線束測試儀硬件電路設(shè)計參考

1、電路設(shè)計測試儀按照內(nèi)部實現(xiàn)的功能原理可分為5個單元，包括主控CPU及外圍電路單元、CAN通信接口單元、測試激勵單元、測試通道切換單元、測量單元，如下圖：圖1 測試儀電路結(jié)構(gòu)圖如圖中線框內(nèi)所示為測試儀結(jié)構(gòu)，CAN總線可連接上位機與測試儀通信，外部的電纜網(wǎng)絡(luò)上標(biāo)準(zhǔn)的電纜接口通過1.2米長的轉(zhuǎn)接線纜與測試儀接口的針點一一對應(yīng)。轉(zhuǎn)接線纜將測試儀接口的針點一一對應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)線纜接口，外部電纜網(wǎng)絡(luò)線纜由此接入。測試儀各結(jié)構(gòu)單元細(xì)分功能如下：1) 主控CPU系統(tǒng)單元該單元是線纜測試儀的核心，主要完成各項功能測試、過程控制、測試數(shù)據(jù)采集處理及存儲、與上位機通信并上傳測試數(shù)據(jù)等。2) CAN通信接口單元該單元實現(xiàn)C

2、AN總線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。3) 測試激勵單元該單元提供各項功能測試的激勵，包括9V及以下低壓激勵源、20VDC-2000VDC激勵源、交流100800VAC、低壓交流等激勵源。4) 測試通道切換單元該單元負(fù)責(zé)將需要測試的線纜通道接入測試回路。5) 測量電路單元該單元主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)電壓信號的獲取、調(diào)理、AD采樣等，包括導(dǎo)通、絕緣、耐壓和電容幾種測試電路，主控CPU根據(jù)當(dāng)前的測試模式將相應(yīng)的測試電路接入測試回路。1.1.1.1 主控單元主控單元以TI公司DSP TMS320F2812為主控芯片，當(dāng)接收到來自上位機的各種測試命令和數(shù)據(jù)后，開啟相應(yīng)的測試項目，負(fù)責(zé)完成測試電路的過程控制、測試數(shù)據(jù)的采集、處理

3、、分析、存儲、上傳等功能。其最小系統(tǒng)主要包括供電電路設(shè)計、時鐘電路、復(fù)位電路、存儲電路、FPGA電路、以及其它一些功能電路等。本方案所選主系統(tǒng)控制芯片為TMS320F2812，它是TI(Texas Instruments)推出的一款面向工業(yè)控制應(yīng)用的高性能定點數(shù)字信號處理器。TMS320F2812基于高性能的32位CPU，主頻最高可達(dá)150MHZ，除了具備強大的運算能力外，片內(nèi)還繼承了豐富的外設(shè)模塊，便于構(gòu)成高性能的工業(yè)測控系統(tǒng)。TMS320F281x除了具有其他DSP芯片所具有的的強大運算能力和實時響應(yīng)能力外，片內(nèi)還集成了大容量的Flash存儲器和高速RAM，并提供了許多實用與控制系統(tǒng)的片內(nèi)

4、外設(shè)和接口，如A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行外設(shè)幾顆接口SPI和SCI、增強型控制局域網(wǎng)接口等。圖2 TMS320F2812最小系統(tǒng)本方案采用的擴展控制芯片主要為EP2C5T144C8，用于對負(fù)責(zé)通道切換的繼電器進(jìn)行邏輯控制。它是Altera公司推出的Cyclone FPGA。Cyclone 芯片制造使用90nm工藝，1.2v內(nèi)核供電，屬于低成本FPGA，Cyclone II FPGA的成本比第一代Cyclone器件低30%，邏輯容量大了三倍多，可滿足應(yīng)用需求。圖3 擴展控制原理圖1.1.1.2 CAN通訊接口單元本系統(tǒng)采用的主控芯片支持增強型CAN(eCAN)通信，其接口與CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)接口完全兼

5、容。圖4 eCAN總線模塊功能框圖eCAN通信縮短了通信時間，減少了通信時DSP資源開銷，誤碼率低，能很好的解決與上位機的通信問題。另外DSP的CAN總線模塊作為總線結(jié)點，還需要在模塊處理器和和總線間增加電平轉(zhuǎn)換和隔離電路，以確保正確的CAN通信數(shù)據(jù)收發(fā)。CAN接口電路原理圖如下 ：圖5 CAN通訊接口圖1.1.1.3 測試激勵單元激勵源設(shè)計主要包括導(dǎo)通測試激勵源、低壓絕緣測試激勵源、電容測試激勵源、20VDC-2000VDC絕緣測試激勵源以及100800VAC交流耐壓測試激勵源。其中，導(dǎo)通測試激勵源和低壓絕緣測試激勵源使用9V的低壓三端線性穩(wěn)壓器完成；電容測試激勵源由FPGA模塊產(chǎn)生一定頻率

6、的正弦波（如400HZ）再經(jīng)過電壓跟隨器提高驅(qū)動能力后提供。20VDC-2000VDC、100800VAC 5060HZ，采用程控電源設(shè)計。1) 20VDC-2000VDC程控電源電源模塊通過采購市面成熟的工業(yè)級引線式高壓電源模塊，其主要的性能指標(biāo)如下：a) 輸入電壓12VDC/24VDCb) 輸出高達(dá)2000VDCc) 電壓穩(wěn)定度0.1%d) 負(fù)載穩(wěn)定度0.5%e) 時漂/小時0.05%f) 溫漂/0.05%其對輸出電壓的控制有一個控制端，如控制端輸入0-5V對應(yīng)輸出20VDC-2000VDC電壓。為避免電壓突變帶來的電磁干擾和對電子元器件可靠性的破壞，增加防浪涌的RC吸收電路并對電壓的上升

7、過程采取適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)控制。為進(jìn)一步提高電源模塊的輸出精確度，系統(tǒng)對模塊進(jìn)行二次開發(fā)，對系統(tǒng)輸出電壓做監(jiān)控并實時調(diào)整。模塊自身帶有限流式保護(hù)設(shè)計，確保使用過程中的安全?？梢詽M足系統(tǒng)需求。2) 100800VAC 5060HZ程控電源高壓交流電源模塊是基于STM32芯片 DAC模塊輸出的設(shè)計，輸出一個5060HZ的低壓正弦信號，通過功率放大電路進(jìn)行功率放大，并經(jīng)工頻變壓器升壓，對應(yīng)最大輸出電壓可達(dá)700VAC，并已在其他項目中取得驗證，通過電路中的低壓正弦信號的控制，可以對應(yīng)輸出100800VAC。為避免電壓突變帶來的電磁干擾和對電子元器件可靠性的破壞，增加防浪涌的RC吸收電路并對電壓的上升過程采取

8、適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)控制，電壓穩(wěn)定后關(guān)閉RC吸收電路以避免測量誤差。另采用限流式保護(hù)設(shè)計，確保使用過程中的安全?？梢詽M足客戶的需求。針對高壓激勵源的輸出，為了提高輸出精度特別制作了高壓電源板。高壓電源板整合了交直流高壓，針對輸出做一路回饋采集，通過信號采集調(diào)理可以計算出實際輸出的電壓值。根據(jù)計算出實際輸出電壓值和設(shè)定值比較，自適應(yīng)地去調(diào)整電源輸出，使其無線逼近于設(shè)定值，并與主控板通信。如此以來可以大幅提高絕緣耐壓測試結(jié)果的精度。電源板直流輸出采樣圖1.1.1.4 測試通道切換單元系統(tǒng)測試需求的測試總點數(shù)為1024點，單臺測試儀總點數(shù)為512點，使用兩臺測試儀聯(lián)機組成1024點的測試。由于測試中使用到20

9、VDC-2000VDC以及100800VAC，所以選用的開關(guān)器件工作電壓需要大于等于2000VDC和800VAC。通常的模擬開關(guān)和普通繼電器都無法滿足該測試條件，需要選用2000V以上的高壓繼電器。單臺測試儀通道切換原理如下圖：圖6 通道切換電路示意圖如圖所示，Ai和Bi分別為A組和B組繼電器陣列與測試回路的公共端。當(dāng)線纜測試時，線纜兩端需要一端接入公共端Ai，另一端接入公共端Bi。為實現(xiàn)1024點的聯(lián)機測試，需將兩臺的公共端進(jìn)行連接，采用主從機模式，從機只做開關(guān)切換，同時主從機可進(jìn)行互換。雙機聯(lián)機時的通道切換原理如下：圖7 聯(lián)機通道切換原理圖測試時將待測線纜兩端接入任意兩個測試針點形成測試回

10、路，如下選取PIN 1點和PIN 3點示意：圖8 通道切換電路原理圖如圖，PIN 1和PIN 3 每個點對應(yīng)2個繼電器，可以稱其主繼電器和從繼電器，分別與Vstim和VTest相連。當(dāng)上位機下發(fā)測試數(shù)據(jù)測試1 和3 時，PIN 1的主繼電器閉合，PIN 3的從繼電器閉合，信號回路建立為VStim - PIN_1 外部Rx PIN_3 VTest；當(dāng)上位機下發(fā)測數(shù)據(jù)測試 3 和1時，PIN 1的從繼電器閉合，PIN 3的主繼電器閉合，信號回路建立VStim - PIN_3 外部Rx PIN_1 VTest。VStim對應(yīng)激勵源，VTest對應(yīng)參考電阻檔位測試端。繼電器作為整個通道單元切換電路的核

11、心，其選型至關(guān)重要。根據(jù)市場調(diào)研，由于固態(tài)繼電器耐壓只能達(dá)到1500V，而本系統(tǒng)輸出電壓最高為2000V，故本系統(tǒng)不選擇固態(tài)繼電器而選擇耐壓性能更高的干簧繼電器。本方案繼電器選擇上海斯丹麥德電子有限公司負(fù)責(zé)銷售提供的meder electronic LI05-1A85和 HE05-1A83兩款繼電器。其中，HE05-1A83切換電壓達(dá)到DC or Peak AC 7500V，耐壓達(dá)到10000V，主要用于直流高壓源的控制開關(guān)，支持帶電切換2000V；LI05-1A85切換電壓支持DC or Peak AC 1000V，耐壓達(dá)到2500V，可用作建立測試通道，不支持帶電切換2000V。由于HE0

12、5-1A83的體積約超LI05-1A85兩倍，繼電器體積過大將會導(dǎo)致測試儀整體體積過大，因此本方案選擇以HE05-1A83控制激勵源通斷電，以LI05-1A85選擇通道的方式進(jìn)行控制。兩款繼電器工作示意如下圖所示：圖9 繼電器工作示意圖工作流程如下：1) 打開HE05-1A83繼電器，使通道斷電；2) 操作LI05-1A85繼電器陣列選擇通道；3) 閉合HE05-1A83繼電器，通電測量。二款繼電器主要參數(shù)如下：表1 HE05-1A83高壓繼電器主要參數(shù)參數(shù)條件最小值典型值最大值單位線圈電阻455055線圈電壓5VDC線圈功率500mW吸合電壓3.8VDC釋放電壓0.5VDC觸點負(fù)載50W開關(guān)

13、電壓DC or Peak AC7500V開關(guān)電流DC or Peak AC3A負(fù)載電流5A靜態(tài)接觸電阻150m絕緣電阻10G擊穿電壓10KV DC操作時間1.1ms釋放時間0.1ms電容10 kHz across open switch0.5pF壽命5V以下，mA級1000百萬次1000V以下，mA級100百萬次2000V以下，mA級10百萬次表2 LI05-1A85高壓繼電器主要參數(shù)參數(shù)條件最小值典型值最大值單位線圈電阻180200220線圈電壓5VDC線圈功率125mW線圈電流25mA吸合電壓3.5VDC釋放電壓0.75VDC觸點負(fù)載100W開關(guān)電壓DC or Peak AC1000V開關(guān)

14、電流DC or Peak AC1A負(fù)載電流2.5A靜態(tài)接觸電阻150m絕緣電阻10T擊穿電壓2.5KV DC操作時間3.2ms釋放時間1.5ms電容10 kHz across open switch1pF壽命5V以下，mA級1000百萬次1000V以下，mA級100百萬次2000V以下，mA級10百萬次1.1.1.5 測量電路單元測量電路單元包含導(dǎo)通測試、絕緣測試、耐壓測試和電容測試，這幾項測量電路一致，只是激勵源和采樣方式有所不同。測量電路原理如下：圖10 測量電路示意圖可以考慮更換被測電阻與限流電阻的順序，有利于使用萬用表校準(zhǔn)被測兩針點間的電壓，以避免現(xiàn)有情況限流電阻和萬用表內(nèi)阻造成的壓降

15、。如圖，Vstim為測試激勵源，R1為限流電阻，Rx為假想的等效導(dǎo)通電阻或絕緣阻抗，Rf為高精度的參考電阻（多檔位可選）。Ai和Bi如通道切換中提到為繼電器陣列的兩個公共端，通過Ai和Bi可以選擇接通1024點中的任意兩個測試點。測量電路的原理建立在高精度參考電阻的電壓采樣的基礎(chǔ)上。當(dāng)采集Bi端點的電壓時，Bi處的電壓信號通過高精度、低漂移的低功耗儀表運算放大器進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號送入DSP內(nèi)部高速ADC模塊做信號采集、處理和分析。ADC模塊通道輸入電壓的范圍為0-3V，為避免電壓過大造成損壞，在每個通道放置一顆鉗位二極管構(gòu)成保護(hù)。當(dāng)DSP分析出電壓過大或過小時，可以程序自動切換Rf（多檔位

16、可選），信號再通過運放調(diào)理供DSP內(nèi)部ADC采樣。參考電阻是測試回路上極為重要的元件，直接關(guān)乎測試取樣電壓的精準(zhǔn)度。為此本方案選取的。方案為保證測試精度，選用的參考電阻均為RJ24金屬膜電阻器，0.25W 0.1%精度，金屬膜電阻溫度系數(shù)小，精度高，低噪聲，高頻性能好。使用環(huán)境溫度：-55+155，本體顏色為天藍(lán)色，用于電路的限流或分壓，溫漂25PPM，性能穩(wěn)定。下圖示意的為參考的檔位設(shè)計圖，示意圖選取了5個檔位分別為0.1、25、1K、50K、100K，每一個測試項都會有一個初始化的默認(rèn)檔位測試，當(dāng)接入量程內(nèi)不同阻值的電阻時，系統(tǒng)會自動根據(jù)測試需要判斷是否需要換擋，以實現(xiàn)自動化的最佳測試。配

17、用的繼電器為低壓的歐姆龍G5V-1。圖11 檔位設(shè)計圖運放主要是為了將參考電阻上的電壓信號根據(jù)需要放大固定倍數(shù)給ADC采樣處理和分析，運放的指標(biāo)直接關(guān)系計算精度，其選型極為重要。本方案選用的運放為INA128，它是一款低功耗、高精度的通用儀表放大器。INA128使用激光進(jìn)行修正微調(diào)，具有高輸入阻抗、非常低的偏置電壓、低溫度漂移和高共模抑制，內(nèi)部輸入保護(hù)能夠經(jīng)受40V電壓而無損壞。INA128提供標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)增益等式，可以單個外部電阻實現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。INA128： G = 1 + 50K / RgRg為引腳1和引腳8之間外接的一個電阻，可對增益進(jìn)行控制。下圖示意的為ADC采樣通

18、道的運放調(diào)理電路，通過INA128_G1與INA128_G2的切換，選擇不同的Rg，分別放大26倍和251倍供ADC采樣。前期采用的INA128都為DIP插件封裝，后期可以考慮使用SOP封裝，減小布板面積，提升工藝。圖12 運放參考電路當(dāng)測試交流耐壓或電容測試時，交流電壓信號通過AD736 RMS-TO-DC芯片轉(zhuǎn)換后，信號再經(jīng)運放調(diào)理供DSP內(nèi)部ADC采樣。實際的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，AD8027針對DC放大的精度并不理想，需要更換成INA128，也可以考慮貼片的。圖13 交流采樣示意圖1.1.1.6 導(dǎo)通測試原理圖14 導(dǎo)通測試原理圖導(dǎo)通測試采用二線法進(jìn)行測試，如圖所示，Vstim為導(dǎo)通測試激勵源，R

19、1為已知的限流電阻，Rx為假想的接入測試網(wǎng)絡(luò)被測線纜未知待測的等效電阻，Rf為已知的參考電阻（檔位可選）。通過選用高精度、低漂移的儀表運放，對Rf兩端的的電壓信號Uf做適當(dāng)調(diào)理，送ADC采樣供DSP主控芯片處理，經(jīng)過校準(zhǔn)算法后可準(zhǔn)確測得電壓Uf。同理，經(jīng)過類似處理后可準(zhǔn)確測得Rx兩端電壓Ux。由簡單的歐姆定律得If = Uf / RfIx = Ux / Rx由 If = Ix可推導(dǎo)出Rx = ( Ux / Vf) * Rf由于Ux采樣的為Rx兩端的真實電壓，計算出的If為流經(jīng)Rx的真實電流，故此方法的測試精度比較高。關(guān)于電阻測試的二線法測試和四線法測試，如下圖所示：圖15 二線法測試原理圖圖1

20、6 四線法測試原理四線法比二線法的優(yōu)勢就是排除了接線電阻的誤差，但接線更多；而二線法存在接線電阻，但通過校準(zhǔn)補償可大大減小誤差，且二線法接線少，可靠性和穩(wěn)定性更高。二線法的校準(zhǔn)補償可在設(shè)備出廠時或使用過程中，將對外接口短接，測出設(shè)備內(nèi)阻，并在導(dǎo)通測試中將內(nèi)阻進(jìn)行補償。通過精確測量以及內(nèi)阻補償，可大大提高二線法的測量精度，可以滿足設(shè)計測試量程0.110M、測試精度5%的要求。1.1.1.7 絕緣測試原理圖17 絕緣測試原理圖如圖所示，絕緣測試大致的原理與導(dǎo)通測試相同，R1為限流電阻，Rx等效為待測線纜對其它線纜的絕緣電阻，Rf為參考電阻（多檔位可選）?？紤]到絕緣電阻值通常比較大，無法直接對Rx兩端的電壓進(jìn)行ADC取樣，只能采樣出Uf的電壓。經(jīng)過推導(dǎo)，Rx可以采用公式 Rx = ( Vstim * Rf ) / Vf - ( R1 + Rf)。實際絕緣測試時，Rf通?？梢院雎圆挥嫛＝^緣測試直流加壓穩(wěn)定后的保持時間可以通過上位機軟件