光電隔離SPI接口沖擊分壓器

孫 丞

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

光電隔離SPI接口沖擊分壓器

孫 丞

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

沖擊電壓試驗是電氣設(shè)備尤其是電力設(shè)備必不可少的絕緣試驗項目，沖擊電壓的測量方法有很多，沖擊分壓器是其中比較常見的一種。沖擊分壓器是否可靠關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與正常工作。同時，沖擊分壓器也在電機(jī)定子電氣性能檢驗中有所應(yīng)用，用于電機(jī)定子匝間絕緣項目的沖擊電壓峰值和波前時間的測量。本設(shè)計根據(jù)需要選定符合標(biāo)準(zhǔn)且具有經(jīng)濟(jì)性的數(shù)字電位器和光耦元件，設(shè)計出具有光電隔離SPI接口的沖擊分壓器。

沖擊分壓器 SPI STM32F103VET6 電路板設(shè)計

隨著對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行重視程度的日益提高，我國越來越重視沖擊電壓分壓器的研究、設(shè)計和檢測。隨著電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沖擊分壓器校準(zhǔn)規(guī)范》的頒布，關(guān)于沖擊分壓器諸如適用范圍、測量誤差分析及校準(zhǔn)條件解讀等內(nèi)容也給出了明確的規(guī)范[1]，從一個側(cè)面提高了我國沖擊分壓器設(shè)計的規(guī)范性和安全性。鄔昌峰等設(shè)計制作了一種電阻分壓器。這種新型分壓器使用CuSO4溶液，含有兩級脈沖，CuSO4溶液作為第1級的高壓臂，外屏蔽罩使用了特殊的模式[2]。郭曉陽等根據(jù)試驗需要，研制了一種特殊的電阻分壓器，該分壓器基于無感玻璃釉電阻，在陶瓷管上涂抹了玻璃釉，具有較低的分布電感、功率容量大、可油侵及價格便宜等特點[3]。沖擊電壓產(chǎn)生的波形可以分為雷電沖擊型和通斷沖擊型，有著1.2～250.0μs的標(biāo)準(zhǔn)波前時間和50～2 500μs的波尾時間。一個雷電沖擊的間隔時間是1.67倍的波前時間，這個波形是在30%～90%最大值之間的一個通常波形[4]。波尾時間T2是當(dāng)電壓降到峰值一半時的時間與原始時間T0之間的間隔。波前時間和波尾時間的標(biāo)準(zhǔn)公差分別是20%和30%[4]。為了達(dá)到上述沖擊電壓的分壓標(biāo)準(zhǔn)，筆者采用具有經(jīng)濟(jì)性和實用性特點的器材，借助自主設(shè)計的電路板和ARM開發(fā)板STM32F103VET6完成沖擊變壓器的整體設(shè)計。采用光電隔離SPI接口進(jìn)行通信具有信息傳遞實時、準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)的特點。

1 硬件設(shè)計①

1.1 總體設(shè)計思路

由于本設(shè)計需要完成的目標(biāo)為對輸入的沖擊電壓進(jìn)行分壓處理，通過對數(shù)字電位器的電阻調(diào)整，從而改變低壓臂的輸出值，使輸出值穩(wěn)定在0.85～0.95V的區(qū)間內(nèi)，而數(shù)字電位器的控制則通過開發(fā)板STM32F103VET6以SPI接口的形式實現(xiàn)。系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

硬件系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能有：能夠?qū)Ω邏罕圯斎氲臎_擊電壓進(jìn)行分壓；能夠?qū)⒌蛪罕鄣碾妷褐嫡_輸出；能夠?qū)TM32開發(fā)板輸入的控制信號實現(xiàn)光電隔離，從而提高穩(wěn)定性。

1.2開發(fā)環(huán)境與元器件選擇

在進(jìn)行電路圖繪制和PCB板設(shè)計的過程中，采用了Altium Designer 10進(jìn)行開發(fā)。

1.2.1數(shù)字電位器

選擇使用了MCP41010芯片，其中存在一個SPI接口，這也是選擇該芯片的重要考慮因素之一。同時MCP41010完整的控制邏輯和滑刷電位器也能滿足本實驗的需求[5]。

1.2.2光耦元件

本試驗用到的是光耦的光電隔離作用。電子設(shè)備信號和電力傳輸線可經(jīng)受電壓浪涌、靜電放電、射頻傳輸誘導(dǎo)、開關(guān)脈沖(尖峰)和電源擾動。典型的光隔離器只能調(diào)節(jié)已發(fā)出輸出端的能量流[6]。

光隔離器的物理布局主要取決于所期望的隔離電壓。額定小于幾千伏裝置具有平面的(或夾層)結(jié)構(gòu)[7]。傳感器芯片被直接安裝在封裝的引線框架上(通常為六針或四腳雙列直插式封裝)并覆蓋有玻璃或透明塑料的片材[8]。為了盡量減少光的損失，傳感器的有用吸收光譜必須在LED上，這幾乎總是與在近紅外的輸出頻譜相匹配[9]。該光通道被制作的盡可能薄以達(dá)到期望的擊穿電壓。例如，額定為3.75kV電壓和1kV/μs的瞬變，清聚酰亞胺片的Avago的ASSR-300系列厚度只有0.08mm。

1.3繪制電路圖

為了達(dá)到在高壓臂輸入為2～5V的沖擊電壓條件下，能夠?qū)⒌蛪罕鄣妮敵隹刂圃?.85～0.95V范圍內(nèi)的要求，需要將數(shù)字電位器與STM32開發(fā)板連接，通過開發(fā)板的SPI接口傳輸控制信號，從而使得數(shù)字電位器的電阻值根據(jù)需要而改變，進(jìn)而完成分壓功能。為此，便產(chǎn)生了如圖2所示的電路繪制思路。

圖2 電路繪制思路

整個繪制過程通過Altium Designer 10來完成。由于Altium Designer的固件庫中并沒有整合到MCP41010這一款芯片，在MICROCHIP公司的官網(wǎng)新增固件庫中也沒有找到這款芯片，筆者根據(jù)MCP41010的管腳設(shè)定，在新建的Schlib文件中自行繪制了這一個元件。

由于STM32 ADC模塊的輸入上限為3.3V，為了保證STM32的安全性，高壓臂電阻選擇了10kΩ，光耦電路的電阻選擇中，根據(jù)輸入輸出特性，在發(fā)光二極管端和接收端分別采用了510Ω和2kΩ的電阻。各端口采用了Net Label的連接形式，使得同一個作用域的接口連接在一起。沒有采用Port的原因是一般在多文檔的系統(tǒng)中使用Port比較多，用于連接不同線路圖的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，一般用作global設(shè)定，控制多文檔的連接。Net Label則多用于本地的local作用域間端口的連接，這樣看起來較為清晰簡明。

2 軟件設(shè)計

利用STM32CubeMX工具建立程序設(shè)計的模型，并采用STM32CubeMX工具中的自動代碼生成工具將基礎(chǔ)程序生成為KEIL5.1工程，并在該工程上進(jìn)行代碼的修改和添加，從而編譯生成可執(zhí)行文件。

2.1STM32CubeMX工具

STM32CubeMX的重要特性包括引腳沖突的自動處理、時鐘樹的動態(tài)確認(rèn)、外圍設(shè)備的功能模式、參數(shù)限制的動態(tài)確認(rèn)和功率序列消耗的計算。由該軟件生成的C語言程序可以用于多種開發(fā)軟件(如IAR、Keil和GCC)，并且該軟件可以在多種系統(tǒng)平臺上操作，如Windows、Linux和OS X。

2.2程序設(shè)計流程

程序設(shè)計流程如圖3所示。在ADC數(shù)據(jù)處理過程中，由于筆者期望能夠?qū)㈦妷狠敵鲋嫡{(diào)整到0.85～0.95V的范圍內(nèi)，再加之?dāng)?shù)字電位器存在256個可調(diào)電阻值且初始值設(shè)定為最大電阻。那么新的SPI傳輸數(shù)據(jù)與舊SPI傳輸數(shù)據(jù)的比值應(yīng)當(dāng)與0.9和采樣電壓的比值相同，從而通過此關(guān)系來決定SPI新的傳輸數(shù)值。主要采用HAL_ADC_Start_DMA、HAL_SPI_Transmit_IT、HAL_UART_Transmit這3個函數(shù)對所需模塊進(jìn)行配置和初始化操作。

3 數(shù)據(jù)驗證

3.1實驗結(jié)果

3.1.1不固定SPI傳輸值的連續(xù)脈沖測試

通過信號發(fā)生器設(shè)置上升時間18ns，下降時間75ns，總寬度600ns，幅度在2～5V變化的連續(xù)脈沖。進(jìn)行串口輸出采集，希望將輸出電壓穩(wěn)定在0.85～0.95V之間。

圖3 程序設(shè)計流程

對于其中一部分連續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是一組隨機(jī)性較大的數(shù)據(jù)。因為輸入是無限連續(xù)的脈沖波，原本期待一個比較具有周期性的結(jié)果，可是由于電腦對串口數(shù)據(jù)的接收速度不穩(wěn)定且速度不高，再加上可能存在的ADC采樣誤差、SPI傳輸誤差等多種誤差，得到了如圖4的輸出結(jié)果。可以看到，輸出結(jié)果有多個點都處在高于0.95V的位置，而且總體分布偏高。

圖4 輸出電壓頻率分布

為了定性地分析輸出電壓的特征，對輸出電壓中連續(xù)10 000個采樣點的值進(jìn)行了頻率分布估計。如圖4所示，以0.92V和0.96V電壓為中心的采樣點出現(xiàn)頻率最高，所以這兩處的電壓值應(yīng)該分別為理論沖擊波形2V和5V時所轉(zhuǎn)換出的電壓。對于整個輸出成因的分析，將主要在之后的誤差分析中進(jìn)行。

3.1.2不固定SPI傳輸值的追加測試

將2～5V的單次脈沖輸入到高壓臂中，脈沖的相關(guān)參數(shù)為上升時間18ns，下降時間75ns，總寬度600ns。希望將輸出電壓控制在0.85～0.95V之間。得到的輸出電壓值如圖5所示。

圖5 單次脈沖時的輸出電壓

在不固定SPI傳輸值的情況下，可以看到單次脈沖輸出跟連續(xù)脈沖輸出一樣存在一定的誤差，而相比而言，較低頻率并且變化較為緩慢的正弦電壓的輸出結(jié)果則較為理想。

3.1.3固定SPI傳輸值的測試

為了進(jìn)一步對該沖擊分壓器的特性進(jìn)行分析，又進(jìn)行了多種波形以及多種方式的測試。首先將SPI接口的傳輸值固定為十六進(jìn)制的32，在高壓臂輸入0.0～3.3V的方波，通過ADC采樣低壓臂，并且將采樣值通過UART串口輸出至電腦端進(jìn)行觀察分析。

將SPI接口傳輸值固定為十六進(jìn)制的32時，數(shù)字電位器的電阻為1.95kΩ，此時低壓臂電壓理論值為0.000 0～0.538 5V，與實際值0.536 802V很接近。

3.2誤差分析

3.2.1ADC偏移誤差

在ADC轉(zhuǎn)換過程中，第一次轉(zhuǎn)換實際值與理想的轉(zhuǎn)換值有可能存在一定的偏差。ADC的數(shù)字輸出由0改為1的話，就意味著轉(zhuǎn)換的發(fā)生，所以理論情況下，當(dāng)模擬信號在0.5最低有效位到1.5最低有效位的范圍內(nèi)時，就應(yīng)該發(fā)生一次轉(zhuǎn)換。然而在實際情況下，對于STM32F103VET6，在參考電壓為3.3V的時候，最低有效位(LSB)的具體值為：3.3/4096=805.6μV。理論上當(dāng)模擬信號達(dá)到402.8μV的時候，數(shù)字信號應(yīng)該變成1。實際情況卻有可能比402.8μV大時，才會發(fā)生數(shù)模變換，這時便產(chǎn)生了正的偏移誤差。相反地，就會產(chǎn)生負(fù)向的偏移誤差。

對于本系統(tǒng)來說，一旦存在負(fù)向的偏移誤差，就會使得ADC的數(shù)字量輸出偏大，從而促使系統(tǒng)增大SPI傳輸值以增大低壓臂電阻，最終使得輸出電壓偏高。

3.2.2ADC增益誤差

在ADC轉(zhuǎn)換過程中，最后的數(shù)模轉(zhuǎn)換可能在理想值與實際值之間存在偏差。同樣對于STM32F103VET6，最后的數(shù)模轉(zhuǎn)換，即FFEh與FFFh之間的變化可能存在偏差。理想狀態(tài)下，在參考電壓減去0.5倍的最低有效位時會產(chǎn)生此變換，即對于參考電壓為3.3V的系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換應(yīng)該發(fā)生在3.299 597V時。如果在超過該值時才發(fā)生變換，則代表著一個正的增益誤差。

3.2.3步長誤差

在ADC轉(zhuǎn)換過程中，實際的步長寬度有時會與理想情況不同。對于STM32F103VET6來說，實際中模擬信號在最低有效位處的改變并不一定會導(dǎo)致數(shù)字結(jié)果的變化。數(shù)字信號的變化在模擬信號不等于1LSB時發(fā)生的話，就會存在步長誤差。對于本系統(tǒng)來說，如果存在負(fù)的步長誤差，則會使得隨著模擬信號的增加，數(shù)字輸出的結(jié)果相對理論值偏大，從而促使系統(tǒng)增大SPI傳輸值以增大低壓臂電阻，最終使得輸出電壓偏高。

4 結(jié)束語

該光電隔離SPI接口沖擊分壓器依照設(shè)計的連線進(jìn)行了電路板的焊接，同時通過波形發(fā)生器產(chǎn)生了所需檢測的沖擊波形，并通過UART串口的方式將試驗結(jié)果用電腦端顯示出來。結(jié)果表明該SPI接口沖擊分壓器輸出的結(jié)果符合要求，但是輸出結(jié)果相對偏高，隨后對產(chǎn)生該結(jié)果的原因進(jìn)行了分析，驗證了該分壓器的可行性以及現(xiàn)存缺陷。在未來的研究中，可以減小電源噪聲，把信號的最大值設(shè)置為ADC的參考電壓，在ADC采樣前采用外部前置放大器的方法。

[1] 包玉樹,陳威,王樂仁，等.沖擊電壓分壓器關(guān)鍵計量性能解析(上)[J].電測與儀表,2013,50(2):125～128.

[2] 鄔昌峰,蔣全興,何鵬，等.新型脈沖分壓器的分析與誤差補(bǔ)償[J].高壓電器,2008,44(2):168～171.

[3] 郭曉陽,張楠,程寶山.一種用于測量沖擊高電壓的電阻分壓器的設(shè)計[J].電子制作,2015,(18):1.

[4] Gómez S, Buitrago M P, Roldán F A. Portable High Voltage Impulse Generator Generador Portátil de Impulsos de Tensión[J]. Ingeniería E Investigación, 1985,(12):30～39.

[5] 金貴,馬顯光,鄧玲.數(shù)字電位器MCP41010在止鼾器中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(4):187～189.

[6] Hasse P. Overvoltage Protection of Low Voltage Systems[J]. Iee Review, 2000, 140(97):366.

[7] Christophe B. Dealing with Low-Current Optocouplers[J]. Energy Efficiency and Technology, 2009,(2):121.

[8] Forrest M. Mims Circuit Scrapbook[M].Oxford:Butterworth-HeinemannLtd,2000:71.

[9] Mataré H F. Light-Emitting Devices, Part II: Device Design and Applications [J]. Advances in Electronics & Electron Physics, 1978, 45:39～201.

SPIInterfaceImpulseVoltageDividerinPhotoelectricIsolation

SUN Cheng

(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

The impulse voltage test as an insulation test item is essential to electrical equipment, especially the power equipment. Of many ways for impulse voltage measurement, the impulse voltage divider is widely applied. Impulse voltage divider’s accurate operation affects the stable operation of power system greatly and can be applied to the testing of the motor stator’s electrical performance, i.e. the measurement of both impulse voltage peak and the time to crest of the motor stator’s turn-to-turn insulation. In the design, both economical digital potentiometer and optocouplers up to standards were selected to design a SPI interface voltage divider with photoelectric isolation.

impulse voltage divider,SPI, STM32F103VET6, circuit board design

TH89

A

1000-3932(2016)12-1310-04

2016-10-27(修改稿)