基于STM32的41路數字式絕緣電阻測試設備

洪明

（河北翼凌機械制造總廠，河北石家莊，050000）

0 引言

由于溫度、濕度、霉菌等環境因素的影響，導致電氣設備線纜絕緣電阻減小、絕緣性能的下降，這將直接威脅電氣設備的安全運行。本文針對某型號特種車輛的控制線纜檢測設計，并進行通用化改進，為保證安全性和可靠性，要求對電氣設備線纜絕緣電阻進行準確、快速的多路巡回檢測。考慮到儀器所處的惡劣工作環境以及對儀器可靠性的要求，選用基于32 位ΜCU 的數字式絕緣電阻測試設備設計方案。相比于傳統的人工單獨檢測，很大程度上提高了檢測人員的檢測效率，減少錯減、漏檢情況的發生，提高檢測準確度。

1 設計思路

設計參考電氣絕緣電阻測試規范與標準，結合實際工作需求，確定設備的基本指標，為測試電壓為500V，測試電阻范圍為0 ～20ΜΩ，測試方法為電阻分壓后A/DC 采集計算的方法。絕緣電阻測試設備采用32 位ΜCU 主控板作為控制核心，主要由鋰電池供電電路、DC-DC 隔離電源電路、輸入/輸出通道控制電路、輸出保護電路、A/D 轉換電路和LCD 顯示電路等幾部分組成。

系統結構工作原理如圖1 所示，12V 鋰電池組為系統供電，2 個隔離DC-DC 電源分別為控制部分和500V 測試電路供電，STΜ32 主控板在核心位置，起程序控制采集處理功能，A/DC 轉換電路采集測試信號，輸入/輸出電路使用光繼電器控制500V 測試電壓的通路切換，輸出匹配電路進行接口保護，顯示電路進行人機界面交互。

圖1 系統結構工作原理

2 系統設計

■2.1 機械結構設計

在系統設計時，采用由外至內的設計流程，先根據預期的使用效果，進行設計外觀結構，該設備采用防護等級為IP67 級的儀器級安全防護箱為設備載體，在選定儀器防護箱的外部尺寸后，根據內部尺寸進行設備內部模塊的尺寸結構設計，使用SOLIDWORKS 軟件繪制3D 結構圖，按實際產品尺寸規劃設備內部板卡模塊尺寸和安裝結構，并設計優化外觀，方便操作者使用和進行人機交互。

該設計采用框架結構，便于安裝，可將整個設備嵌入至防護箱體內，提升牢固性，上下兩側留有整塊鋁板，用以整體加固和發熱板卡的固定和散熱，提升整體的可靠性，在安裝時防護箱體內部粘敷銅箔，以提升設備的EΜI 性能。

圖2 設備機械結構設計

設備上多路測試接口可以連接不同的測試線纜，用以不同目標的測試，可以實現41 路以內不同類型線纜的測試，在測試時檢修故障的線纜，或者只測試少數線纜，可以使用通用測試接口連接線纜進行單獨測試，提高了設備的通用性。

設備上采用工業級7 寸LCD 液晶屏，在界面操作功能選擇數據瀏覽上有很明顯的優勢，工作溫度為-20°C ～60°C，內部芯片皆為工業級，接口按鍵選擇防水型號，接縫殼體使用硅膠進行加固和防水，使設備在環境適應性上有很大優勢。

■2.2 主控芯片選擇

主控芯片發揮的作用是接收來自按鍵或串口顯示屏發送的指令，處理指令，并給IO 擴展模塊74HC595 送去控制信號，控制測試電壓通路的切換，進行測試，并接收A/DC 轉換模塊ADS1115從電壓通路采集到的電壓值，進行計算處理，將數據發送給串口顯示屏，交由串口顯示屏進行顯示。根據設計采用串口顯示屏，在接口使用上有了大幅度的減少，對比市面上各類單片機，最終主控芯片選擇了STΜ32C8T6。

該主控芯片為ST 公司的STΜ32C8T6 單片機，該芯片小巧精致功能強大，此芯片為Cortex-Μ3 基礎型ΜCU，CPU 主頻高達72 ΜHz，其FLASH 大小為64KB，RAΜ 大小為20KB，封裝方式采用LQFP48，通用I/O 口個數為37，工作電壓為2 ～3.6V，16 位定時器個數4 個，電機控制定時器個數1 個，CAN 個數1 個。它的編程語言為C 語言，使用Keil 軟件進行編寫。

■2.3 采集控制電路仿真與設計

測試設備的工作電壓較高，全套通路控制量較大，初期驗證階段如果使用實物測試的話，成本高、時間長、效率低，所以選用軟件仿真加小系統測試的方法進行設計驗證。

軟件方面使用Μultisim 仿真軟件對采集電路進行仿真，使用該軟件模擬500V 電壓通路切換狀態和工作狀態，確定了分壓采樣電阻的阻值選擇，判斷保護電路是否正常，確定了0Ω 情況下系統電流是多大，已確定500V 電源模塊是否滿足設計需求，確定了0 ～20ΜΩ 全狀態情況下采樣電壓范圍，用以適配/DC 轉換模塊ADS1115 的采用范圍，如圖3 所示。

圖3 軟件仿真設計

軟件仿真畢竟只能證明設計理論上滿足要求，還需要硬件測試，使用Altium 軟件繪制電路原理圖并生成PCB 圖紙，制作5 路測試板卡，安裝升壓電源模塊500V XIPA，使用0 ～22ΜΩ 電阻，進行實機測試。通過電壓微調，分壓電阻微調，使測試板的測試結果達到了設計要求，為接下來全功能樣機提供了改進的參數指標，如圖4 所示。

圖4 測試硬件設計

■2.4 A/DC 轉換器設計

A/DC 轉換器是該設備中的采集電路，它的精度決定了此設備是否可準確的測試絕緣電阻，是否可以滿足工作需要和防止被測設備出安全隱患，ADS1115 是德州儀器推出的具有IIC 接口的16 位ADC 轉換器，超小型的VSSOP 封裝，低功耗（20uA），寬電壓輸入2.0 ～5.5V，可編程數據轉換速率8SPS ～860SPS，四個單端輸入或兩個差分輸入。可應用于電池電壓電流檢測，低速便攜式儀表以及溫度測量系統中。選擇此款芯片的指標是該儀器的測試范圍太寬，分壓到0 ～3.3V 的范圍內，在測試時20ΜΩ 的采集

電壓為75mV，19ΜΩ 的采集電壓為76mV，用STΜ32 內部的12bit A/DC模塊，該檢測設備的檢測分辨率不夠精確，另一個目的是它差分工作方式，通過此方式連接采樣點，就可以解決整個控制系統與500V 電源模塊之間的共地問題，使高低壓供電進行隔離，保障了系統安全，減少了干擾。

■2.5 人機交互設計

在測試和查看測試結果時，一塊能與單片機交互的屏幕顯得尤為重要，相較于傳統的SPI，IIC通信的0.96寸OLED 還是管腳較多的TFT 屏幕，串口屏綜合了以上屏幕的特點，即尺寸大、管腳少，能夠充分減少占用單片機的I/O 資源，且支持觸摸。串口屏可作為輸出設備（顯示）以及輸入設備（按鍵），開發難度小，操作簡單，軟件要求低且擁有專門的上位機輔助開發。

該設備選用7 寸串口屏，共有4 根線分別是5V、TX、RX、GND.當串口屏與單片機stm32f103c8t6 通訊時，我們要軟件配置使用串口從而決定硬件連接。

使用USART1 接口

RX—PA9，TX—PA10

根據項目的需求去設計對應的界面，以達到我們預期的效果。我們使用官方給出的上位機USART HΜI 軟件去設計界面。

在測試程序中首頁添加了5 個按鈕控件4 個文本控件和1 個輸入控件。文本控件顯示我們本次工程的名稱，而觸屏和按鍵都可控制我們的模式選擇。所以再添加4 個子頁面（通用模式，多路測試模式，最后一次測試結果顯示模式）通過主頁面的按鍵來切換頁面。所以在主頁面下分別點擊對應按鈕控件，下方會出現事件界面，通常在彈起事件中做操作，可以達到一個防誤觸的效果，如圖5 所示。

圖5 人機界面設計

■2.6 系統流程設計

主控模塊、顯示屏等模塊如果是人類的大腦和四肢，系統程序也可以理解為人類的神經，四肢再發達頭腦再清晰，神經連接處理流程不對，人動作起來也會不協調。規劃好系統運行的流程，搭建好程序框架就非常重要。該系統主控程序設計，是以實際業務操作流程為依據，適應各個模塊的工作特點，遵照各模塊之間的通信協議而設計的，如圖6 所示。

圖6 系統流程

2.6.1 初始化流程

系統上電后，單片機看門狗開始工作，統時鐘和各接口系進行初始化和用戶配置，通信接口收發應答數據，電壓、溫度等參數進行檢測，在所有檢測正常后，進入系統界面，如果故障，則斷開500V 電源模塊供電，系統復位。

2.6.2 人機交互及功能選擇流程

LCD 顯示屏上顯示當前的電量、溫度等系統狀態，并提供5 個功能選項的選擇操作，多路測試中公共點與任意線使用一個測試界面，自動校準程序自動進行，不需要界面，幫助可顯示軟件版本及幫助信息，相較于傳統STΜ32 OS 做UI 設計，串口屏設計時信息顯示更方便和多樣化，在功能選擇及按鍵界面處理等事件交由串口屏進行處理，使STΜ32 的事件處理得到簡化。

2.6.3 測試算法流程

測試算法主要是根據選擇的功能，進行不同的控制處理，通用測試模式開通2 組固態繼電器中的輸出和采集通路，進行單測試點檢測；多路測試公共點模式開通41 組固態繼電器中的2 組輸出和采集通路，并進行順序累加操作，進行40 線對公共線的檢測；多路測試任意線模式開通41 組固態繼電器中的2 組輸出和采集通路，并進行所有順序循環操作，進行41 線任意兩線對應的全部檢測。

2.6.4 通道控制流程

每一路測試線都是由輸入和采集構成，這樣該測試點就需要2 個固態繼電器組成，在整個系統的測試點為1 路+41路+2 路（校準），就需要88 個繼電器，在以往的設計時，使用單片機一個IO 對應一個固態繼電器進行控制，但這樣單片機IO 數就會很多，制作成本高，線路繁瑣，現改進為使用IO 擴展模塊74HC595，通過STΜ32 中編寫通道控制的代碼，規劃擴展IO 的引腳狀態，使用數組和INT 類型變量重新定義BOOL 類型的IO，從而使軟件編寫優化，算法操作簡單，系統硬件走線簡潔，可靠性提升。

2.6.5 數據采集流程

A/DC 采集模塊ADS1115 在系統中主要流程是芯片初始化，配置接口，設置增益，在通道控制相關固態繼電器通路切換成功后，采集電壓并返回采集的電壓值。

2.6.6 數據顯示故障告警流程

由于線纜測試配比太多，所以在測試時程序會根據操作者設定的告警阻值，進行判斷，發現阻值超標的故障測試點，該設備會立刻停止檢測，并使用屏幕文字提示和蜂鳴器告警聲提示，這樣可以減少故障線纜配比的告警數量，使操作者更容易排查故障點。

2.6.7 返回和存儲數據流程

在測試完成后，液晶屏上會根據所選功能顯示測試結果，通用測試會顯示一個測試點的電阻值，多路測試會顯示41 根線的列表，每一根線的阻值狀態，根據程序設定可以選擇顯示阻值，也可以顯示該線的狀態，如大于5ΜΩ 可以顯示良好，大于1ΜΩ 小于5ΜΩ 可以顯示堪用（一般），小于1ΜΩ 顯示故障；按返回按鍵可以保存41 根線的列表的測試狀態，并回到功能選擇界面；在功能選擇界面選擇測試記錄，可以查看最后一次保存的41 根線列表的測試狀態。

2.6.8 自動校準功能

隨著設備老化元器件性能下降，外界自然環境如溫度濕度變化，設備檢測精度會變化，所以設備的自我校準功能十分重要，該設備在設計通路時多設計3 路，一路使用0Ω 連接，用以標定短路時的參數，一路使用1ΜΩ 連接，用以標定線纜堪用時的參數，一路使用20ΜΩ 連接，用以標定線纜最好情況時的參數，這些電阻使用低溫漂精密電阻并使用LCR 表進行篩選。保證設備的標準參數，每次校準是都將參數存入程序，用以進行線纜結果判斷。

2.6.9 中斷功能

降低功耗提升系統穩定性是通過中斷的方式實現的，在按鍵掃描、人機交互時數據的收發等通過程序中斷來處理，完成中斷處理后，系統進入低功耗狀態，本設備所用的中斷程序有測量、電壓檢測、通信、拆除等中斷。

3 總結

在設計制作41 路數字式絕緣電阻測試設備的過程中，通過查閱有關于單片機、組態屏、絕緣電阻檢測、A/DC 檢測等模塊的相關專業資料，深入了解傳統搖表（絕緣電阻檢測表）的工作原理，對方案主體有了一定的認識，驗證階段輔以現行先進的軟件仿真，對想到的控制和測試電路進行仿真調試，獲得關鍵參數；通過3D 制作軟件，對預期最終效果進行設計預覽，就可以根據效果進行元器件選型、安裝位置、電路板外形尺寸、操作方式進行優化，可以使實際操作更方便。

通過LCD 液晶屏的設計，優化了人機交互，提升了使用感受；在多次調整樣機時發現參數的細微變換，每次都通過軟件手動改標定值，所以決定加入自動校準功能。在查閱資料過程中，學習如何正確獲取和正確使用資料是至關重要的一環，通過本次設計，對多款軟件的使用對多硬件系統融合開發將是所學知識用于實處的一次難得的機會。

本次設計通過軟件與硬件相互使用證明設計是否符合目標要求，項目使用先外觀再內部的設計，軟硬件并行開發，控制模塊的選型，專業的開發軟件使開發效率得到提升，并最大程度上考慮了安全性、環境適應性和電磁兼容性。

此設備可以滿足41 線以內線纜的絕緣電阻測試，通過測試線纜的替換可以適配多種測試目標，單獨引出的兩線測試接口，可以滿足日常檢測和維修，該儀器通用性和實用性強，使用方便，測試速度快，此設備的設計制作，在工作上提升了檢修效率，提高了檢測準確度，并可以廣泛適應于多種檢測環境，可作為現場維護保障，設備維修的重要補充手段。