線束測(cè)試儀硬件電路設(shè)計(jì)參考

1、電路設(shè)計(jì)測(cè)試儀按照內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的功能原理可分為5個(gè)單元，包括主控CPU及外圍電路單元、CAN通信接口單元、測(cè)試激勵(lì)單元、測(cè)試通道切換單元、測(cè)量單元，如下圖：圖1 測(cè)試儀電路結(jié)構(gòu)圖如圖中線框內(nèi)所示為測(cè)試儀結(jié)構(gòu)，CAN總線可連接上位機(jī)與測(cè)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(zhǎng)的轉(zhuǎn)接線纜與測(cè)試儀接口的針點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)接線纜將測(cè)試儀接口的針點(diǎn)一一對(duì)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(cè)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(cè)試儀的核心，主要完成各項(xiàng)功能測(cè)試、過程控制、測(cè)試數(shù)據(jù)采集處理及存儲(chǔ)、與上位機(jī)通信并上傳測(cè)試數(shù)據(jù)等。2) CAN通信接口單元該單元實(shí)現(xiàn)C

2、AN總線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。3) 測(cè)試激勵(lì)單元該單元提供各項(xiàng)功能測(cè)試的激勵(lì)，包括9V及以下低壓激勵(lì)源、20VDC-2000VDC激勵(lì)源、交流100800VAC、低壓交流等激勵(lì)源。4) 測(cè)試通道切換單元該單元負(fù)責(zé)將需要測(cè)試的線纜通道接入測(cè)試回路。5) 測(cè)量電路單元該單元主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)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(cè)試電路，主控CPU根據(jù)當(dāng)前的測(cè)試模式將相應(yīng)的測(cè)試電路接入測(cè)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(jī)的各種測(cè)試命令和數(shù)據(jù)后，開啟相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目，負(fù)責(zé)完成測(cè)試電路的過程控制、測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、處理

3、、分析、存儲(chǔ)、上傳等功能。其最小系統(tǒng)主要包括供電電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、存儲(chǔ)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(qiáng)大的運(yùn)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(cè)控系統(tǒng)。TMS320F281x除了具有其他DSP芯片所具有的的強(qiáng)大運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力外，片內(nèi)還集成了大容量的Flash存儲(chǔ)器和高速RAM，并提供了許多實(shí)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(qiáng)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(kuò)展控制芯片主要為EP2C5T144C8，用于對(duì)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(kuò)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(qiáng)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(shí)間，減少了通信時(shí)DSP資源開銷，誤碼率低，能很好的解決與上位機(jī)的通信問題。另外DSP的CAN總線模塊作為總線結(jié)點(diǎn)，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(cè)試激勵(lì)單元激勵(lì)源設(shè)計(jì)主要包括導(dǎo)通測(cè)試激勵(lì)源、低壓絕緣測(cè)試激勵(lì)源、電容測(cè)試激勵(lì)源、20VDC-2000VDC絕緣測(cè)試激勵(lì)源以及100800VAC交流耐壓測(cè)試激勵(lì)源。其中，導(dǎo)通測(cè)試激勵(lì)源和低壓絕緣測(cè)試激勵(lì)源使用9V的低壓三端線性穩(wěn)壓器完成；電容測(cè)試激勵(lì)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(dòng)能力后提供。20VDC-2000VDC、100800VAC 5060HZ，采用程控電源設(shè)計(jì)。1) 20VDC-2000VDC程控電源電源模塊通過采購(gòu)市面成熟的工業(yè)級(jí)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(shí)漂/小時(shí)0.05%f) 溫漂/0.05%其對(duì)輸出電壓的控制有一個(gè)控制端，如控制端輸入0-5V對(duì)應(yīng)輸出20VDC-2000VDC電壓。為避免電壓突變帶來的電磁干擾和對(duì)電子元器件可靠性的破壞，增加防浪涌的RC吸收電路并對(duì)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(duì)模塊進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)系統(tǒng)輸出電壓做監(jiān)控并實(shí)時(shí)調(diào)整。模塊自身帶有限流式保護(hù)設(shè)計(jì)，確保使用過程中的安全。可以滿足系統(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(jì)，輸出一個(gè)5060HZ的低壓正弦信號(hào)，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(duì)應(yīng)最大輸出電壓可達(dá)700VAC，并已在其他項(xiàng)目中取得驗(yàn)證，通過電路中的低壓正弦信號(hào)的控制，可以對(duì)應(yīng)輸出100800VAC。為避免電壓突變帶來的電磁干擾和對(duì)電子元器件可靠性的破壞，增加防浪涌的RC吸收電路并對(duì)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(cè)量誤差。另采用限流式保護(hù)設(shè)計(jì)，確保使用過程中的安全?？梢詽M足客戶的需求。針對(duì)高壓激勵(lì)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(duì)輸出做一路回饋采集，通過信號(hào)采集調(diào)理可以計(jì)算出實(shí)際輸出的電壓值。根據(jù)計(jì)算出實(shí)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(cè)試結(jié)果的精度。電源板直流輸出采樣圖1.1.1.4 測(cè)試通道切換單元系統(tǒng)測(cè)試需求的測(cè)試總點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)，單臺(tái)測(cè)試儀總點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)，使用兩臺(tái)測(cè)試儀聯(lián)機(jī)組成1024點(diǎn)的測(cè)試。由于測(cè)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(cè)試條件，需要選用2000V以上的高壓繼電器。單臺(tái)測(cè)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(cè)試回路的公共端。當(dāng)線纜測(cè)試時(shí)，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(shí)現(xiàn)1024點(diǎn)的聯(lián)機(jī)測(cè)試，需將兩臺(tái)的公共端進(jìn)行連接，采用主從機(jī)模式，從機(jī)只做開關(guān)切換，同時(shí)主從機(jī)可進(jìn)行互換。雙機(jī)聯(lián)機(jī)時(shí)的通道切換原理如下：圖7 聯(lián)機(jī)通道切換原理圖測(cè)試時(shí)將待測(cè)線纜兩端接入任意兩個(gè)測(cè)試針點(diǎn)形成測(cè)試回

10、路，如下選取PIN 1點(diǎn)和PIN 3點(diǎn)示意：圖8 通道切換電路原理圖如圖，PIN 1和PIN 3 每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)2個(gè)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(jī)下發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試1 和3 時(shí)，PIN 1的主繼電器閉合，PIN 3的從繼電器閉合，信號(hào)回路建立為VStim - PIN_1 外部Rx PIN_3 VTest；當(dāng)上位機(jī)下發(fā)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試 3 和1時(shí)，PIN 1的從繼電器閉合，PIN 3的主繼電器閉合，信號(hào)回路建立VStim - PIN_3 外部Rx PIN_1 VTest。VStim對(duì)應(yīng)激勵(lì)源，VTest對(duì)應(yīng)參考電阻檔位測(cè)試端。繼電器作為整個(gè)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(chǎng)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(cè)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(huì)導(dǎo)致測(cè)試儀整體體積過大，因此本方案選擇以HE05-1A83控制激勵(lì)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(cè)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(diǎn)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(shí)間1.1ms釋放時(shí)間0.1ms電容10 kHz across open switch0.5pF壽命5V以下，mA級(jí)1000百萬次1000V以下，mA級(jí)100百萬次2000V以下，mA級(jí)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(diǎn)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(shí)間3.2ms釋放時(shí)間1.5ms電容10 kHz across open switch1pF壽命5V以下，mA級(jí)1000百萬次1000V以下，mA級(jí)100百萬次2000V以下，mA級(jí)10百萬次1.1.1.5 測(cè)量電路單元測(cè)量電路單元包含導(dǎo)通測(cè)試、絕緣測(cè)試、耐壓測(cè)試和電容測(cè)試，這幾項(xiàng)測(cè)量電路一致，只是激勵(lì)源和采樣方式有所不同。測(cè)量電路原理如下：圖10 測(cè)量電路示意圖可以考慮更換被測(cè)電阻與限流電阻的順序，有利于使用萬用表校準(zhǔn)被測(cè)兩針點(diǎn)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(cè)試激勵(lì)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(gè)公共端，通過Ai和Bi可以選擇接通1024點(diǎn)中的任意兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)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(diǎn)的電壓時(shí)，Bi處的電壓信號(hào)通過高精度、低漂移的低功耗儀表運(yùn)算放大器進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號(hào)送入DSP內(nèi)部高速ADC模塊做信號(hào)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(gè)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(shí)，可以程序自動(dòng)切換Rf（多檔位

16、可選），信號(hào)再通過運(yùn)放調(diào)理供DSP內(nèi)部ADC采樣。參考電阻是測(cè)試回路上極為重要的元件，直接關(guān)乎測(cè)試取樣電壓的精準(zhǔn)度。為此本方案選取的。方案為保證測(cè)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(jì)圖，示意圖選取了5個(gè)檔位分別為0.1、25、1K、50K、100K，每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)都會(huì)有一個(gè)初始化的默認(rèn)檔位測(cè)試，當(dāng)接入量程內(nèi)不同阻值的電阻時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)測(cè)試需要判斷是否需要換擋，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的最佳測(cè)試。配

17、用的繼電器為低壓的歐姆龍G5V-1。圖11 檔位設(shè)計(jì)圖運(yùn)放主要是為了將參考電阻上的電壓信號(hào)根據(jù)需要放大固定倍數(shù)給ADC采樣處理和分析，運(yùn)放的指標(biāo)直接關(guān)系計(jì)算精度，其選型極為重要。本方案選用的運(yùn)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(gè)外部電阻實(shí)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(gè)電阻，可對(duì)增益進(jìn)行控制。下圖示意的為ADC采樣通

18、道的運(yùn)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(yùn)放參考電路當(dāng)測(cè)試交流耐壓或電容測(cè)試時(shí)，交流電壓信號(hào)通過AD736 RMS-TO-DC芯片轉(zhuǎn)換后，信號(hào)再經(jīng)運(yùn)放調(diào)理供DSP內(nèi)部ADC采樣。實(shí)際的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，AD8027針對(duì)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(cè)試原理圖14 導(dǎo)通測(cè)試原理圖導(dǎo)通測(cè)試采用二線法進(jìn)行測(cè)試，如圖所示，Vstim為導(dǎo)通測(cè)試激勵(lì)源，R

19、1為已知的限流電阻，Rx為假想的接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)被測(cè)線纜未知待測(cè)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(yùn)放，對(duì)Rf兩端的的電壓信號(hào)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(cè)得電壓Uf。同理，經(jīng)過類似處理后可準(zhǔn)確測(cè)得Rx兩端電壓Ux。由簡(jiǎn)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(shí)電壓，計(jì)算出的If為流經(jīng)Rx的真實(shí)電流，故此方法的測(cè)試精度比較高。關(guān)于電阻測(cè)試的二線法測(cè)試和四線法測(cè)試，如下圖所示：圖15 二線法測(cè)試原理圖圖1

20、6 四線法測(cè)試原理四線法比二線法的優(yōu)勢(shì)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(bǔ)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(bǔ)償可在設(shè)備出廠時(shí)或使用過程中，將對(duì)外接口短接，測(cè)出設(shè)備內(nèi)阻，并在導(dǎo)通測(cè)試中將內(nèi)阻進(jìn)行補(bǔ)償。通過精確測(cè)量以及內(nèi)阻補(bǔ)償，可大大提高二線法的測(cè)量精度，可以滿足設(shè)計(jì)測(cè)試量程0.110M、測(cè)試精度5%的要求。1.1.1.7 絕緣測(cè)試原理圖17 絕緣測(cè)試原理圖如圖所示，絕緣測(cè)試大致的原理與導(dǎo)通測(cè)試相同，R1為限流電阻，Rx等效為待測(cè)線纜對(duì)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(duì)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(shí)際絕緣測(cè)試時(shí)，Rf通?？梢院雎圆挥?jì)。絕緣測(cè)試直流加壓穩(wěn)定后的保持時(shí)間可以通過上位機(jī)軟件