基于ARM平臺的聲吶換能器絕緣自動測試儀

席 偉

(91114部隊，上海 200434)

0 引 言

聲吶換能器是聲吶裝備的核心部件之一[1]，需要進行定期檢查和維護。絕緣電阻值是換能器非常重要的指標，也是聲吶濕端修理和保障工作的重要的指標依據[2-3]，需要進行定期測試。傳統的換能器絕緣測試是采用數字絕緣表或者搖表進行。目前采用傳統的普通絕緣表、搖表或電容表進行測試時存在以下幾個問題：(1) 工作效率低；每次只能對一路進行測量，隨著聲吶裝備的發展，聲吶基陣越來越大、換能器數量越來越多，幾十個甚至上百個陣元的聲吶越來越常見，對換能器全面檢查一次共需測量幾百次，完成一次測量需要30 min 甚至更長時間。(2) 測量時有一定危險性?；嚬ぷ麟妷捍蟛糠譃楦唠妷?，幾百伏、上千伏或者更高，測量電纜芯線之間間距較小，在遇到需要大量絕緣測量的情況時，稍不小心，測量人員就容易被高壓電擊，雖然電流不大，但測量時仍然需要非常小心。(3) 測量精度不高，讀數標準不統一。由于被測絕緣值隨著測量時間的變化而變化，然后逐漸穩定，傳統的絕緣測試通常憑著經驗進行絕緣值讀取，沒有統一的讀取標準。這種方法對于遠高于指標要求的換能器影響不大，不會影響其正常使用。但對于絕緣值處于指標邊緣的聲吶換能器來說，如果絕緣值讀取值偏差過大，將直接影響技術人員對該換能器真實工作狀態和性能的掌握，影響后續維修保障的方案和實施。

本測試儀采用電壓比較法和全橋法進行組合測試，利用ARM主控控制繼電器進行測量通道切換，同時控制高壓產生模塊產生直流高壓，通過漏電流采集后計算絕緣值，并記錄絕緣值與時間變化的曲線，全程全自動化測量。

1 絕緣測試方法

當前絕緣電阻測試主要原理是“加高壓、測漏流”[4]。實現方法有串聯法、并聯法、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量精度較高，本文采用電壓比較法和全橋法進行組合測試，原理如1圖所示。

圖1 測量電橋原理框圖Fig.1 Schematic diagram of measuring bridge

2 測試儀組成

ARM是應用非常廣泛的嵌入式平臺，非常適合做為小型便攜式設備的主控芯片[9-10]。電路以ARM為核心，通過各功能鍵控制各電路部分工作，實現以下功能：(1) 產生三種測試高壓并實現測試高壓輸出的選擇切換；(2) 將測試數據由模擬量轉換成數字量(BCD碼)，由ARM進行量程判斷，控制電子開關自動實現量程轉換。測量結果在液晶顯示器上顯示，同時以串行方式將測量數據和控制信號發送給遠端上位機；(3) 可預設報警值和測量時間；(4) ARM讀取的BCD碼與存儲的報警值進行比較，小于報警值則報警。測量原理如圖2所示。

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

由圖2可知，測量高壓由高壓發生器產生，由鍵盤輸入選擇高電壓，微控制器(ARM)控制高壓選擇開關，接通需要的高壓，高壓加入測試電橋，由測試橋取出電壓，信號調理電路對其電壓進行變換成Ux。Ux分成兩路：一路送到量程判斷電路，當超量程時，量程轉換控制電路切換量程，同時將對應量程送給ARM，另一個量程送給A/D轉換電路，經A/D轉換成數字量后，送ARM作相應處理產生絕緣電阻值；送液晶顯示，同時該值與設定的報警值比較，如果絕緣電阻數據小于設定的報警值時，則顯示“不正?！?。通過配置好的選通電路自動切換測量通路，從而實現測量通道的自動化。如果需要遠程傳送數據，通過RS232或RS485傳送到上位機，并把上位機設定的值傳回給測試儀。

3 硬件設計

(1) 高壓產生電路

高壓發生器是絕緣電阻測試儀的關鍵部分之一。不僅需要產生100、500、1 000V直流(DC)高壓，而且輸出需要穩定和保護。原理框圖見圖3所示。調制控制器(PWM)輸出一定頻率的脈沖信號去驅動功率變換單元，把低壓的直流輸入變成高壓的交流輸出。這種高壓交流信號經過倍壓電路，根據需要變換為不同量程的直流高壓，經過低通濾波器輸出。取樣電路單元是保證輸出高壓穩壓的重要環節，它利用脈沖寬度調節器內部的誤差比較電路，將從輸出端取樣信號與預先設計的參考輸出高壓進行比較，當輸出高壓變化時，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。過載保護包括過流保護和過壓保護，以保護電路在外部發生或內部發生故障時，高壓發生器不被徹底損壞，提高本測試儀的可靠性。

圖3 高壓產生電路原理框圖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。它由一個獨立的死區時間比較器、兩個誤差放大器、脈寬調制比較器(PWM)、振蕩器、基準參考源、輸出方式控制以及功率驅動組成。其特點：(1) 輸出調整速度快；被測對象阻值變化較大，要保持輸出電壓值穩定。(2) 輸入動態范圍大，輸入直流電壓為7～40 V，滿足電池供電時電壓變化范圍大的情況。(3) 具有輸出保護功能，被測對象既有絕緣電阻值大的情況也有可能處在短路的情況，特別短路情況發生時，能迅速保護，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電路組成。功率變換電路主要由功率開關器件Q1、Q2及高頻變壓器T組成。Q1、Q2接收由脈寬調制器來的脈沖驅動信號，Q1、Q2交替導通，導通時間由脈寬調制的輸出脈沖決定。在變壓器T次級上得到平均電壓U0：

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

式中：Np、Ns分別為初、次級繞組匝數，D為脈沖寬度控制信號的占空比，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，磁芯結構，采用磁罐形式，同時為了減少對外部電路的干擾，采用一個屏蔽殼套住并與地面相聯。在變壓器制作過程中，選擇壓敏高壓絕緣膜膠帶作為次級層間和初次級間的絕緣材料，效果良好。

功率開關管的質量好壞決定本高壓產生器的可靠性等性能，它的選取原則是：開關管最大允許電流Iom大于滿載時峰值電流Ip，最大承受電壓BVceo大于集電極反向電壓Vcer，電流放大系數β=Ip/Io，(Io為脈寬調制器輸出驅動電流)，開關管導通時間ton和截止時間toff之和等于0.2/f。為了加強電路的可靠性，采用冗余設計，選用與驅動電流大小無關的美國ONSEMI公司的PowerVMOS器件MTP10N10，它的最大負載電流為10 A，耐壓為100 V， 開關時間ton+toff＞120ns。

為減少高壓發生器對外部環境的干擾，同時對功率開關管進行保護，電路中電阻和二極管并聯后串聯一個電容接地，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輸出電壓經過二級和四級倍壓整流電路，分別輸出500 V和1 000 V電壓。Rd是對高壓輸出的電壓取樣元件，利用TL494脈沖寬度調制器內部的誤差放大器和外部參考源完成對穩定輸出的控制。穩定輸出的高壓值大小，可以通過變阻器P調節。當輸出高壓由于某種原因升高時，通過Rd取樣送入誤差放大器1正向端，將這個誤差信號放大后送到脈寬調制器的比較器。這個比較器將控制其輸出驅動脈沖變窄，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

過流保護電路主要由功率開關管源級取樣電阻R0和脈寬調制器內的誤差放大器2組成，見圖4所示。誤差放大器2的反向端設定保護值大小，當電流過大時，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制器比較器的控制端，它使脈寬調制比較器無輸出，這樣在驅動管的發射極輸出低電平，功率開關同時截止，無高壓輸出，達到保護目的。過壓保護電路由高壓輸出端的電壓檢測電阻Rd和誤差放大器1構成，在原理上與過流保護相同。

(2) 量程轉換電路

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

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

當選擇不同的高壓來進行測量絕緣電阻時，主控制器通過I/O1和I/O2兩根邏輯控制線控制電子開關IC1接通不同的電阻，使Ur電壓值始終落在A/D轉換電壓范圍內。

被測絕緣電阻的量程轉換也是通過數字電位器切換實現，它可以有64～256個不等的檔位，本測試儀選用128個檔位，數字電位器與擋位量程的關系如表1所示，和主控制器通過相聯接。在每個量程內，又分成多個檔位，是為了有更好的線性度和精度。調整數字電位器的檔位，使Ud總能落到一個A/D轉換的最佳的電壓范圍，以便保證有良好的準確度。

表1 數字電位器檔位對應量程轉換Table 1 Range conversion of digital potentiometer

(3) A/D轉換電路

A/D轉換電路擔負著將采樣電壓的模擬信號轉換成數字信息的任務。它由雙斜積分式A/D及外圍電容、電阻組成。它對輸入的采樣電壓Ux、參考電壓Ur的模擬信號先后進行兩次積分，從而將模擬量轉化成數字量。該數字量由ARM讀取后進行處理。

(4) 量程判斷

ARM根據從ICL7135讀取的數據，判斷出是超量程或是欠量程，進而由ARM輸出的量程轉換控制信號，自動切換到不同的量程。量程轉換控制信號加到電子開關端，改變對應的采樣電阻值。

(5) 設定報警值和報警

通過鍵盤將報警電阻值存儲到存儲器24C01中，ARM將測量得到的絕緣阻值與存儲的設定值進行比較，若小于設定值則發出聲(連續的嘟嘟聲)、光(連續閃爍)報警，顯示阻值并給出“不合格”提示。同時將測量時間和本次測量值存儲，以備以后調閱。

(6) 遠程通信

設置遠程通信的功能的目的是為了與上位機進行數據交換。上位機將報警電阻值、測量使用的高壓值、何時測量三個參數傳給測試儀，這三個參數組成一次測量設定，測試儀可以存儲32次測量設定值，測量設定值按時間組成測量序列。測試儀根據測量序列，到時間后以自動方式或詢問方式進行測量或跳過本次測量。當上位機需要測試儀的測量結果時，測試儀通過通信接口將存儲的測量結果傳給上位機?？梢灾付ㄉ蟼髂炒螠y量結果，也可以指定上傳多次測量結果。

4 軟件流程框圖

測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、信號采集、結果分析和判斷、存儲管理、時間設定、鍵盤處理、顯示和報警以及上位機通信模塊。

圖7 測試程序組成框圖Fig.7 Composition bock diagram of the test program

測量電阻軟件流程框圖如圖8所示。初始化后進行測試電壓選擇，并確認量程是否合適。如果量程在允許范圍內，進行測量電壓讀取，結果如果超出量程，則進行測量電阻切換，完成區間調整后，利用程序計算絕緣電阻，并進行存儲和顯示。完成該次測量后檢查是否全部檢測完成，是否需要切換檢測通道。沒有完成則切換通道后繼續進行測試，直到全部測試完成。

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

5 試驗結果

對該絕緣測試儀進行試驗驗證，驗證工作分為兩組，一組為精度試驗，另一組為速度和一致性試驗。精度試驗對象為經計量的兆歐表標準電阻箱，分別進行100、500和1 000 V三個檔位，阻值分別為1、10、100和1 000 MΩ。表2為采用絕緣測試儀對標準電阻箱測試的結果，其中100 V檔的測試精度最高，測量結果與標稱值最小誤差為0.5%，1 000 V檔測試精度相對最低，最大誤差為6.7%。

表2 標準電阻箱測試的結果Table 2 The result of standard resistance box test

速度試驗對象為48路的換能器基陣，測試電壓1 000 V，連續循環測試10次。考慮到發射信號脈沖寬度最大為512 ms，將每次測量的記錄時間放寬為1 s。共耗時948 s，即完成1次48路的測量時間約為95 s，測量結果一致性最大為0.21%。如果采用傳統人工手動切換的方式并完成記錄，測試完成1次48路的測量時間約為30 min，測試結果的一致性約為10%?？梢钥闯觯^緣測試儀大大提高了測試效率和測試結果的一致性，滿足實際使用要求。

6 結 論

本論文根據聲吶換能器在絕緣測試中遇到的實際困難和問題，設計了一款能夠快速對聲吶換能器絕緣性能進行測試的設備，在保證測試的安全性和精確性的同時大大提高了測試效率，提高了裝備保障效率。