多通道绝缘耐压测试系统下位机及硬件设计*

许中原，周 骅，穆 杰

(1. 贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025； 2. 开封文化艺术职业学院，河南 开封 475000)

多通道绝缘耐压测试系统下位机及硬件设计*

许中原1，周 骅1，穆 杰2

(1. 贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025； 2. 开封文化艺术职业学院，河南 开封 475000)

为了满足对新型多接口器件的检测需求，针对目前耐压绝缘测试仪普遍通道少、自动化程度不高的问题，设计了一款多通道的耐压绝缘测试系统。主要实现了高压多通道可靠切换方式、测试数据自动化录入和高效人机界面。通过实践表明，该系统操作简单，能够对被测物高效检测，快速反馈、数据自动化录入，提高了测试效率，完成了系统所要求的各项指标和功能。

多通道；耐压绝缘测试；智能化；下位机

0 引言

根据电子设备的安规测试要求，各种电气设备、接口、连接器等电气产品，在出厂之前必须进行规定电压下的绝缘耐压强度试验，以考核产品的绝缘水平，衡量过电压的能力，反映产品的电气安全性能[1-2]。目前市场上的这类设备单通道居多，测试效率低，不支持模块化的元件治具，需要人工参与较多，测试设备的记录和分析功能有待提高[3]。针对以上问题和不足，本文设计了一款集多通道、自动化、数据处理的耐压绝缘测试系统，有效解决目前设备对新型多测试点元器件测试只能分时检测的问题。

1 系统整体架构设计

系统从灵活性考虑，主要分为上位机和下位机部分，上位机与下位机通过USB通信[4]。上位机采用PC平台，包含人机界面和数据库；下位机使用STM32处理器，主要包含多通道扫描模块、MCU控制模块、高压电源模块。其中多通道扫描模块主要是实现多通道的扫描和切换，高压电源模块主要是产生高压电源，MCU控制模块主要是实现上位机命令解析和配置命令下发[5]。系统整体设计架构如图1所示，本文主要介绍硬件电路设计部分和下位机程序设计部分。

图1 系统整体架构

2 系统硬件电路及下位机设计

硬件电路部分和下位机部分是整个系统设计的关键部分。根据实际检测上的需求，系统设计实现集交直流耐压、绝缘电阻测试为一体的多通道绝缘耐压一体式测试仪，能够实现不低于3 kVAC/10 mA、4 kV/5 mA耐压测试，通过通道扫描的方式对外提供16个绝缘耐压测试通道[6]。

2.1硬件系统设计

硬件电路部分主要由高压多通道扫描模块、多通道驱动模块、高压电源模块、STM32控制模块、USB转串口模块(与上位机通信)、RS232通信模块、故障存储模块等组成，其中RS232主要实现与高压电源模块的通信，故障存储模块采用EEPROM[7]。多通道耐压绝缘测试系统主要硬件设计框图如图2所示。在电路设计时，要预留足够的安全余量，实现高压环境下隔离设计和相互干扰的控制。MCU采用的是STM32F103VET6，它具有80个GPIO口、两个I2C、5个USART以及512 KB Flash、64 KB的RAM存储资源。主要实现与上位机通信、通道控制、测试数据反馈、故障存储等功能。

图2 硬件结构框图

下位机是上位机命令解析、数据处理、外围模块控制的中心。在下位机程序设计时，使用了uCOS实时操作系统，它具有实时多任务内核以及抢占式多任务的处理能力。下位机程序设计部分主要包含：上下位机交互通信、高压测试条件配置、多通道扫描模块的控制、以及故障存储和故障查询等。其中上下位机通信部分主要实现上位机命令解析和配置命令下发、配置命令包含测试条件命令和通道控制命令等。其测试原理主要是根据测试控制算法，上位机首先向STM32发送配置命令，MCU对配置命令进行解析，解析出的命令分别对高压电源模块和多通道扫描模块进行配置，配置好后启动测试；测试结束后，下位机将测试结果反馈给上位机，上位机收到测试结果后，系统停止测试，并将测试结果保存至数据库，避免重复测试，方便用户查询。

2.2高压多通道扫描模块设计

在电路设计时，满足可靠性考虑，要采用必要的电气隔离[8]。常用的电气隔离方式有继电器隔离、光电耦合器隔离、晶体管等隔离方式。在电路设计时，首先是高低压的隔离，采用继电器隔离法，用24 V继电器对高压通道进行控制；其次是STM32与24 V继电器的电气隔离，采用晶体管隔离法,在设计时使用ULN2803A，它是TI公司生产的高电压、高电流达林顿管阵列，高压输出最高50 V,常用作继电器等的驱动器。

在设计时，为了满足耐压绝缘测试要求，减少高压多通道切换中继电器的性能影响测试结果，在实际电路中使用的是高耐压、高绝缘电阻的干簧管继电器，其开关电压7 500 VDC，最小负载电压15 000 VDC,最大电流3 A, 绝缘电阻为1 010 Ω。其工作原理是将可磁化的簧片和惰性气体密封在玻璃管中，当绕在干簧管上的线圈通电时，形成磁场使簧片磁化，簧片的触点部分就会被磁力吸引，当引力大于簧片弹力时，常开接点吸合；当磁力减小到一定程度时，接点被簧片的弹力打开。多通道扫描模块结构和原理如图3所示，通常进行一步测试用到两个通道，一个作为电压高端通道、一个是电压低端通道，测试时高端和低端与被测物之间形成测试回路。

图3 多通道扫描模块结构及原理图

3 系统工作及测试

系统的上下位机交互的工作流程如下：首先是握手，上位机发送串口识别指令给下位机，下位机收到后反馈数据给上位机；接着上位机发送开机命令，下位机启动开机自检，对自身外围模块检测，将自检结果保存并且反馈给上位机；开机自检过后，上位机开始发送测试条件命令，测试条件命令协议格式是“发送配置命令+通道”，对测试条件进行配置，配置完成后开始启动测试。其他交互方式还有故障查询和系统时间等，故障查询时，上位机发送故障查询指令，下位机将以往故障记录反馈给上位机，故障格式是“故障时间+故障码”。由于uCOS系统使用了RTC时钟，在初次使用时要更新系统时钟，以便发生故障时记录故障的时间，当下位机接收到此指令，将系统时间更新。交互场景及流程如图4所示[9]。

图4 交互流程

该16通道耐压绝缘测试系统下位机和硬件部分，通过与上位机界面整体联调，能准确地完成上位机命令接收、解析和反馈、多通道的控制、故障存储等，很好地完成了测试，测试结果满足要求。系统测试的配置界面如图5所示，测试结果如图6所示。

图5 测试配置界面

图6 检测结果

4 结束语

该多通道耐压绝缘测试下位机和硬件电路部分，通过与上位机联合调试，成功实现了测试条件的配置、多通道模块的控制、测试数据的反馈、故障的存储，通过实际测试能快速完成项目需求和性能要求。经过长期测试表明：该系统性能可靠、测试数据精确，同时能够提高测试效率，具有较好的实用价值。

[1] 帅仁俊, 何慕容. 智能化耐压绝缘测试设备的原理与实现[J] .南京建筑工程学院学报, 1997, 11(4): 50-54.

[2] 蔡祥，江冰. 基于485的耐压绝缘测试系统设计[J]. 通讯技术，2011，44(3):32-34.

[3] 李琦，贺明，董利民，等.基于ARM嵌入式系统的SPI驱动程序设计[J].微型机与应用，2011，30(5)：5-8.

[4] 陈娟，李元，李万国.基于B/S模式的嵌入式系统测试方法与实现[J].电子技术应用，2016，43(2)：50-52.

[5] 齐利芳, 刘虎, 贺占庄. 智能化绝缘/导通电阻测试系统的研制[J]. 微机发展, 2005, 11(15)：78-82.

[6] 赵新民.智能仪器原理及设计[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1989.

[7] LABROSSE J J.嵌入式实时操作系统uC/OS-II[M].邵贝贝，等译.北京：航空航天大学出版社，2010.

[8] 刘火良，杨森.STM32库函数开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

Design of slave computer and hardware for multi-channel insulation withstand voltage test system

Xu Zhongyuan1, Zhou Hua1, Mu Jie2

(1. School of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Kaifeng Culture and Art Career Academy, Kaifeng 475000, China)

In order to meet the testing needs of the new multi-interface devices, for current voltage insulation tester has less common channel, and the degree of automation is not high, a multi-channel voltage insulation testing system is designed. The system mainly realizes reliable high-pressure multi-channel switching mode, the test data entry automation and efficient user interface. The practice results show that the system is simple, efficient and capable of analyst detection, rapid feedback and automated data entry. It improves test efficiency, and completes all the indexes and functions required by the system.

ulti-channel; voltage insulation testing; intelligence; slave computer

TP206.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.011

许中原，周骅，穆杰.多通道绝缘耐压测试系统下位机及硬件设计[J].微型机与应用，2017,36(19)：38-40.

贵州省科技厅联合基金项目(黔科合LH字【2014】7630)；贵州省功率元器件可靠性重点实验室开发基金项目(KFJJ201502)

2017-04-06)

许中原(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统、硬件设计。周骅(1978-)，男，工学博士，副教授，主要研究方向：EDA，集成电路设计。穆杰(1975-)，男，本科，副教授，主要研究方向：计算机软件设计。