基于ARM平臺(tái)的聲吶換能器絕緣自動(dòng)測(cè)試儀

席 偉

(91114部隊(duì)，上海 200434)

0 引 言

聲吶換能器是聲吶裝備的核心部件之一[1]，需要進(jìn)行定期檢查和維護(hù)。絕緣電阻值是換能器非常重要的指標(biāo)，也是聲吶濕端修理和保障工作的重要的指標(biāo)依據(jù)[2-3]，需要進(jìn)行定期測(cè)試。傳統(tǒng)的換能器絕緣測(cè)試是采用數(shù)字絕緣表或者搖表進(jìn)行。目前采用傳統(tǒng)的普通絕緣表、搖表或電容表進(jìn)行測(cè)試時(shí)存在以下幾個(gè)問題：(1) 工作效率低；每次只能對(duì)一路進(jìn)行測(cè)量，隨著聲吶裝備的發(fā)展，聲吶基陣越來越大、換能器數(shù)量越來越多，幾十個(gè)甚至上百個(gè)陣元的聲吶越來越常見，對(duì)換能器全面檢查一次共需測(cè)量幾百次，完成一次測(cè)量需要30 min 甚至更長(zhǎng)時(shí)間。(2) 測(cè)量時(shí)有一定危險(xiǎn)性?；嚬ぷ麟妷捍蟛糠譃楦唠妷?，幾百伏、上千伏或者更高，測(cè)量電纜芯線之間間距較小，在遇到需要大量絕緣測(cè)量的情況時(shí)，稍不小心，測(cè)量人員就容易被高壓電擊，雖然電流不大，但測(cè)量時(shí)仍然需要非常小心。(3) 測(cè)量精度不高，讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。由于被測(cè)絕緣值隨著測(cè)量時(shí)間的變化而變化，然后逐漸穩(wěn)定，傳統(tǒng)的絕緣測(cè)試通常憑著經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行絕緣值讀取，沒有統(tǒng)一的讀取標(biāo)準(zhǔn)。這種方法對(duì)于遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求的換能器影響不大，不會(huì)影響其正常使用。但對(duì)于絕緣值處于指標(biāo)邊緣的聲吶換能器來說，如果絕緣值讀取值偏差過大，將直接影響技術(shù)人員對(duì)該換能器真實(shí)工作狀態(tài)和性能的掌握，影響后續(xù)維修保障的方案和實(shí)施。

本測(cè)試儀采用電壓比較法和全橋法進(jìn)行組合測(cè)試，利用ARM主控控制繼電器進(jìn)行測(cè)量通道切換，同時(shí)控制高壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生直流高壓，通過漏電流采集后計(jì)算絕緣值，并記錄絕緣值與時(shí)間變化的曲線，全程全自動(dòng)化測(cè)量。

1 絕緣測(cè)試方法

當(dāng)前絕緣電阻測(cè)試主要原理是“加高壓、測(cè)漏流”[4]。實(shí)現(xiàn)方法有串聯(lián)法、并聯(lián)法、電壓比較法、全橋法、半橋法和電容充電法等[5-7]。其中電壓比較法和全橋法測(cè)量精度較高，本文采用電壓比較法和全橋法進(jìn)行組合測(cè)試，原理如1圖所示。

圖1 測(cè)量電橋原理框圖Fig.1 Schematic diagram of measuring bridge

2 測(cè)試儀組成

ARM是應(yīng)用非常廣泛的嵌入式平臺(tái)，非常適合做為小型便攜式設(shè)備的主控芯片[9-10]。電路以ARM為核心，通過各功能鍵控制各電路部分工作，實(shí)現(xiàn)以下功能：(1) 產(chǎn)生三種測(cè)試高壓并實(shí)現(xiàn)測(cè)試高壓輸出的選擇切換；(2) 將測(cè)試數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(BCD碼)，由ARM進(jìn)行量程判斷，控制電子開關(guān)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換。測(cè)量結(jié)果在液晶顯示器上顯示，同時(shí)以串行方式將測(cè)量數(shù)據(jù)和控制信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)端上位機(jī)；(3) 可預(yù)設(shè)報(bào)警值和測(cè)量時(shí)間；(4) ARM讀取的BCD碼與存儲(chǔ)的報(bào)警值進(jìn)行比較，小于報(bào)警值則報(bào)警。測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 絕緣電阻測(cè)試儀原理框圖Fig.2 Block diagram of insulation resistance tester

由圖2可知，測(cè)量高壓由高壓發(fā)生器產(chǎn)生，由鍵盤輸入選擇高電壓，微控制器(ARM)控制高壓選擇開關(guān)，接通需要的高壓，高壓加入測(cè)試電橋，由測(cè)試橋取出電壓，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其電壓進(jìn)行變換成Ux。Ux分成兩路：一路送到量程判斷電路，當(dāng)超量程時(shí)，量程轉(zhuǎn)換控制電路切換量程，同時(shí)將對(duì)應(yīng)量程送給ARM，另一個(gè)量程送給A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，送ARM作相應(yīng)處理產(chǎn)生絕緣電阻值；送液晶顯示，同時(shí)該值與設(shè)定的報(bào)警值比較，如果絕緣電阻數(shù)據(jù)小于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，則顯示“不正?！薄Ｍㄟ^配置好的選通電路自動(dòng)切換測(cè)量通路，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量通道的自動(dòng)化。如果需要遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)，通過RS232或RS485傳送到上位機(jī)，并把上位機(jī)設(shè)定的值傳回給測(cè)試儀。

3 硬件設(shè)計(jì)

(1) 高壓產(chǎn)生電路

高壓發(fā)生器是絕緣電阻測(cè)試儀的關(guān)鍵部分之一。不僅需要產(chǎn)生100、500、1 000V直流(DC)高壓，而且輸出需要穩(wěn)定和保護(hù)。原理框圖見圖3所示。調(diào)制控制器(PWM)輸出一定頻率的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率變換單元，把低壓的直流輸入變成高壓的交流輸出。這種高壓交流信號(hào)經(jīng)過倍壓電路，根據(jù)需要變換為不同量程的直流高壓，經(jīng)過低通濾波器輸出。取樣電路單元是保證輸出高壓穩(wěn)壓的重要環(huán)節(jié)，它利用脈沖寬度調(diào)節(jié)器內(nèi)部的誤差比較電路，將從輸出端取樣信號(hào)與預(yù)先設(shè)計(jì)的參考輸出高壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出高壓變化時(shí)，引起PWM控制器的輸出寬度變化，從而使輸出高壓維持原值不變。過載保護(hù)包括過流保護(hù)和過壓保護(hù)，以保護(hù)電路在外部發(fā)生或內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，高壓發(fā)生器不被徹底損壞，提高本測(cè)試儀的可靠性。

圖3 高壓產(chǎn)生電路原理框圖Fig.3 Block diagram of high voltage generating circuit

高壓電路核心控制器件(PWM控制器)采用TI公司的TL494。它由一個(gè)獨(dú)立的死區(qū)時(shí)間比較器、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器(PWM)、振蕩器、基準(zhǔn)參考源、輸出方式控制以及功率驅(qū)動(dòng)組成。其特點(diǎn)：(1) 輸出調(diào)整速度快；被測(cè)對(duì)象阻值變化較大，要保持輸出電壓值穩(wěn)定。(2) 輸入動(dòng)態(tài)范圍大，輸入直流電壓為7～40 V，滿足電池供電時(shí)電壓變化范圍大的情況。(3) 具有輸出保護(hù)功能，被測(cè)對(duì)象既有絕緣電阻值大的情況也有可能處在短路的情況，特別短路情況發(fā)生時(shí)，能迅速保護(hù)，終止輸出。功率變換電路是把直流低壓變換成直流高壓，如圖4所示，由功率變換電路和保護(hù)電路組成。功率變換電路主要由功率開關(guān)器件Q1、Q2及高頻變壓器T組成。Q1、Q2接收由脈寬調(diào)制器來的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Q1、Q2交替導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間由脈寬調(diào)制的輸出脈沖決定。在變壓器T次級(jí)上得到平均電壓U0：

圖4 功率變換電路和保護(hù)電路原理框圖Fig.4 Block diagram of power conversion circuit and protection circuit

式中：Np、Ns分別為初、次級(jí)繞組匝數(shù)，D為脈沖寬度控制信號(hào)的占空比，α為變壓器的效率。

高頻變壓器的選擇主要考慮保證電源的調(diào)整率、線圈漏感、外形尺寸等方面綜合性能。本磁芯采用鐵氧體MXO-2000。磁通密度取0.25～0.3 T，磁芯結(jié)構(gòu)，采用磁罐形式，同時(shí)為了減少對(duì)外部電路的干擾，采用一個(gè)屏蔽殼套住并與地面相聯(lián)。在變壓器制作過程中，選擇壓敏高壓絕緣膜膠帶作為次級(jí)層間和初次級(jí)間的絕緣材料，效果良好。

功率開關(guān)管的質(zhì)量好壞決定本高壓產(chǎn)生器的可靠性等性能，它的選取原則是：開關(guān)管最大允許電流Iom大于滿載時(shí)峰值電流Ip，最大承受電壓BVceo大于集電極反向電壓Vcer，電流放大系數(shù)β=Ip/Io，(Io為脈寬調(diào)制器輸出驅(qū)動(dòng)電流)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton和截止時(shí)間toff之和等于0.2/f。為了加強(qiáng)電路的可靠性，采用冗余設(shè)計(jì)，選用與驅(qū)動(dòng)電流大小無關(guān)的美國(guó)ONSEMI公司的PowerVMOS器件MTP10N10，它的最大負(fù)載電流為10 A，耐壓為100 V， 開關(guān)時(shí)間ton+toff＞120ns。

為減少高壓發(fā)生器對(duì)外部環(huán)境的干擾，同時(shí)對(duì)功率開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)，電路中電阻和二極管并聯(lián)后串聯(lián)一個(gè)電容接地，以吸收漏感造成的尖峰電壓。

DC 100 V 直接由變壓器輸出整流得到，DC 500 V和1 000 V由倍壓整流獲取。整流倍壓電路和取樣電路見圖5所示，變壓器T輸出電壓經(jīng)過二級(jí)和四級(jí)倍壓整流電路，分別輸出500 V和1 000 V電壓。Rd是對(duì)高壓輸出的電壓取樣元件，利用TL494脈沖寬度調(diào)制器內(nèi)部的誤差放大器和外部參考源完成對(duì)穩(wěn)定輸出的控制。穩(wěn)定輸出的高壓值大小，可以通過變阻器P調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出高壓由于某種原因升高時(shí)，通過Rd取樣送入誤差放大器1正向端，將這個(gè)誤差信號(hào)放大后送到脈寬調(diào)制器的比較器。這個(gè)比較器將控制其輸出驅(qū)動(dòng)脈沖變窄，即輸出占空比D變小，反之變大。

圖5 倍壓整流和取樣電路原理框圖Fig.5 Schematic diagram of voltage doubling rectifier and sampling circuit

過流保護(hù)電路主要由功率開關(guān)管源級(jí)取樣電阻R0和脈寬調(diào)制器內(nèi)的誤差放大器2組成，見圖4所示。誤差放大器2的反向端設(shè)定保護(hù)值大小，當(dāng)電流過大時(shí)，即流過R0的電流也較大，R0上電壓升高，誤差放大器2輸出高電平，其高電平輸入到脈寬調(diào)制器比較器的控制端，它使脈寬調(diào)制比較器無輸出，這樣在驅(qū)動(dòng)管的發(fā)射極輸出低電平，功率開關(guān)同時(shí)截止，無高壓輸出，達(dá)到保護(hù)目的。過壓保護(hù)電路由高壓輸出端的電壓檢測(cè)電阻Rd和誤差放大器1構(gòu)成，在原理上與過流保護(hù)相同。

(2) 量程轉(zhuǎn)換電路

量程轉(zhuǎn)換包括兩部分：(1) 高壓參考電壓的測(cè)量的量程轉(zhuǎn)換，即Ur轉(zhuǎn)換(如圖6所示)。(2) 被測(cè)量絕緣電阻的測(cè)量電壓量程轉(zhuǎn)換，即圖6中的Ud。圖6中左邊部分是高壓參考電壓的量程轉(zhuǎn)換，右邊是被測(cè)電阻量程的轉(zhuǎn)換部分。

圖6 量程轉(zhuǎn)換電路示意圖Fig.6 Schematic diagram of range conversion circuit

當(dāng)選擇不同的高壓來進(jìn)行測(cè)量絕緣電阻時(shí)，主控制器通過I/O1和I/O2兩根邏輯控制線控制電子開關(guān)IC1接通不同的電阻，使Ur電壓值始終落在A/D轉(zhuǎn)換電壓范圍內(nèi)。

被測(cè)絕緣電阻的量程轉(zhuǎn)換也是通過數(shù)字電位器切換實(shí)現(xiàn)，它可以有64～256個(gè)不等的檔位，本測(cè)試儀選用128個(gè)檔位，數(shù)字電位器與擋位量程的關(guān)系如表1所示，和主控制器通過相聯(lián)接。在每個(gè)量程內(nèi)，又分成多個(gè)檔位，是為了有更好的線性度和精度。調(diào)整數(shù)字電位器的檔位，使Ud總能落到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的最佳的電壓范圍，以便保證有良好的準(zhǔn)確度。

表1 數(shù)字電位器檔位對(duì)應(yīng)量程轉(zhuǎn)換Table 1 Range conversion of digital potentiometer

(3) A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路擔(dān)負(fù)著將采樣電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的任務(wù)。它由雙斜積分式A/D及外圍電容、電阻組成。它對(duì)輸入的采樣電壓Ux、參考電壓Ur的模擬信號(hào)先后進(jìn)行兩次積分，從而將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。該數(shù)字量由ARM讀取后進(jìn)行處理。

(4) 量程判斷

ARM根據(jù)從ICL7135讀取的數(shù)據(jù)，判斷出是超量程或是欠量程，進(jìn)而由ARM輸出的量程轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，自動(dòng)切換到不同的量程。量程轉(zhuǎn)換控制信號(hào)加到電子開關(guān)端，改變對(duì)應(yīng)的采樣電阻值。

(5) 設(shè)定報(bào)警值和報(bào)警

通過鍵盤將報(bào)警電阻值存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器24C01中，ARM將測(cè)量得到的絕緣阻值與存儲(chǔ)的設(shè)定值進(jìn)行比較，若小于設(shè)定值則發(fā)出聲(連續(xù)的嘟嘟聲)、光(連續(xù)閃爍)報(bào)警，顯示阻值并給出“不合格”提示。同時(shí)將測(cè)量時(shí)間和本次測(cè)量值存儲(chǔ)，以備以后調(diào)閱。

(6) 遠(yuǎn)程通信

設(shè)置遠(yuǎn)程通信的功能的目的是為了與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)將報(bào)警電阻值、測(cè)量使用的高壓值、何時(shí)測(cè)量三個(gè)參數(shù)傳給測(cè)試儀，這三個(gè)參數(shù)組成一次測(cè)量設(shè)定，測(cè)試儀可以存儲(chǔ)32次測(cè)量設(shè)定值，測(cè)量設(shè)定值按時(shí)間組成測(cè)量序列。測(cè)試儀根據(jù)測(cè)量序列，到時(shí)間后以自動(dòng)方式或詢問方式進(jìn)行測(cè)量或跳過本次測(cè)量。當(dāng)上位機(jī)需要測(cè)試儀的測(cè)量結(jié)果時(shí)，測(cè)試儀通過通信接口將存儲(chǔ)的測(cè)量結(jié)果傳給上位機(jī)?？梢灾付ㄉ蟼髂炒螠y(cè)量結(jié)果，也可以指定上傳多次測(cè)量結(jié)果。

4 軟件流程框圖

測(cè)試程序組成框圖如圖7所示。軟件模塊包含儀器初始化、電路控制、信號(hào)采集、結(jié)果分析和判斷、存儲(chǔ)管理、時(shí)間設(shè)定、鍵盤處理、顯示和報(bào)警以及上位機(jī)通信模塊。

圖7 測(cè)試程序組成框圖Fig.7 Composition bock diagram of the test program

測(cè)量電阻軟件流程框圖如圖8所示。初始化后進(jìn)行測(cè)試電壓選擇，并確認(rèn)量程是否合適。如果量程在允許范圍內(nèi)，進(jìn)行測(cè)量電壓讀取，結(jié)果如果超出量程，則進(jìn)行測(cè)量電阻切換，完成區(qū)間調(diào)整后，利用程序計(jì)算絕緣電阻，并進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。完成該次測(cè)量后檢查是否全部檢測(cè)完成，是否需要切換檢測(cè)通道。沒有完成則切換通道后繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，直到全部測(cè)試完成。

圖8 電阻測(cè)量程序的流程圖Fig.8 Flow chart of resistance measurement program

5 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該絕緣測(cè)試儀進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證工作分為兩組，一組為精度試驗(yàn)，另一組為速度和一致性試驗(yàn)。精度試驗(yàn)對(duì)象為經(jīng)計(jì)量的兆歐表標(biāo)準(zhǔn)電阻箱，分別進(jìn)行100、500和1 000 V三個(gè)檔位，阻值分別為1、10、100和1 000 MΩ。表2為采用絕緣測(cè)試儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻箱測(cè)試的結(jié)果，其中100 V檔的測(cè)試精度最高，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱值最小誤差為0.5%，1 000 V檔測(cè)試精度相對(duì)最低，最大誤差為6.7%。

表2 標(biāo)準(zhǔn)電阻箱測(cè)試的結(jié)果Table 2 The result of standard resistance box test

速度試驗(yàn)對(duì)象為48路的換能器基陣，測(cè)試電壓1 000 V，連續(xù)循環(huán)測(cè)試10次?？紤]到發(fā)射信號(hào)脈沖寬度最大為512 ms，將每次測(cè)量的記錄時(shí)間放寬為1 s。共耗時(shí)948 s，即完成1次48路的測(cè)量時(shí)間約為95 s，測(cè)量結(jié)果一致性最大為0.21%。如果采用傳統(tǒng)人工手動(dòng)切換的方式并完成記錄，測(cè)試完成1次48路的測(cè)量時(shí)間約為30 min，測(cè)試結(jié)果的一致性約為10%?？梢钥闯?，絕緣測(cè)試儀大大提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的一致性，滿足實(shí)際使用要求。

6 結(jié) 論

本論文根據(jù)聲吶換能器在絕緣測(cè)試中遇到的實(shí)際困難和問題，設(shè)計(jì)了一款能夠快速對(duì)聲吶換能器絕緣性能進(jìn)行測(cè)試的設(shè)備，在保證測(cè)試的安全性和精確性的同時(shí)大大提高了測(cè)試效率，提高了裝備保障效率。