裝甲車車載設備絕緣電阻與開關導通狀態(tài)測試儀的研發(fā)

劉 曄，鐔雄師，陳 然，錢夢驕，劉亞光

（西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049）

0 引 言

隨著裝甲車輛車載電氣設備的數(shù)量和復雜性不斷增加，準確、可靠、快速地判斷車載電器設備的絕緣狀況和開關導通、虛接狀態(tài)成為裝甲車生產和使用維護中的重要基礎項目[1-2]。傳統(tǒng)方法借助于搖表（或稱兆歐表）來測量設備的絕緣電阻，兆歐表使用相對簡單，但在實際測量中存在著精度低、量程范圍小、體積較大、隨著人工操作復雜等缺點[3-5]。對于測量復雜設備的多路絕緣電阻時，使用兆歐表工作量太大，耗時長且效率極低[6-7]。

裝甲車車載設備絕緣電阻與開關導通測試儀是專門為軍工行業(yè)研制的、能夠滿足多種車載電器設備功能測試的系統(tǒng)。測試儀系統(tǒng)采用了“單片機+CLPD”的結構，可實現(xiàn)車載電器設備的80路絕緣電阻實時、快速地巡回檢測，根據(jù)絕緣阻值給出報警信號。同時系統(tǒng)能夠快速判斷80路電氣設備的開關導通與關斷情況，并判斷每路開關是否虛接、虛焊，給出相應的提示。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)以單片機為控制核心，CPLD為邏輯執(zhí)行單元，由單片機、CPLD譯碼電路、觸摸屏系統(tǒng)、絕緣電阻測試直流電源、繼電器開關矩陣電路和AD采樣濾波及信號處理電路等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

觸摸屏系統(tǒng)作為人機交互界面，通過RS-232串口與Modbus協(xié)議實現(xiàn)與單片機的通信。觸摸屏將測試指令傳送給單片機，單片機根據(jù)相應的測試功能控制CPLD進行譯碼，CPLD譯碼電路控制繼電器矩陣接通相應的兩路外部的測量通道，接入絕緣測試電壓。單片機根據(jù)不同的測試類型，選擇合適的測量量程，將采樣得到的信號進行隔離和濾波，之后傳輸給單片機。單片機根據(jù)采樣的絕緣電阻值判斷被測通路是否絕緣良好而給出相應的報警提示。絕緣電阻測試直流電源輸入為工頻220V交流電源，通過反激電路后輸出200V和50V的兩路電壓供給絕緣電阻測試。單片機選用STC的12C5A60S2，內部集成有8路10位的AD轉換模塊。觸摸屏采用MCGSTpC一體化觸摸屏TPC1062KS，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心的一體化觸摸屏，產品設計采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏，分辨率為800×480。

80路的絕緣電阻測試采用循環(huán)掃描的方式，掃描每一路與其余79路的絕緣狀況是否良好。80路的開關檢測，基本原理與絕緣電阻測試相同，不同點使用的檢測電源電壓為24V，開關檢測可以在線實時檢測電氣設備的開關通斷情況，并能夠根據(jù)開關的導通電阻判斷開關是否虛接虛焊。絕緣測試和開關測試的結果通過觸摸屏實時顯示，并能夠給出相應的報警提示。

繼電器開關矩陣由160個繼電器構成，繼電器矩陣由兩片CPLD控制，分別作為行譯碼單元和列譯碼單元。80路測試點中每一路都分配有兩個繼電器控制該路接測試電源的正極或者負極，每一路通過導線連接到儀器后面板的航空插頭，被測設備通過航空插頭與測試儀連接，繼電器開關矩陣如圖2所示。

圖2 繼電器開關矩陣

2 硬件設計

2.1 絕緣電阻測試用直流電源

絕緣電阻測試用電源的特點是電壓精度高、負載電流小，故采用TOP242開關電源芯片構成反激式電路，產生200 V和50 V的穩(wěn)定直流電壓用于絕緣電阻的測試[8-9]。電路使用PI Expert Suite 8.5軟件設計，原理如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測試用電源

輸入220V交流電壓經(jīng)過EMI濾波后，通過二極管橋式整流濾波為直流電壓，直流電壓經(jīng)過高頻變壓器的初級繞組和TOP242芯片后，被芯片內部的MOSFET開關器件斬波為高頻的脈沖電壓，次級繞組感應出高頻脈沖電壓，通過二極管和電容整流濾波后輸出相應的電壓。變壓器反饋繞組為TOP242提供控制端電流，根據(jù)控制電流的變化調整PWM斬波的占空比，以此改變輸出電壓的幅值?？刂贫穗娏鞔笮∮煞答侂娐窙Q定，因此反饋回路的精度決定了輸出電壓的精度，此處使用可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817C構成反饋回路，用電阻R6和R7對輸出電壓分壓后，輸入到TL431的參考端，將輸出電壓信號轉換為TL431的電流信號，再通過線性光耦隔離后改變TOP242的控制端電流。高頻變壓器使用EI22鐵心，開氣隙，電感量、繞組圈數(shù)和線徑等參數(shù)均由PI Expert軟件給出。

2.2 絕緣電阻測試電路

被測試的車載電器設備通過航空插頭與測試儀相連接，測試開始時繼電器開關矩陣切換不同的被測通路，并加入測試電壓，同時采集限流電阻兩端的壓差，經(jīng)過濾波放大后送給單片機的AD模塊，單片機判定絕緣狀況并將信息通過觸摸屏顯示，其測試的原理如圖4所示。通過觸摸屏選擇合適的測試電壓，例如50V，單片機控制繼電器K1閉合，50V測試電壓加在測試總線上，首先掃描1#端口和2#端口間的絕緣電阻，繼電器開關矩陣控制Ka1和Kb2閉合，電流流過夾在1#和2#端口間的外部電阻Rx后回到電源負極，R1、R2為限流電阻，通過采集限流電阻兩端的電壓差，即可知道泄漏電流的大小，從而得到Rx的值。其余通道的掃描原理類似，同一時刻必有一個測試點接電源正極，必有另一個測試點接電源的負極。80路的絕緣電阻測試完全掃描一遍共需檢測C280=3 160個通路，單個通路檢測時間小于1 s。

圖4 絕緣電阻測試原理

AD采樣信號是從限流電阻R1和R2上得到的，絕緣電阻值一般大于20 MΩ，通過采樣電阻的電流很微弱，而且容易受到外界的干擾，所以將采樣信號進行放大和低通濾波后送給單片機。INA117P為Burr-Brown公司的高共模電壓差動放大器，共模電壓范圍可達±200V，最高可承受±500V的電壓而不損壞放大器。當從限流電阻R2兩端獲得采樣信號時，若被測對象絕緣狀況不良，則共模電壓最大會達到200V，選用INA117P差動放大器可以有效放大信號，同時保護后續(xù)電路。用OP07CP運算放大器構成一個增益可調反相放大器。UAF42是Burr-Brown公司的集成模擬濾波器，UAF42只需2～3個外接元件即可構成典型結構（如巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾等）的濾波器。此處用UAF42構成巴特沃斯低通濾波器，抑制高頻噪音?？紤]到測試儀在絕緣電阻測試時巡回檢測的掃描頻率，將濾波器的截止頻率設定在10kHz，確保正常信號不會衰減。

2.3 開關導通測試電路

80路開關導通測試電路的原理與絕緣電阻測試相同，通過繼電器開關網(wǎng)絡切換不同的通路，同時測量該通路的導通電阻，即能判斷開關是否導通或者虛接。被測的車載電器設備工作電壓為24V，開關測試時測試儀的測試電壓也為24V，并且與被測車載電器設備共用一個電源，即可實現(xiàn)在線測量開關的導通情況。80路的開關導通測試總耗時不到1s，實現(xiàn)了實時、快速檢測。

被測對象的開關導通電阻很小，一般在歐姆級別，易受外界影響，選用較小的限流電阻以增大測試電流，增強抗干擾性能，開關導通情況下最大測試電流在100mA左右。采集限流電阻兩端的電壓，放大并濾波后輸入單片機進行A/D轉換，此過程和絕緣電阻測試相同。開關是否虛接的判斷標準可通過觸摸屏設定，默認為5Ω，即回路導通電阻大于5Ω時判定為虛接。

2.4 譯碼電路

在單片機的控制下，譯碼電路控制80路測試點中的某兩路接入到測試總線上。單片機通過P0和P2發(fā)送譯碼信號，P0端口負責行譯碼，對應CPLD1，控制80個Ka繼電器中的某一個吸合，P2端口負責列譯碼，對應CPLD2，控制80個Kb繼電器中的某一個吸合，譯碼電路原理如圖5所示。繼電器選用松下公司PhotoMOS AQW214，它屬于MOSFET輸出的光電耦合器，負載電壓可達400V，連續(xù)負載電流100mA，峰值電流可達300mA。每一片AQW214內部集成了兩個繼電器，對應一個測試點的接電源開關Ka和接地開關Kb。AQW214的控制端分別與對應的CPLD相連，控制端動作電流為5mA。CPLD選用Altera的EPM570T144，該芯片屬于Altera的MAXRII系列，是低功耗、低成本的CPLD，擁有570個邏輯單元（LE），最大用戶 I/O 引腳為116個。

圖5 CPLD譯碼電路原理

3 軟件設計

單片機程序使用C語言在Keil uVision2環(huán)境下編譯調試。CPLD代碼在QuartusⅡ環(huán)境下使用邏輯原理圖完成。觸摸屏界面在MCGS組態(tài)軟件環(huán)境下編譯完成。

單片機軟件系統(tǒng)的主要功能包括：接收觸摸屏測試指令、向CPLD發(fā)送譯碼信號、數(shù)據(jù)的采集和處理、測量結果的下傳及觸摸屏顯示。單片機在完成了上電復位和初始化以后，通過與觸摸屏通信后獲得程序進一步執(zhí)行的指令，然后進入相應的子程序。單片機軟件流程如圖6所示。CPLD代碼的編寫使用原理圖描述電路結構的方法，內部結構為1片3~8線譯碼器74HC138片選5片4~16譯碼器74HC154產生80路的譯碼信號，使用原理圖描述電路的方法可以很容易的產生CPLD代碼。觸摸屏界面在MCGS嵌入版環(huán)境下制作，加入了測試歷史記錄和報警記錄等功能。

圖6 系統(tǒng)主程序

4 實驗結果

實驗結果表明，使用可調精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和線性光耦提高了絕緣電阻測試用直流電源的精度，減小了紋波電壓。使用示波器測量輸出開路時的電壓波形，200 V輸出端的紋波電壓的峰峰值為410 mV，小于1%。絕緣電阻測試過程中用示波器測量200V輸出端的電壓波動小于2V，負載調整率小于1%，電源精度高，穩(wěn)定性佳。

使用該測試儀實際測試某型號的裝甲車車載控制柜，測試儀在保證測量準確性、防止誤報警的前提下，實現(xiàn)了80路電器設備的絕緣狀況和開關導通情況的快速測量和判斷，絕緣電阻全部檢測完成用時不足30min，80路開關導通測試的時間不足1s。實際運行測試儀，設定絕緣狀況判斷標準為20MΩ，在80路中任選兩路接入19MΩ的電阻，測試儀可以準確報警，提示該兩路絕緣不良。在開關導通測試中，任意回路中串聯(lián)阻值為6.8Ω的標準電阻，測試儀能實時顯示出該路的虛接，當不接入該標準電阻時測試儀能準確顯示該路導通。

5 結束語

該裝甲車車載設備絕緣電阻與開關導通狀態(tài)測試儀實現(xiàn)了80路的絕緣電阻測試和開關導通狀態(tài)測試，通過觸摸屏可直觀地觀察到絕緣電阻報警信息和開關導通的實時情況。測試儀體積小巧，結構緊湊，便于攜帶，測試精度符合設計要求，滿足裝甲車車載電器設備的生產檢測和使用維護需求。系統(tǒng)已經(jīng)投入工程實用，各項技術指標完全滿足設計要求，表明系統(tǒng)設計的正確性和有效性。

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