數字量送給單片機進行處理。

顯示存儲電路以單片機W78E58B、非易失性存儲芯片24WC16和標準串口設計的電平轉換芯片MAX232為核心構成，單片機掃描按鍵電路發出的測試控制命令，按照約定的通訊協議對控制命令進行編碼后通過MAX232發送給主控板數字電路和接收數字電路傳送的測試數據。接收的測試數據按照通訊協議的編碼規則解碼后傳送給數碼管顯示電路和串行存儲芯片CAT24C16。

1.2 系統的軟件設計

耐壓絕緣測試系統采用自頂向下的設計方法，以臺灣華邦的51內核單片機W78E58B作為系統主控板數字電路的控制和運算核心，顯示存儲電路使用W78E58B和CAT24WC16作為核心，主控板與顯示存儲電路之間使用MAX232進行雙向通訊[2]。系統使用C語言進行編程，設計了數字電路和顯示存儲電路程序流程圖，如圖2所示；讓軟件設計具有良好的可維護性。

圖2 程序流程圖Fig. 2 Program flow chart

2 耐壓絕緣測試系統的軟硬件設計思路

2.1 顯示存儲電路的設計

顯示存儲電路以W78E58B為核心，P0口和P2口是顯示接口，用于數碼管顯示。P10～P14為指示燈接口，P15～P17為CAT24WC16的三根控制線接口。P3口為鍵盤接口和MAX232通訊接口。W78E58B通過兩線制串行I2C總線對CAT24WC16進行數據的讀寫存儲[3]。顯示存儲電路的部分接口電路如圖3所示。

2.2 高速串行掉電存儲器24WC16的主要特點及管腳功能

CAT24WC16是CATALYST公司生產的低功耗的16K位的串行CMOS非易失性E2PROM器件[4],內部含有2048個8位字節；一個16字節頁寫緩沖器；工作電壓：1.8～6 V，短路電流100 mA，輸出負載能力為1個TTL門和100pF，該存儲器具有高速讀寫、百萬次擦寫壽命、存儲容量大和掉電存儲數據可達100年等特點，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串行時鐘輸入管腳用于產生所有數據接收和發送的時鐘。SDA串行數據/地址雙向傳輸管腳用于數據的發送或接收。A0、A1、A2在多個存儲器級聯時設置器件地址，在24WC16中不起作用時統一連接到Vss。WP寫保護管腳連接到Vcc高電平時存儲器為只讀狀態，連接到Vss低電平時為可讀寫狀態。

I2C總線協議：只有在空閑狀態下允許器件進行數據傳送，在數據傳送過程中，當時鐘線SCL為高電平時，數據/地址線SDA必須保持穩定狀態不得跳變。SCL為高電平期間，數據/地址線SDA的電平從高到低的跳變視為I2C總線的起始信號；SDA的電平從低到高的跳變視為I2C總線的停止信號。

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

在顯示存儲電路中，主器件為單片機W78E58B，從器件為串行存儲器件CAT24WC16。

器件尋址：主器件通過發送一個起始信號啟動發送過程，然后發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（見表2）。接下來的3位（a10、a9、a8）對應為從器件24C16的8個分區（000～111），用來定義從器件哪個分區被主器件訪問[5]。從器件的8位地址的最低位作為讀寫控制位。“1”表示對從器件進行讀操作，“0”表示對從器件進行寫操作。在主器件發送起始信號和從器件地址字節后，CAT24C16監視總線并當其地址與發送的從地址相符時響應一個應答信號（通過SDA線），CAT24C16再根據讀寫控制位（R/W）的狀態進行讀或寫操作。器件尋址地址位如表2所示。

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

應答信號：I2C總線數據傳送時，每成功地傳送一個字節數據后，接收器產生一個應答信號。應答的器件在第9個時鐘周期時將SDA線拉低，表示其已收到一個8位數據。24WC16在接收到起始信號和從器件地址之后響應一個應答信號。24WC16工作在只讀模式時，發送一個8位數據后釋放SDA線并監視一個應答信號，一旦接收應答信號，24WC16繼續發送數據，如主器件沒有發送應答信號，器件停止傳送數據且等待一個停止信號。

寫操作：寫操作有字節寫和頁寫模式。本電路采用字節寫模式，在此模式下，主器件發送起始命令和從器件地址（R/W置0）給從器件24WC16，在24WC16產生應答信號后，主器件發送24WC16的字節地址，主器件在收到從器件的另一個應答信號后，再發送數據到被尋址的存儲單元。24WC16再次應答，并在主器件產生停止信號后開始內部數據的擦寫，在內部擦寫過程中，24WC16不再答應主器件的任何請求。字節寫時序如圖4所示。

圖4 字節寫時序Fig. 4 Byte of the writing sequence

應答查詢：可以利用內部寫周期時禁止數據輸入這一特性。一旦主器件發送停止位表示主器件操作結束時，24WC16啟動內部寫周期，應答查詢立即啟動，包括發送一個起始信號和進行寫操作的從器件地址。如果24WC16正在進行內部寫操作，不會發送應答信號。如果24WC16已經完成了內部自寫周期，將發送一個應答信號，主器件可以繼續進行下一次讀寫操作。

讀操作：對于24WC16讀操作的初始化方式和寫操作時一樣，僅把R/W位置1，有立即地址讀、選擇讀和連續讀3種不同的讀操作方式。本系統采用立即地址讀操作方式。

立即地址讀：24WC16的地址計數器內容為最后操作字節的地址加1。如果上次讀寫的操作地址為N，則立即讀的地址從地址N+1開始[5]。24WC16接收到地址信號后（將R/W位置1），它首先發送一個應答信號，然后發送一個8位字節數據。主器件不需發送一個應答信號，但要產生一個停止信號。地址讀時序如圖5所示。

圖5 立即地址讀時序Fig. 5 Immediate address of the reading sequence

2.3 存儲電路的讀寫程序

W78E58B采用I2C方式與外部存儲器E2PROM芯片24WC16通信，將字節數據通過SCL（時鐘線）和SDA（數據地址線）進行雙向傳輸。

外部存儲器24WC16的寫函數，用于將耐壓絕緣的測量參數寫入外存24WC16；外部存儲器24WC16的讀函數，用于提取外存中存儲的數據回送到數碼管顯示或上位機進行統計分析[6]。

部分讀寫程序如下：

3 結束語

本系統在滿足耐壓絕緣測試的情況下，增加了掉電數據存儲功能。傳統耐壓絕緣測試系統得到的測試數據顯示后需要現場手動記錄，在時間緊急、測試量大的特殊情況下一邊測試一邊記錄不方便也容易出差錯；本耐壓絕緣測試系統能對大量的測量數據進行自動記錄，測試完后統一提取數據有利于保證所測數據的正確性和提高工作效率。

隨著測量技術廣泛應用，有時需要對數據進行大量儲存并傳送給上位機進行統計分析及上位機軟件自動生成數據報表，可采用對存儲容量有更高要求CATWC32/64/128/256等芯片來實現此系統。

[1] 莫慧. 基于PLC控制的絕緣耐壓測試裝置的研究和應用[J].科技致富向導,2012(18):106-107.

MO Hui. Research and application of insulation test device based PLC control[J]. Wizard of Technology Rich,2012(18):106-107.

[2] 蔡祥,江冰. 基于485的耐壓絕緣測試系統設計[J]. 通訊技術,2011,44(3):32-34.

CAI Xiang, JIANG Bing. Design on withstanding voltage and insulation test system based on RS485 bus[J].Communications Technology, 2011,44(03):32-34.

[3] 韋偉,周凌翱, 劉青. 一種便捷式的紅外測距系統[J]. 電子設計工程,2011,19(21):40-42.

WEI Wei, ZHOU Ling-ao, LIU Qing. A portable infrared distance measure system[J]. Electronic Design Engineering,2011,19(21):40-42.

[4] 張毅,申川. 鐵電存儲器在存儲測試系統中的應用[J].電子設計工程,2011,19(21):17-20.ZHENG Yi , SHEN Chuan. Application of FROM using in storage measurement system[J]. Electronic Design Engineering,2011,19(21):17-20.

[5] 姜金,劉波. AVR單片機E2PROM的數據動態存儲策略[J].單片機與嵌入式系統應用,2005(12):22-24.

JIANG Jin, LIU Bo. Dynamic data storage strategy based on AVR microcontroller E2PROM[J]. Microcontrollers &Embedded Systems, 2005(12):22-24.

[6] 范劍.E2PROM數據遍歷循環的存儲策略研究[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2012(4):17-19.

FAN Jian. Study on data traversal & circular storage technique of E2PROM[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2012(4):17-19.

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：201306184

新疆自然科學基金資助項目(2009211A10)；伊犁師范學院項目(YLYB201138)

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