基于Cortex-M4的安規測試儀的設計與實現

黎山峰 ，楊 雷 ，孫建軍

（1.東莞理工學院 電子工程學院，東莞 523808；2.華南理工大學 電子與信息學院，廣州 510641）

安規測試儀主要應用于工業生產中測量導體材料與外界的絕緣電阻和漏電流指標，是導線、連接器等器件生產過程中必不可少的測量儀器[1-2]。目前市場上所見的安規測試儀采用GB4706標準，使用較多的是臺式的單項指標測試儀器，且只有落后的GPIB接口，只能簡單地內部互聯，如果需要與自動化設備聯接測試或進行遠程控制和遠程查看生產測試數據時，需要配置專用的轉接卡甚至使用計算機進行采集轉換再通過網絡進行發布[3-4]。

現在具有聯網功能的安規測試儀的需求日益突出[5]，文中提出了一種具有TCP/IP通訊協議的交直流安規測試儀設計方法，通過程控電路產生DC和AC高壓對線材的絕緣阻抗及漏電流進行測量[6-8]，以檢測產品在實際工作狀態下的電氣安全性能，并通過網絡進行用戶數據傳輸，實現自動化測試和遠程監控的目的。

1 方案設計

1.1 測量原理

安規測試儀的核心功能是利用DC高壓測量絕緣阻抗和利用AC高壓測量漏電流。由歐姆定律可知電阻與電壓、電流的關系為

如圖1所示，已知高壓VH的電壓值，R1和R2為已知阻值的精密電阻，根據歐姆定律，可得：

圖1 高壓信號采樣原理圖Fig.1 Sampling principle diagram of high voltage signal

因此想要測量絕緣阻抗Rz的值，只要通過ADC測得Vadc的電壓值即可。漏電流的測量方法也類似，只是DC高壓改為AC高壓，數據運算處理上有所不同。圖1中，絕緣阻抗RZ與采樣電阻R2為串聯關系，因此Vadc除以R2得到的電流值即為流過RZ的漏電流。

1.2 系統方案

本文研究的安規測試儀具有測量絕緣阻抗、漏電流和TCP/IP網絡互聯功能。根據系統功能定義，需要設計一個0～1500 V的DC高壓發生電路以測量1 MΩ～1000 MΩ的絕緣阻抗參數，要求分辨率為1 MΩ，精度為3%，還需設計一個0～1000 V（頻率為50 Hz）的AC高壓發生電路以測量 0.01 mA～2 mA的漏電流參數，要求分辨率為0.01 mA，精度3%。系統主要由以下幾個模塊組成：程控信號源模塊、高壓產生模塊、信號采集調理模塊、聯網模塊和控制模塊，其中STM32F407IG為系統控制和數據處理核心，安規測試儀的整體方案組成如圖2所示。

圖2 系統結構框圖Fig.2 Block diagram of the system

2 硬件設計

STM32F407IG是基于工作頻率高達168 MHz的高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內核的嵌入式處理器[9]，其內部集成了高速嵌入式Flash存儲器和SRAM，內置了3個12位ADC、2個12位DAC和2個通用32位定時器等。安規測試儀以STM32F407IG為控制核心，通過內部DAC模塊和外圍高精度DAC芯片獲得程控信號源，然后由后級信號放大電路、DC/AC逆變模塊XAD001SR-3實現高壓發生電路，多路模擬信號采集則采用ADC芯片MAX1270。STM32F407IG內部集成了高性能以太網MAC模塊，外部僅需一個PHY芯片DP83848C即可實現符合 IEEE 802.3-2002標準的10 M/100 M以太網接入。DP83848C是美國國家半導體公司推出的低功耗高性能以太網PHY芯片，其提供RMII接口與處理器連接，對外則采用標準RJ45網絡接口，支持平行交叉網線自適應。圖3是系統硬件組成框圖。

圖3 硬件框圖Fig.3 Block diagram of hardware

2.1 高壓發生電路設計

圖4為系統的高壓發生電路部分原理圖。安規測試儀要求電路產生0～1500 V的DC高壓以測量1 MΩ～1000 MΩ的絕緣阻抗參數，而漏電流測量則需要一個0～1000 V（頻率為50 Hz）的AC高壓。程控DC高壓發生電路主要由信號源和升壓電路組成，以12位乘法DAC芯片AD5452編程輸出可調電壓信號，AD5452的基準電壓由REF195提供一個較為精準的5 V電壓，只要向AD5452輸入相應的數據，即可實現0～5 V的可控直流電壓輸出。前端產生的0～5 V直流電壓通過OP07運放和三極管組成的功率放大電路后，為TDK逆變器模塊XAD001SR-3供電。XAD001SR-3是一個開關頻率為400 kHz的DC/AC逆變器模塊，工作電壓范圍為DC0.7～5 V，該逆變器輸出的交流電壓峰值約為工作電壓的180倍，文中正是通過這個關系實現輸出高壓的調控，后端電路通過半波整流或者倍壓整流兩種方式，使最終的輸出電壓為0～1500 V的可控DC高壓。

圖4 高壓發生電路原理圖Fig.4 Circuit principle diagram of high voltage generating

實現程控AC高壓的方法是采用STM32F407IG內部的12位DAC產生一個固定幅度的50 Hz正弦波信號，將該正弦波信號作為12位乘法DAC芯片AD5452的參考電壓，再利用AD5452對正弦波信號進行幅度調控。獲得幅度可控的正弦波信號后需進行信號緩沖處理，然后控制三極管推挽電路驅動工頻變壓器進行電壓放大以獲得0～1000 V頻率為50 Hz的AC高壓。

2.2 信號采集調理電路設計

根據系統的測量原理，采用分壓電路和模數轉換技術對高壓進行測量，電路中的分壓電阻采用2個 0.1%精度的 5.1 MΩ 精密電阻串聯得到 10.2 MΩ分壓電阻，采樣電阻則采用0.1%精度的30 kΩ精密電阻。采樣電阻上得到的采樣電壓需要經過濾波和放大調理后方可送到ADC芯片進行采集。文中選用MAX1270作為模擬信號采集芯片，MAX1270是MAXIM公司推出的一款多量程、12位逐次逼近式模數轉換器，該芯片具有8個高速信號采集通道，最大非線性誤差僅為0.5 LSB，且有4種軟件可選輸入信號范圍[10]。STM32F407IG通過SPI接口與MAX1270進行通信，采集到數據后，STM32F407IG先對數據進行軟件數字濾波處理獲得測量結果，然后將測量結果與系統設定值對比，最后通過比較結果對系統前端的程控信號源進行跟蹤控制，實現了系統的閉環控制，使得系統的精度和穩定性都有較大的提高。

3 系統軟件設計

安規測試儀所有外圍器件都由STM32F407IG主控芯片通過軟件完成控制，系統上電時主控芯片程序啟動，首先完成內外部所有設備的初始化，特別是對電路繼電器的狀態進行初始化設置，然后使用ARP協議對局域網內的主機進行檢測，當有返回該ARP請求時就確認服務器主機與設備同在局域網內，此時即可進行網絡通信。在啟動測試時，STM32F407IG通過程序控制內部DAC和AD5452產生源信號，經過信號放大調理后由12位分辨率ADC芯片MAX1270完成多通道模擬電壓采集，最后經過數據處理得到測量結果。圖5為系統運行流程圖。

4 系統測試與分析

為了便于測試，實驗采用ZX68C型高阻箱設定一個電阻值模擬絕緣阻抗和漏電流測試，同時通過美國KIDDE FENWA型號149-10A高壓表實時測量高壓電路輸出的電壓值。

4.1 絕緣阻抗測量分析

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

實驗利用高阻箱得到實際阻值為6.32 MΩ的電阻進行模擬絕緣阻抗測量，通過改變測量DC電壓值記錄測得的絕緣阻抗數據如表1所示，從測量結果來看，系統的測量誤差在高壓和低壓范圍段都相對高一點，誤差最小出現在中段位置，這是由于系統放大電路的非線性、電路噪聲干擾和電路阻抗等因素引起的，但電路整體的測量指標仍然優于3%精度要求。

表1 絕緣阻抗實驗測量數據Tab.1 Experimental measurement data of insulation resistance

4.2 漏電流測量分析

實驗利用高阻箱得到實際阻值為310 kΩ的電阻進行模擬漏電流測量，通過改變測量AC電壓值記錄測得的漏電流數據如表2所示，從測量結果來看，測量誤差較小，結果明顯優于系統設計要求，在進行高壓測量時精度相對更高。

表2 漏電流實驗測量數據Tab.2 Experimental measurement data of Leakage current

5 結語

該文系統地介紹了一種安規測試儀軟硬件設計方法，并詳細論述了其部分關鍵模塊的具體實現原理。通過高壓表和高阻箱的計量校驗，該安規測試儀實現了精度為3%的1 MΩ～1000 MΩ絕緣阻抗和0.01 mA～2 mA漏電流 2個主要安規參數的測量，同時具備了網絡互聯功能，可把測量數據實時地上傳到服務器中，便于生產的實時遠程控制、遠程監測和遠程查看。實驗測試和實際應用表明，該儀器工作穩定可靠，測量準確度高，滿足設計要求。當然系統的人機界面不夠友善，在可操作性方面還有待改善。

[1]周晨，胡社教，沙偉，等.電動汽車絕緣電阻有源檢測系統[J].電子測量與儀器學報，2013，27（5）：409-414.

[2]湯海燕.漏電流最佳測點及漏電保護[J].自動化與儀表，2005，20（S1）：102-104.

[3]張英，麥耀華，李國斌，等.薄膜硅光伏組件的漏電通道模型及絕緣電阻的定量測試[J].儀器儀表學報，2012，33（11）：2454-2459.

[4]季明紅，胡鋼，馬勝.遠程集散式安規測試系統設計[J].微處理機，2013，34（1）：65-68.

[5]宋鑫，郭勇，謝興紅.RMII模式以太網PHY芯片DP83848C的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（8）：67-69.

[6]季紅.電線電纜絕緣電阻測量不確定度評定研究[J].電線電纜，2011（4）：34-37.

[7]何洪波，孔慧超.一種新型的泄漏電流測試儀檢定裝置[J].電測與儀表，2011，48（6）：23-26.

[8]廖志凌，宋中奇，徐東.單相無變壓器光伏并網系統漏電流的研究[J].電測與儀表，2013，50（2）：20-25.

[9]余芳芳，郭來功，李良光.基于STM32F407的微震信息采集系統設計[J].工礦自動化，2014，40（7）：9-12.

[10]許卓，楊雷，何志偉.中微子實驗通用工業信號采集板[J].計算機測量與控制，2011，19（8）：2042-2044.