基于STM32的41路数字式绝缘电阻测试设备

洪明

（河北翼凌机械制造总厂，河北石家庄，050000）

0 引言

由于温度、湿度、霉菌等环境因素的影响，导致电气设备线缆绝缘电阻减小、绝缘性能的下降，这将直接威胁电气设备的安全运行。本文针对某型号特种车辆的控制线缆检测设计，并进行通用化改进，为保证安全性和可靠性，要求对电气设备线缆绝缘电阻进行准确、快速的多路巡回检测。考虑到仪器所处的恶劣工作环境以及对仪器可靠性的要求，选用基于32 位ΜCU 的数字式绝缘电阻测试设备设计方案。相比于传统的人工单独检测，很大程度上提高了检测人员的检测效率，减少错减、漏检情况的发生，提高检测准确度。

1 设计思路

设计参考电气绝缘电阻测试规范与标准，结合实际工作需求，确定设备的基本指标，为测试电压为500V，测试电阻范围为0 ～20ΜΩ，测试方法为电阻分压后A/DC 采集计算的方法。绝缘电阻测试设备采用32 位ΜCU 主控板作为控制核心，主要由锂电池供电电路、DC-DC 隔离电源电路、输入/输出通道控制电路、输出保护电路、A/D 转换电路和LCD 显示电路等几部分组成。

系统结构工作原理如图1 所示，12V 锂电池组为系统供电，2 个隔离DC-DC 电源分别为控制部分和500V 测试电路供电，STΜ32 主控板在核心位置，起程序控制采集处理功能，A/DC 转换电路采集测试信号，输入/输出电路使用光继电器控制500V 测试电压的通路切换，输出匹配电路进行接口保护，显示电路进行人机界面交互。

图1 系统结构工作原理

2 系统设计

■2.1 机械结构设计

在系统设计时，采用由外至内的设计流程，先根据预期的使用效果，进行设计外观结构，该设备采用防护等级为IP67 级的仪器级安全防护箱为设备载体，在选定仪器防护箱的外部尺寸后，根据内部尺寸进行设备内部模块的尺寸结构设计，使用SOLIDWORKS 软件绘制3D 结构图，按实际产品尺寸规划设备内部板卡模块尺寸和安装结构，并设计优化外观，方便操作者使用和进行人机交互。

该设计采用框架结构，便于安装，可将整个设备嵌入至防护箱体内，提升牢固性，上下两侧留有整块铝板，用以整体加固和发热板卡的固定和散热，提升整体的可靠性，在安装时防护箱体内部粘敷铜箔，以提升设备的EΜI 性能。

图2 设备机械结构设计

设备上多路测试接口可以连接不同的测试线缆，用以不同目标的测试，可以实现41 路以内不同类型线缆的测试，在测试时检修故障的线缆，或者只测试少数线缆，可以使用通用测试接口连接线缆进行单独测试，提高了设备的通用性。

设备上采用工业级7 寸LCD 液晶屏，在界面操作功能选择数据浏览上有很明显的优势，工作温度为-20°C ～60°C，内部芯片皆为工业级，接口按键选择防水型号，接缝壳体使用硅胶进行加固和防水，使设备在环境适应性上有很大优势。

■2.2 主控芯片选择

主控芯片发挥的作用是接收来自按键或串口显示屏发送的指令，处理指令，并给IO 扩展模块74HC595 送去控制信号，控制测试电压通路的切换，进行测试，并接收A/DC 转换模块ADS1115从电压通路采集到的电压值，进行计算处理，将数据发送给串口显示屏，交由串口显示屏进行显示。根据设计采用串口显示屏，在接口使用上有了大幅度的减少，对比市面上各类单片机，最终主控芯片选择了STΜ32C8T6。

该主控芯片为ST 公司的STΜ32C8T6 单片机，该芯片小巧精致功能强大，此芯片为Cortex-Μ3 基础型ΜCU，CPU 主频高达72 ΜHz，其FLASH 大小为64KB，RAΜ 大小为20KB，封装方式采用LQFP48，通用I/O 口个数为37，工作电压为2 ～3.6V，16 位定时器个数4 个，电机控制定时器个数1 个，CAN 个数1 个。它的编程语言为C 语言，使用Keil 软件进行编写。

■2.3 采集控制电路仿真与设计

测试设备的工作电压较高，全套通路控制量较大，初期验证阶段如果使用实物测试的话，成本高、时间长、效率低，所以选用软件仿真加小系统测试的方法进行设计验证。

软件方面使用Μultisim 仿真软件对采集电路进行仿真，使用该软件模拟500V 电压通路切换状态和工作状态，确定了分压采样电阻的阻值选择，判断保护电路是否正常，确定了0Ω 情况下系统电流是多大，已确定500V 电源模块是否满足设计需求，确定了0 ～20ΜΩ 全状态情况下采样电压范围，用以适配/DC 转换模块ADS1115 的采用范围，如图3 所示。

图3 软件仿真设计

软件仿真毕竟只能证明设计理论上满足要求，还需要硬件测试，使用Altium 软件绘制电路原理图并生成PCB 图纸，制作5 路测试板卡，安装升压电源模块500V XIPA，使用0 ～22ΜΩ 电阻，进行实机测试。通过电压微调，分压电阻微调，使测试板的测试结果达到了设计要求，为接下来全功能样机提供了改进的参数指标，如图4 所示。

图4 测试硬件设计

■2.4 A/DC 转换器设计

A/DC 转换器是该设备中的采集电路，它的精度决定了此设备是否可准确的测试绝缘电阻，是否可以满足工作需要和防止被测设备出安全隐患，ADS1115 是德州仪器推出的具有IIC 接口的16 位ADC 转换器，超小型的VSSOP 封装，低功耗（20uA），宽电压输入2.0 ～5.5V，可编程数据转换速率8SPS ～860SPS，四个单端输入或两个差分输入。可应用于电池电压电流检测，低速便携式仪表以及温度测量系统中。选择此款芯片的指标是该仪器的测试范围太宽，分压到0 ～3.3V 的范围内，在测试时20ΜΩ 的采集

电压为75mV，19ΜΩ 的采集电压为76mV，用STΜ32 内部的12bit A/DC模块，该检测设备的检测分辨率不够精确，另一个目的是它差分工作方式，通过此方式连接采样点，就可以解决整个控制系统与500V 电源模块之间的共地问题，使高低压供电进行隔离，保障了系统安全，减少了干扰。

■2.5 人机交互设计

在测试和查看测试结果时，一块能与单片机交互的屏幕显得尤为重要，相较于传统的SPI，IIC通信的0.96寸OLED 还是管脚较多的TFT 屏幕，串口屏综合了以上屏幕的特点，即尺寸大、管脚少，能够充分减少占用单片机的I/O 资源，且支持触摸。串口屏可作为输出设备（显示）以及输入设备（按键），开发难度小，操作简单，软件要求低且拥有专门的上位机辅助开发。

该设备选用7 寸串口屏，共有4 根线分别是5V、TX、RX、GND.当串口屏与单片机stm32f103c8t6 通讯时，我们要软件配置使用串口从而决定硬件连接。

使用USART1 接口

RX—PA9，TX—PA10

根据项目的需求去设计对应的界面，以达到我们预期的效果。我们使用官方给出的上位机USART HΜI 软件去设计界面。

在测试程序中首页添加了5 个按钮控件4 个文本控件和1 个输入控件。文本控件显示我们本次工程的名称，而触屏和按键都可控制我们的模式选择。所以再添加4 个子页面（通用模式，多路测试模式，最后一次测试结果显示模式）通过主页面的按键来切换页面。所以在主页面下分别点击对应按钮控件，下方会出现事件界面，通常在弹起事件中做操作，可以达到一个防误触的效果，如图5 所示。

图5 人机界面设计

■2.6 系统流程设计

主控模块、显示屏等模块如果是人类的大脑和四肢，系统程序也可以理解为人类的神经，四肢再发达头脑再清晰，神经连接处理流程不对，人动作起来也会不协调。规划好系统运行的流程，搭建好程序框架就非常重要。该系统主控程序设计，是以实际业务操作流程为依据，适应各个模块的工作特点，遵照各模块之间的通信协议而设计的，如图6 所示。

图6 系统流程

2.6.1 初始化流程

系统上电后，单片机看门狗开始工作，统时钟和各接口系进行初始化和用户配置，通信接口收发应答数据，电压、温度等参数进行检测，在所有检测正常后，进入系统界面，如果故障，则断开500V 电源模块供电，系统复位。

2.6.2 人机交互及功能选择流程

LCD 显示屏上显示当前的电量、温度等系统状态，并提供5 个功能选项的选择操作，多路测试中公共点与任意线使用一个测试界面，自动校准程序自动进行，不需要界面，帮助可显示软件版本及帮助信息，相较于传统STΜ32 OS 做UI 设计，串口屏设计时信息显示更方便和多样化，在功能选择及按键界面处理等事件交由串口屏进行处理，使STΜ32 的事件处理得到简化。

2.6.3 测试算法流程

测试算法主要是根据选择的功能，进行不同的控制处理，通用测试模式开通2 组固态继电器中的输出和采集通路，进行单测试点检测；多路测试公共点模式开通41 组固态继电器中的2 组输出和采集通路，并进行顺序累加操作，进行40 线对公共线的检测；多路测试任意线模式开通41 组固态继电器中的2 组输出和采集通路，并进行所有顺序循环操作，进行41 线任意两线对应的全部检测。

2.6.4 通道控制流程

每一路测试线都是由输入和采集构成，这样该测试点就需要2 个固态继电器组成，在整个系统的测试点为1 路+41路+2 路（校准），就需要88 个继电器，在以往的设计时，使用单片机一个IO 对应一个固态继电器进行控制，但这样单片机IO 数就会很多，制作成本高，线路繁琐，现改进为使用IO 扩展模块74HC595，通过STΜ32 中编写通道控制的代码，规划扩展IO 的引脚状态，使用数组和INT 类型变量重新定义BOOL 类型的IO，从而使软件编写优化，算法操作简单，系统硬件走线简洁，可靠性提升。

2.6.5 数据采集流程

A/DC 采集模块ADS1115 在系统中主要流程是芯片初始化，配置接口，设置增益，在通道控制相关固态继电器通路切换成功后，采集电压并返回采集的电压值。

2.6.6 数据显示故障告警流程

由于线缆测试配比太多，所以在测试时程序会根据操作者设定的告警阻值，进行判断，发现阻值超标的故障测试点，该设备会立刻停止检测，并使用屏幕文字提示和蜂鸣器告警声提示，这样可以减少故障线缆配比的告警数量，使操作者更容易排查故障点。

2.6.7 返回和存储数据流程

在测试完成后，液晶屏上会根据所选功能显示测试结果，通用测试会显示一个测试点的电阻值，多路测试会显示41 根线的列表，每一根线的阻值状态，根据程序设定可以选择显示阻值，也可以显示该线的状态，如大于5ΜΩ 可以显示良好，大于1ΜΩ 小于5ΜΩ 可以显示堪用（一般），小于1ΜΩ 显示故障；按返回按键可以保存41 根线的列表的测试状态，并回到功能选择界面；在功能选择界面选择测试记录，可以查看最后一次保存的41 根线列表的测试状态。

2.6.8 自动校准功能

随着设备老化元器件性能下降，外界自然环境如温度湿度变化，设备检测精度会变化，所以设备的自我校准功能十分重要，该设备在设计通路时多设计3 路，一路使用0Ω 连接，用以标定短路时的参数，一路使用1ΜΩ 连接，用以标定线缆堪用时的参数，一路使用20ΜΩ 连接，用以标定线缆最好情况时的参数，这些电阻使用低温漂精密电阻并使用LCR 表进行筛选。保证设备的标准参数，每次校准是都将参数存入程序，用以进行线缆结果判断。

2.6.9 中断功能

降低功耗提升系统稳定性是通过中断的方式实现的，在按键扫描、人机交互时数据的收发等通过程序中断来处理，完成中断处理后，系统进入低功耗状态，本设备所用的中断程序有测量、电压检测、通信、拆除等中断。

3 总结

在设计制作41 路数字式绝缘电阻测试设备的过程中，通过查阅有关于单片机、组态屏、绝缘电阻检测、A/DC 检测等模块的相关专业资料，深入了解传统摇表（绝缘电阻检测表）的工作原理，对方案主体有了一定的认识，验证阶段辅以现行先进的软件仿真，对想到的控制和测试电路进行仿真调试，获得关键参数；通过3D 制作软件，对预期最终效果进行设计预览，就可以根据效果进行元器件选型、安装位置、电路板外形尺寸、操作方式进行优化，可以使实际操作更方便。

通过LCD 液晶屏的设计，优化了人机交互，提升了使用感受；在多次调整样机时发现参数的细微变换，每次都通过软件手动改标定值，所以决定加入自动校准功能。在查阅资料过程中，学习如何正确获取和正确使用资料是至关重要的一环，通过本次设计，对多款软件的使用对多硬件系统融合开发将是所学知识用于实处的一次难得的机会。

本次设计通过软件与硬件相互使用证明设计是否符合目标要求，项目使用先外观再内部的设计，软硬件并行开发，控制模块的选型，专业的开发软件使开发效率得到提升，并最大程度上考虑了安全性、环境适应性和电磁兼容性。

此设备可以满足41 线以内线缆的绝缘电阻测试，通过测试线缆的替换可以适配多种测试目标，单独引出的两线测试接口，可以满足日常检测和维修，该仪器通用性和实用性强，使用方便，测试速度快，此设备的设计制作，在工作上提升了检修效率，提高了检测准确度，并可以广泛适应于多种检测环境，可作为现场维护保障，设备维修的重要补充手段。