高適配度通用化導(dǎo)通絕緣測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

作者 張怡文 周毅然 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 200233)

張怡文(1985-)，女，工程師，研究方向：測(cè)試測(cè)量。

摘要：本高適配度通用化導(dǎo)通絕緣測(cè)試儀主要用于對(duì)多通道的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)化導(dǎo)通絕緣測(cè)試，且具有高適配性，多通道數(shù)等特點(diǎn)，通過(guò)預(yù)先的配置可實(shí)現(xiàn)一鍵式全自動(dòng)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果按要求進(jìn)行分析、判斷、保存、打印。本導(dǎo)通絕緣測(cè)試臺(tái)可測(cè)對(duì)象阻值范圍廣，且對(duì)于非純阻性等特殊被測(cè)點(diǎn)可通過(guò)測(cè)試模式的設(shè)置等方式準(zhǔn)確的測(cè)試其阻值大小，其測(cè)試程序基于LabVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，且留有多個(gè)可配置接口，可以滿足用戶不同的測(cè)試需求及使用習(xí)慣。

引言

　　隨著現(xiàn)今軍工及電子產(chǎn)品復(fù)雜度及產(chǎn)量的日趨提升，對(duì)其導(dǎo)通絕緣的測(cè)試精度及效率要求也隨之上升。當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域主要使用的檢測(cè)手段還十分落后，大多采用非標(biāo)定制測(cè)試儀針對(duì)某一類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，且測(cè)試主要采用二極管亮燈或蜂鳴器發(fā)聲等物理顯示手段，不僅精度差，故障出錯(cuò)率高，且無(wú)法對(duì)其量值進(jìn)行測(cè)試顯示。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)通絕緣儀不僅可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)流程測(cè)試，且可對(duì)其具體阻值大小進(jìn)行測(cè)試顯示并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)判斷，且本測(cè)試儀采用通用架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，提供多達(dá)198通道的路數(shù)，被測(cè)對(duì)象在滿足通道數(shù)的情況下均可通過(guò)更換接口連接電纜實(shí)現(xiàn)通用測(cè)試。本文詳細(xì)介紹了本導(dǎo)通絕緣測(cè)試儀的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用情況，重點(diǎn)對(duì)其硬件及軟件的通用化、自動(dòng)化方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

1 系統(tǒng)組成及功能概述

　　本通用化導(dǎo)通測(cè)試儀在滿足功能的前提下，兼顧考慮使用方便，人性化智能化等特性，尊重用戶使用習(xí)慣及需求，可設(shè)計(jì)為多種結(jié)構(gòu)外形，如桌式、臺(tái)式、便攜式等。目前已完成三個(gè)結(jié)構(gòu)版本的設(shè)計(jì)，并已投入使用。外觀見(jiàn)圖1~圖3。

　　導(dǎo)通絕緣儀的功能實(shí)現(xiàn)主要分為前端采集、后端處理及顯示存儲(chǔ)三部分。其中前端采集部分分為導(dǎo)通測(cè)試、絕緣測(cè)試及智能通道選擇三個(gè)功能模塊，后端處理為測(cè)試項(xiàng)配置加載、數(shù)據(jù)處理及判斷三大功能模塊，顯示存儲(chǔ)包括顯示及存儲(chǔ)兩大功能模塊。其功能模塊關(guān)系示意圖見(jiàn)圖4。

　　本測(cè)試臺(tái)可以測(cè)試高達(dá)198通道中任意兩點(diǎn)之間的導(dǎo)通絕緣情況，測(cè)試儀對(duì)外的接口統(tǒng)一為4×50芯接口，可將被測(cè)點(diǎn)按需求配置后實(shí)現(xiàn)多測(cè)試項(xiàng)自動(dòng)順序測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果處理、與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)后得出判斷結(jié)論并保存，保存格式可依照用戶需求設(shè)置，且存儲(chǔ)路徑、文件生成覆蓋與否等配置項(xiàng)可由用戶設(shè)置，方便用戶后續(xù)查看。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及功能實(shí)現(xiàn)

　　測(cè)試儀的主要功能為檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)通和絕緣情況，其前端主要功能為獲取被測(cè)對(duì)象并進(jìn)行硬件調(diào)理與阻值采集，由于本測(cè)試儀提供多通道自動(dòng)切換的測(cè)試模式，所以如何達(dá)到通道的智能選擇切換至關(guān)重要。兼顧多通道及成本控制等因素，系統(tǒng)選用單通道高精度的阻值采集模塊，既同一時(shí)間對(duì)一組被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高精度采集，多通道之間采用順序循環(huán)切換模式采集，其主要采集模塊功能示意圖見(jiàn)圖5。

　　前端采集切換部分的難點(diǎn)在于對(duì)各類(lèi)不同特性采集對(duì)象的采集方式，如帶有容性和感性的被測(cè)對(duì)象，其通道切換及采集前的處理方式都與純阻性的對(duì)象有所不同，包括切換滯空時(shí)間、切換后的等待時(shí)間、采樣前的電路處理、采樣的次數(shù)、頻率以及有效值的篩選等。其中確定的采樣特性可在系統(tǒng)配置表中預(yù)先設(shè)置，后續(xù)的調(diào)試測(cè)試過(guò)程中也可按照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整校準(zhǔn)。

　　基于多對(duì)象的采集計(jì)算模式，本導(dǎo)通測(cè)試臺(tái)選用STC12C60S2單片機(jī)為核心，利用分壓測(cè)量原理，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，得到的采樣值經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量的功能，測(cè)量結(jié)果按照用戶顯示需求進(jìn)行界面顯示。

2.1 采集主控模塊的選型

　　測(cè)試臺(tái)整個(gè)采集過(guò)程，包括采集、處理、計(jì)算、顯示、保存等各個(gè)環(huán)節(jié)都依靠單片機(jī)的處理來(lái)完成，所以選擇一款滿足本項(xiàng)目特點(diǎn)的單片機(jī)芯片至關(guān)重要，綜合考慮整個(gè)項(xiàng)目，我們選擇了低電壓高性能的處理器控制芯片STC12C60S2作為核心控制單元，將前端A/D轉(zhuǎn)換器采集分壓電路的輸出電壓值輸入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算后，輸出到后端進(jìn)行顯示及保存，采集使用分壓測(cè)量，通過(guò)16位的A/D可有效減小測(cè)量誤差。

2.2 主要測(cè)試模塊的選型

　　電阻測(cè)量方案：電阻測(cè)量采用分壓測(cè)量法;

　　信號(hào)采集模塊：信號(hào)采集電路選用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換LTC1864;

　　檔位選擇模塊：采用多路繼電器開(kāi)關(guān)卡作為檔位開(kāi)關(guān)控制;

　　顯示模塊：顯示器根據(jù)不同外形結(jié)構(gòu)，可由用戶自定義選擇;

　　基準(zhǔn)電壓模塊：AD586(5V);

　　保存模塊：后端保存程序由Labview進(jìn)行開(kāi)發(fā)編輯，保存格式由用戶自定義。

3 硬件功能模塊設(shè)計(jì)

　　硬件采集測(cè)量設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。

　　如圖6所示，打開(kāi)導(dǎo)通測(cè)試儀后，用戶選擇進(jìn)入測(cè)試模式，通過(guò)單片機(jī)控制選擇被測(cè)對(duì)象通道，通過(guò)分壓電路和繼電器切換電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量輸入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算后顯示。

3.1 A/D采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC1864

　　本測(cè)試儀的采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊選用了凌力爾特的16串行A/D芯片，此款芯片由5V單電源供電，最大工作電流為850μA，最大采樣率為250ksps，且可在-40℃~+125℃的寬溫度范圍內(nèi)正常工作。其與單片機(jī)的接口電路見(jiàn)圖7。

3.2 檔位選擇電路

　　本導(dǎo)通儀可對(duì)0~100MΩ的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，但由于電阻范圍跨度大，不同量級(jí)的被測(cè)對(duì)象對(duì)測(cè)試電壓電流的要求也不同，若統(tǒng)一采用同一檔位進(jìn)行測(cè)量，其精度會(huì)大大降低，故本測(cè)試臺(tái)對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了檔位的自動(dòng)匹配選擇，檔位選擇電路由多個(gè)繼電器陣列組成，測(cè)試開(kāi)始時(shí)，首先對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行粗測(cè)，根據(jù)粗測(cè)結(jié)果控制繼電器切至匹配檔位進(jìn)行精測(cè)。本電路選用松下公司的TX2-5V繼電器，由于單片機(jī)的輸出電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，故在中間加入一級(jí)三極管進(jìn)行放大后再驅(qū)動(dòng)繼電器工作，整個(gè)檔位選擇電路接口圖見(jiàn)圖8。