基于Cortex-M4的安规测试仪的设计与实现

黎山峰 ，杨 雷 ，孙建军

（1.东莞理工学院 电子工程学院，东莞 523808；2.华南理工大学 电子与信息学院，广州 510641）

安规测试仪主要应用于工业生产中测量导体材料与外界的绝缘电阻和漏电流指标，是导线、连接器等器件生产过程中必不可少的测量仪器[1-2]。目前市场上所见的安规测试仪采用GB4706标准，使用较多的是台式的单项指标测试仪器，且只有落后的GPIB接口，只能简单地内部互联，如果需要与自动化设备联接测试或进行远程控制和远程查看生产测试数据时，需要配置专用的转接卡甚至使用计算机进行采集转换再通过网络进行发布[3-4]。

现在具有联网功能的安规测试仪的需求日益突出[5]，文中提出了一种具有TCP/IP通讯协议的交直流安规测试仪设计方法，通过程控电路产生DC和AC高压对线材的绝缘阻抗及漏电流进行测量[6-8]，以检测产品在实际工作状态下的电气安全性能，并通过网络进行用户数据传输，实现自动化测试和远程监控的目的。

1 方案设计

1.1 测量原理

安规测试仪的核心功能是利用DC高压测量绝缘阻抗和利用AC高压测量漏电流。由欧姆定律可知电阻与电压、电流的关系为

如图1所示，已知高压VH的电压值，R1和R2为已知阻值的精密电阻，根据欧姆定律，可得：

图1 高压信号采样原理图Fig.1 Sampling principle diagram of high voltage signal

因此想要测量绝缘阻抗Rz的值，只要通过ADC测得Vadc的电压值即可。漏电流的测量方法也类似，只是DC高压改为AC高压，数据运算处理上有所不同。图1中，绝缘阻抗RZ与采样电阻R2为串联关系，因此Vadc除以R2得到的电流值即为流过RZ的漏电流。

1.2 系统方案

本文研究的安规测试仪具有测量绝缘阻抗、漏电流和TCP/IP网络互联功能。根据系统功能定义，需要设计一个0～1500 V的DC高压发生电路以测量1 MΩ～1000 MΩ的绝缘阻抗参数，要求分辨率为1 MΩ，精度为3%，还需设计一个0～1000 V（频率为50 Hz）的AC高压发生电路以测量 0.01 mA～2 mA的漏电流参数，要求分辨率为0.01 mA，精度3%。系统主要由以下几个模块组成：程控信号源模块、高压产生模块、信号采集调理模块、联网模块和控制模块，其中STM32F407IG为系统控制和数据处理核心，安规测试仪的整体方案组成如图2所示。

图2 系统结构框图Fig.2 Block diagram of the system

2 硬件设计

STM32F407IG是基于工作频率高达168 MHz的高性能ARM Cortex-M4 32位RISC内核的嵌入式处理器[9]，其内部集成了高速嵌入式Flash存储器和SRAM，内置了3个12位ADC、2个12位DAC和2个通用32位定时器等。安规测试仪以STM32F407IG为控制核心，通过内部DAC模块和外围高精度DAC芯片获得程控信号源，然后由后级信号放大电路、DC/AC逆变模块XAD001SR-3实现高压发生电路，多路模拟信号采集则采用ADC芯片MAX1270。STM32F407IG内部集成了高性能以太网MAC模块，外部仅需一个PHY芯片DP83848C即可实现符合 IEEE 802.3-2002标准的10 M/100 M以太网接入。DP83848C是美国国家半导体公司推出的低功耗高性能以太网PHY芯片，其提供RMII接口与处理器连接，对外则采用标准RJ45网络接口，支持平行交叉网线自适应。图3是系统硬件组成框图。

图3 硬件框图Fig.3 Block diagram of hardware

2.1 高压发生电路设计

图4为系统的高压发生电路部分原理图。安规测试仪要求电路产生0～1500 V的DC高压以测量1 MΩ～1000 MΩ的绝缘阻抗参数，而漏电流测量则需要一个0～1000 V（频率为50 Hz）的AC高压。程控DC高压发生电路主要由信号源和升压电路组成，以12位乘法DAC芯片AD5452编程输出可调电压信号，AD5452的基准电压由REF195提供一个较为精准的5 V电压，只要向AD5452输入相应的数据，即可实现0～5 V的可控直流电压输出。前端产生的0～5 V直流电压通过OP07运放和三极管组成的功率放大电路后，为TDK逆变器模块XAD001SR-3供电。XAD001SR-3是一个开关频率为400 kHz的DC/AC逆变器模块，工作电压范围为DC0.7～5 V，该逆变器输出的交流电压峰值约为工作电压的180倍，文中正是通过这个关系实现输出高压的调控，后端电路通过半波整流或者倍压整流两种方式，使最终的输出电压为0～1500 V的可控DC高压。

图4 高压发生电路原理图Fig.4 Circuit principle diagram of high voltage generating

实现程控AC高压的方法是采用STM32F407IG内部的12位DAC产生一个固定幅度的50 Hz正弦波信号，将该正弦波信号作为12位乘法DAC芯片AD5452的参考电压，再利用AD5452对正弦波信号进行幅度调控。获得幅度可控的正弦波信号后需进行信号缓冲处理，然后控制三极管推挽电路驱动工频变压器进行电压放大以获得0～1000 V频率为50 Hz的AC高压。

2.2 信号采集调理电路设计

根据系统的测量原理，采用分压电路和模数转换技术对高压进行测量，电路中的分压电阻采用2个 0.1%精度的 5.1 MΩ 精密电阻串联得到 10.2 MΩ分压电阻，采样电阻则采用0.1%精度的30 kΩ精密电阻。采样电阻上得到的采样电压需要经过滤波和放大调理后方可送到ADC芯片进行采集。文中选用MAX1270作为模拟信号采集芯片，MAX1270是MAXIM公司推出的一款多量程、12位逐次逼近式模数转换器，该芯片具有8个高速信号采集通道，最大非线性误差仅为0.5 LSB，且有4种软件可选输入信号范围[10]。STM32F407IG通过SPI接口与MAX1270进行通信，采集到数据后，STM32F407IG先对数据进行软件数字滤波处理获得测量结果，然后将测量结果与系统设定值对比，最后通过比较结果对系统前端的程控信号源进行跟踪控制，实现了系统的闭环控制，使得系统的精度和稳定性都有较大的提高。

3 系统软件设计

安规测试仪所有外围器件都由STM32F407IG主控芯片通过软件完成控制，系统上电时主控芯片程序启动，首先完成内外部所有设备的初始化，特别是对电路继电器的状态进行初始化设置，然后使用ARP协议对局域网内的主机进行检测，当有返回该ARP请求时就确认服务器主机与设备同在局域网内，此时即可进行网络通信。在启动测试时，STM32F407IG通过程序控制内部DAC和AD5452产生源信号，经过信号放大调理后由12位分辨率ADC芯片MAX1270完成多通道模拟电压采集，最后经过数据处理得到测量结果。图5为系统运行流程图。

4 系统测试与分析

为了便于测试，实验采用ZX68C型高阻箱设定一个电阻值模拟绝缘阻抗和漏电流测试，同时通过美国KIDDE FENWA型号149-10A高压表实时测量高压电路输出的电压值。

4.1 绝缘阻抗测量分析

图5 程序流程图Fig.5 Flow chart of program

实验利用高阻箱得到实际阻值为6.32 MΩ的电阻进行模拟绝缘阻抗测量，通过改变测量DC电压值记录测得的绝缘阻抗数据如表1所示，从测量结果来看，系统的测量误差在高压和低压范围段都相对高一点，误差最小出现在中段位置，这是由于系统放大电路的非线性、电路噪声干扰和电路阻抗等因素引起的，但电路整体的测量指标仍然优于3%精度要求。

表1 绝缘阻抗实验测量数据Tab.1 Experimental measurement data of insulation resistance

4.2 漏电流测量分析

实验利用高阻箱得到实际阻值为310 kΩ的电阻进行模拟漏电流测量，通过改变测量AC电压值记录测得的漏电流数据如表2所示，从测量结果来看，测量误差较小，结果明显优于系统设计要求，在进行高压测量时精度相对更高。

表2 漏电流实验测量数据Tab.2 Experimental measurement data of Leakage current

5 结语

该文系统地介绍了一种安规测试仪软硬件设计方法，并详细论述了其部分关键模块的具体实现原理。通过高压表和高阻箱的计量校验，该安规测试仪实现了精度为3%的1 MΩ～1000 MΩ绝缘阻抗和0.01 mA～2 mA漏电流 2个主要安规参数的测量，同时具备了网络互联功能，可把测量数据实时地上传到服务器中，便于生产的实时远程控制、远程监测和远程查看。实验测试和实际应用表明，该仪器工作稳定可靠，测量准确度高，满足设计要求。当然系统的人机界面不够友善，在可操作性方面还有待改善。

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