（控制科学与工程专业论文）电器安全测试装置的研制.pdf

武汉理工大学硕七学位论文 摘要 随着我国电器行业的持续高速发展，家用电器安全性能备受关注，加强电 器安全性能的出厂测试可以有效防止相关事故发生，也为我们自身安全和财产 安全提供有效保障。一套性能良好的电器安全测试仪器是评估电器安全性的有 效工具，所以研制一台功能齐全，性能良好，操作方便的电器安全测试设备有 很好的实用价值和广阔的市场前景。 本文从国内外电器安全测试行业的现状出发，分析当前市场上电器安全测 试仪器存在的局限性，根据电器安全测试方面的相关国家标准和国际标准，提 出电器安全测试仪的相关技术指标，设计出电器安全测试仪的总体构架。电器 安全测试仪分成上位机和下位机两部分，上位机采用基于s 3 c 2 4 4 0 的嵌入式平 台，下位机采用三个单片机分别完成接地电阻和绝缘电阻、耐压试验和泄漏电 流、低压启动试验和功率试验测试。 下位机采用模块化设计，针对各个模块要实现的功能，分别设计了实现各 测试功能的信号取样电路，信号采样电路，并编写了软件程序。在嵌入式平台 设计中，完成了触摸屏接口电路设计，串口和触摸屏驱动程序编写和w i n d o w sc e 系统下的应用软件的开发。 在耐压测试中，为了解决以往测试中电源模块0 - 5 k v 电压输出精度不高的 问题，本次课题中专门设计了程控电源模块，采用可编程逻辑门阵列控制产生 逆变器的输入p w m 信号，有效的解决了电压精度问题。 本文所设计的电器安全测试仪器功能完善，包含国家标准中电器电性能安 全的所有内容，样品经测试运行和相关部门检测，性能优于国家相关标准要求。 同时嵌入式平台的引入为后续软件升级带来很大的方便。 关键词：家用电器，安全测试，信号采集，嵌入式系统，程控电源 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sc h i n a ss u s t a i n e dr a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c si n d u s t r i e s ，s e c u r i t yo f h o u s e h o l da p p l i a n c e si sa l s oo fe o n c e r r l e n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo ff a c t o r y e l e c t r i c a la p p l i a n c es a f e t yt e s t i n gc a l ln o to n l ye f f e c t i v e l yp r e v e n tr e l a t e da c c i d e n t s ， b u ta l s op r o v i d ee f f e c t i v ep r o t e c t i o no fo u ro w ns e c u r i t ya n dp r o p e r t y a ne l e c t r i c a l a p p l i a n c es a f e t yt e s t i n ge q u i p m e n to fg o o dp e r f o r m a n c ei sa ne f f e c t i v et o o lf o r e l e c t r i c a ls a f e t ya s s e s s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n ga ne l e c t r i c a la p p l i a n c es a f e t yt e s t i n g e q u i p m e n tw h i c hi sf u l l yf u n c t i o n a l ，w i t h9 0 0 dp e r f o r m a n c ea n de a s i l yo p e r a t e d ， h a v eg o o dp r a c t i c a lv a l u ea n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t s t h i st h e s i se m b a r k sf r o mt h ed o m e s t i ca n df o r e i g ne l e c t r i ca p p l i a n c es a f e t y t e s t i n gp r o f e s s i o n sp r e s e n ts i t u a t i o n a n a l y z e st h el i m i t a t i o no fe l e c t r i ca p p l i a n c e s a f e t yt e s t i n ge q u i p m e n t m e a n w h i l ea c c o r d i n gt ot h er e l a t e ds t a n d a r d so fe l e c t r i c a p p l i a n c es a f e t yt e s t i n ga s p e c t sb o t hn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a l ，p r o p o s e st h ee l e c t r i c a p p l i a n c es a f e t yt e s t i n ge q u i p m e n tr e l a t e dt e c h n i c a li n d i c a t o r s ，a n dd e s i g n st h e o v e r a l la r c h i t e c t u r eo fe l e c t r i c a la p p l i a n c es a f e t yt e s t e r e l e c t r i c a ls a f e t yt e s t e ri s d i v i d e di n t ot w op a r t s ，p ca n dl o w e rm a c h i n e t h ep cu s e ss 3 c 2 4 4 0 b a s e d e m b e d d e d p l a t f o r m ，t h el o w e rm a c h i n eu s e s t h r e em i c r o c o n t r o l l e rw h i c hc a l l r e s p e c t i v e l yt e s tg r o u n da n di n s u l a t i o nr e s i s t a n c e ，v o l t a g ew i t h s t a n dt e s ta n dl e a k a g e c u r r e n t ，l o wv o l t a g es t a r tt e s ta n dp o w e rt e s t t h el o w e rm a c h i n ei sd e s i g n e di nm o d u l a r , t oa c h i e v et h ef u n c t i o no fe a c h m o d u l e ，t h i st h e s i sd e s i g n st h es i g n a ls a m p l i n gc i r c u i tt h a tc a nc o m p l e t ee a c ho ft h e t e s tf u n c t i o n ，a n dt h es o f t w a r ep r o g r a mi sa l s oc o m p l e t e d i nt h ed e s i g no fe m b e d d e d p l a t f o r m ，t h i st h e s i sd e s i g n st o u c hs c r e e ni n t e r f a c ec i r c u i t ，p r o g r a m ss e r i a lp o r ta n d t o u c hs c r e e nd r i v ep r o g r a ma n dd e v e l o p sa p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fw i n d o w sc e s y s t e m i nv o l t a g ew i t h s t a n dt e s t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h eo u t p u to f0 5 k v v o l t a g ea c c u r a c yi sn o th i g hi nt h ep o w e rs u p p l ym o d u l eo fp r e v i o u st e s t t h i s t h e s i sd e s i g n sap r o g r a m m a b l ep o w e r s u p p l ym o d u l e s ，p r o g r a m m a b l el o g i cg a t ea r r a y p r o d u c e sp w ms i g n a lt oc o n t r o li n v e r t e ri n p u t ，w h i c he f f e c t i v e l ys o l v e dt h ep r o b l e m o fv o l t a g ea c c u r a c y t h ef u n c t i o no fe l e c t r i c a la p p l i a n c es a f e t yt e s t i n ge q u i p m e n td e s i g n e di nt h i s t h e s i si sp e r f e c t t h ed e s i g ni n c l u d e sa l lc o n t e n t so fn a t i o n a ls t a n d a r d si ne l e c t r i c a l s a f e t yo fe l e c t r i c a lp r o p e r t i e s t h es a m p l e sw e r et e s t e db yr e l a t e dd e p a r t m e n t p e r f o r m e db e t t e rt h a n t h en a t i o n a l r e l e v a n ts t a n d a r d s a tt h es a m et i m et h e i n t r o d u c t i o no fe m b e d d e dp l a t f o r mm a k e sg r e a tc o n v e n i e n c ef o rt h ef o l l o w i n g s o f t w a r eu p g r a d e k e yw o r d s ：h o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，s a f e t yt e s t i n g ，s i g n a lc o l l e c t i o n ， p r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趟一日期： 一垄红 一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔雏一导师签名： e l 期：丝矽。t 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 伴随着经济发展，我国家电行业规模迅速扩大，同时电器安全方面也暴露 出诸多问题。据有关媒体报道，我国每年因触电造成死亡人数均超过3 0 0 0 人， 其中因家用电器造成触电死亡人数超过1 0 0 0 人。因此，符合防触电保护安全标 准是产品设计、制造中首先应当考虑的问题。为此，国家相关机构在原有的电 器安全性能规范方面推出新的国家标准g b 4 7 0 6 1 - 2 0 0 5 进一步推动电器安全规 范，向美国的u l 认证和欧洲的c e 认证看齐n 1 。为了保障电器的质量，需要一种 电器安全测试仪器对其安全性能进行测试，虽然目前市场上的电器安全测试设 备种类繁多但普遍存在以下局限性： l 测试功能不够完善，缺少某些安全参数检测功能。 2 测试设备系统集成性和自动化程度不够。各测试项目之间相互独立，需 要较多的人工干预。 3 测试仪器界面不够友好，测试效率比较低，难以实现流水化测试。 由于以上缺点，严重制约了生产厂家和国家相关机构对于电器安全性能的 评估瞳1 。为了解决电器安全测试中的上述矛盾，研制一台自动化程度比较高，测 试性能良好的嵌入式电器安全测试设备成为迫切需要。 1 2 国内外现状 在我国经济高速发展的同时，家用电器开始进入人们生活的方方面面，极 大的提高了人们生活的品质。同时电器生产中存在的隐患也开始同益暴露，给 人们的生命财产带来了很大的威胁。造成不安全事故发生的原因主要有两个方 面：一方面是人们使用方法不得当，另一方面是由于电器自身存在安全方面的 隐患。在使用方法问题上伴随着全民集体素质的提高，得到了有效的改善。电 器安全性能指标不合格成为威胁人们生命财产安全的主要杀手。国家先后推出 各种法规，对电器安全进行强制性检测，由此可以看出，电器的安全性成为评 武汉理工人学硕士学位论文 估电器优劣的一项重要指标。 电器安全测试方面在各国也受到广泛重视，国外1 9 5 2 年首次颁布i e c 6 5 号 公告对电器安全性能做出规定，先后经7 次修改至今在全球范围内已形成i e c 安全标准和美国u l 安全标准两大体系，其中i e c 6 0 3 3 5 - 1 - 2 0 0 6 是其最新的电器 安全性能方面的标准。国内方面伴随着我国家电事业的快速发张，国家也颁布 了电器安全测试方面的相关标准g b 4 7 0 6 1 - 8 4 ，此后伴随着家电行业的发展和家 电出口的需要，相继推出了g b 4 7 0 6 1 - 8 8 ，g b 4 7 0 6 1 - 9 2 ，g b 4 7 0 6 1 - 9 8 和 g b 4 7 0 6 卜2 0 0 5 3 】o 防触电是电器安全性能中最基本也同时是最主要的内容，通常列为产品安 全的首项。上世纪6 0 年代国外就开始了对电器安全测试设备的研究。由于当时 技术水平的局限性，当时的测试仪器都是模拟式测试仪器，普遍存在误差比较 大，操作复杂，精度有限等缺点。 从上世纪7 0 年代开始，国家开始强调电器安全性开始，多家厂商和质检部 门对各种电器产品设计出不同的安全性能测试设备，在此基础上电器安全测试 得到了较快的发展，已经开始形成一个独立的仪器门类，通常被人们称为安规 产品。 上世纪8 0 年代，单片机的出现加速了测试仪器向数字化方向迈进，同时大 大提高了测试仪器的水平，不少厂家推出了相关的电器安全测试设备，但这些 设备普遍只能针对电器安全中的某一方面性能进行评估。 进2 0 世纪9 0 年代末，微处理器开始快速发展，m i s p 和a r m 公司分别推出 了新的处理器构架，芯片集成厂商也纷纷推出新的高性能3 2 位处理器，但由于 嵌入式平台开发的技术的复杂性，没有能在电器安全测试领域得广泛的应用。 我国电器安全测试领域起步比较晚，但一直一来都比较重视。中国电器科 学研究院和中国计量科学院一直在从事电器安全方面的标准制定和研究工作， 并在超高电阻测量和超高耐压方面取得了很大成就。同时也在积极推进我国电 气安全标准与国际标准接轨。在国内方面，一些仪器设备厂商也推出了相关的 电器安全测试设备，但普遍存在一下缺点： 1 测试功能不够齐全，以单项和几项组合为主。 2 大部分都是以单片机为平台开发的，没有真正做到平台式开发，软件没 有升级空间。 3 不具有良好的人际交互功能。 2 武汉理工大学硕士学位论文 4 无法实现流水化测试。 基于以上缺点，研制出一台高性能的电器安全组合测试装置有广泛的应用 空间和市场价值。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要针对现阶段电器安全测试系统中的不足做出改进，研制出新的 基于嵌入式平台的电器安全测试仪。技术指标达到g b 4 7 0 6 1 - 2 0 0 5 中的相关要 求，实现对电器接地电阻，绝缘电阻，耐压试验，泄漏电流，功率试验和低压 启动试验六项功能测试啼1 。本次设计中主要从以下几方面展开工作： 1 学习g b 4 7 0 6 卜2 0 0 5 ，从中分析出电器安全测试要完成的内容，提出电 器安全测试的相关技术指标。 2 搭建电器安全测试仪的相关硬件平台，包括信号取样模块，信号采样模 块和嵌入式平台的硬件设计。 3 针对以往嵌入式电器安全测试中的耐压测试中高压电源的不足进行改 进设计。 4 完成电器安全测试中信号采样模块和嵌入式平台的软件设计。 5 完成仪器校正，测试运行，对测试结果进行分析。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电器安全测试仪的构成 2 1 电器安全测试仪构成 本次课题主要目的是设计一台功能齐全，测试性能良好，具有良好的人机 交互功能和操作简单的电器安全测试设备。在本次设计中我们采用了平台化和 模块化的设计思想。 根据电器安全测试仪器的要完成的功能，我们在设计中把电器安全测试设 备分成三个模块： 1 信号取样模块：主要完成测试中各个信号的产生及其转化。 2 信号采样模块：采用单片机和a d 转换器完成各测试信号的采样，实现 单片机和嵌入式平台之间测试数据的传输。 3 嵌入式平台模块t 主要完成采样数据的显示，存储和人机交互功能。 根据国标g b 4 7 0 6 1 - 2 0 0 5 ，家用电器电气安全性能检测要完成接地电阻，绝 缘电阻，耐压试验，泄漏电流，功率试验和低压启动试验六项测试功能。根据 测试内容的相似性我们把六个测试项目分成三组，同时信号取样模块和信号采 样模块也分成对应的三组，系统框图如图2 - 1 所以示。 接地电阻绝缘电 阻信号取样模块 耐压试验泄漏电 流信号取样模块 功率试验低启试 验信号取样模块 接地电阻绝缘电 阻信号采样模块 耐压试验泄漏电 流信号采样模块 功率试验低压试 验信号采样模块 图2 1 电器安全测试仪系统框图 4 s 3 c 2 4 4 0 疋，r 砖，q 和分别是b 和上的电压。由于r 疋，r 兆所 以流经足和局的电流很小。由欧姆定律可知 堡，竖( 2 - 1 ) r x r 呵 墨2 老 协2 ) 由式2 - 2 可知，只要测得和玑就可以计算得到r ，即被测设备接地电阻。 在测试中我们分别采用a d 的两个差分输入通道采样和虬的值，通过计 算就可以得到被测设备的接地电阻值大小。 2 3 2 绝缘电阻测试方法 绝缘电阻是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标。本次设计中绝缘 电阻测试采用的是恒压测量法，采用这种方法的好处是即使在测试中高压模块 的基准电压有偏差或者有波动也不会增加测量误差。 u x 图2 - 3 绝缘电阻测试示意图 接地电阻测试方法如图2 - 3 所示，其中疋为被测设备绝缘电阻，其上电 压为虬。墨，坞和恐为已知道阻值的电阻，其上电压分别为u ，u ：和。 设高压模块产生电压为u ，则有 7 武汉理工大学硕士学位论文 u u + 昵 u 一虬+ ur 心 里。堡 坞 由式( 2 3 ) ，( 2 4 ) ，( 2 5 ) ，( 2 6 ) 可解的 足一坞 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 复竺 协7 ， 绝缘电阻测试中采用的高压模块为1 0 0 0 v 。墨，恐和恐电阻值已知，由式 ( 2 7 ) 可知只要得到，就可以求得b 。测试中我们分别采用a d 的两个 差分通道对r ，恐上的电压，乩进行采样，这样就n - i p g 求得被测设备的绝 缘电阻。高压模块的输出电压在1 0 0 0 v 左右，设计中要求置 垦，疋 恐。 2 4 耐压试验和泄漏电流测试方法 2 4 1 耐压试验测试方法 耐压试验与泄漏电流测试是电器安全测试中直接与人身安全密切相关的项 目，它直接关系到我们的人身安全问题，也是电器安全测试中最关键的两个项 目。耐压试验中对被测电器外壳和相线之间加上最高可达5 0 0 0 v 的正弦交流电 压，同时测试其漏电流是不是在一定范围之内以判定产品是否合格。 对于一般电器设备，耐压试验中测试电压为1 0 0 0 v 加上两倍工作电压时， 漏电流小于2 5 m a ，电器耐压测试合格。对于有特殊要求的电器，测试中电压值 从0 开始增加，当电流大于等于2 5 m a 时，这时的电压值为该测试设备的耐压 值，这时在根据特殊要求判断电器耐压程度是否合格1 6 l 。 在以往的设计中电压可调a c 电源的5 0 0 0 v 实现采用的是2 2 0 v 市电经高压 变压器升压得到，通过改变高压变压器输出端的线圈匝数来实现0 5 0 0 0 v 的变 换的。采用这种方法测试当电网电压有波动，负荷电流中存在高次谐波时，将 8 武汉理工大学硕十学位论文 严重影响测试仪器的精度。同时，通过改变变压器线圈匝数的方式使升压过程 中每次的电压增量比较大，这样也影响了耐压试验电压测试的精度。 本次设计中采用了高压程控电源模块代替了以往的电源设计方案，有效的 解决了电网谐波和电压增量过大问题对测试设备性能的影响。 局臆父成褥电侃 程控 f 掣 电源 电压互 刚c 21 鼬。喜 图2 4 耐压试验示意图 耐压试验不意图如图2 4 所示，高压变压器上的低压绕组用于测试高压变压 器的输出电压，变比为k o ，其中疋为被测设备，电阻足，如，b ，1 4 和恐为 阻值已知，设电流互感器和电压互感器的变比分别为墨和砭，流过墨的电流为 ，r 和恐上的电压为u s 和坫，则有 u v l k 2 址 ( 2 - 8 ) jl；尼丝(2-9) 恐+ r恐 其中u ；k 巩，疋 r ，则测试的耐压值为 u * k o 如虬 ( 2 1 0 ) 漏电流l 为 a 墨警 ( 2 在耐压试验中，u ：和u 5 都是交流信号，经过真值到有效值的转换之后分别送入 a d 的两个差分采样通道，通过采样和坫电压值由式2 1 0 ，2 1 1 可以求得被 9 武汉理工大学硕士学位论文 测设备的耐压值和漏电流。 2 4 2 泄漏电流测试方法 泄漏电流是指在没有故障施加电压的情况下，电器中相互绝缘的金属零件 之间，或带电零件与接地零件之间，通过其周围介质或绝缘表面所形成的电流 称为泄漏电流1 7 1 。泄露电流测试主要测试电器的工作电源通过绝缘体分布参数阻 抗产生的与工作无关的泄漏电流。在实际测试中我们是把市电的相线和零线分 别接入被测电器的外壳，分别测其相线和零线的泄漏电流。 a c 2 2 0 vn 洲旷专 电流j r 。 广 一 j l 艺r 斗喜 图2 5 泄漏电流测试示意图 泄漏电流测试方法如图2 5 所示，其中b 为被测设备，电阻墨，r ，恐， 丘和彤。阻值已知，电阻j r 2 和尼上的电压为和以，电压互感器和电流互感 器的感应比为k 和砭。 。k 生 ( 2 1 2 ) 其中心 以，被测设备的功率为吸， 则 a c = 嗤 协9 ， 吁嗤尼( 2 - 1 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 一c l c ( 2 1 1 ) 由于凡 如，所以流过凡的电流很小，则一u c l c 。 2 6 本章小结 本章就电器安全测试仪器的总体构成进行分析，根据相关国家标准提出了 仪器的测试指标，并对电器安全测试中的各项测试的测试方法进行了进一步分 析，提出了各项测试功能的实现方法。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电器安全测试仪硬件设计 3 1 硬件构成 从上世纪7 0 年代的8 位单片机到现在3 2 位处理器的大规模应用，其以极 高的性价比和易用性快速的推动了测试仪器的发展阳1 。其中安规产品一直是测试 仪器中一个重要的分支，伴随着家用电器的发展，衡量电器电气安全的电器安 全测试仪器作用突显，为加速我国电器行业的发展发挥着重要的作用。 在本次设计中我们采用模块化，平台化为指导思想，以单片机和嵌入式平 台为基础把仪器分成四部分，分别是 1 接地电阻和绝缘电阻测试部分。 2 耐压试验和泄漏电流测试部分。 3 功率试验和低压启动试验测试部分。 4 基于$ 3 c 2 4 4 0 a 的嵌入式平台部分。 以下我们根据测试仪器各部分要实现的供能分别对其进行硬件设计。 3 2 接地电阻和绝缘电阻测试硬件设计 l l r 保护，滤波电路 电压采样通道加 信号转换 嵌一 取样 参考电压采样通道 电路单 入 一 模块 -l 保护，滤波电路片式 接口 机平 厶 口 隔离，驱动 开关茸控制信号 1 i “1 ”。 图3 1 接地电阻和绝缘电阻测试框图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 接地电阻和绝缘电阻信号采集模中主要考虑的是精度问题。为了提高测 量精度，在本课题中采用了1 6 位高精度一型a d 转换器a d 7 7 0 5 ，采 样单片机采用a t m e l 公司的8 位单片机a tm a g e 8 。 接地电阻和绝缘电阻测试框图如图3 - 1 所示，在接地电阻和绝缘电阻测试 中，单片机控制| a d 转换器完成对接地电阻，绝缘测试中的电压和参考电 压的采样，按照本文2 3 中介绍的方法计算出接地电阻和绝缘电阻。 3 2 1 接地电阻测试硬件设计 在接地电阻的测量中我们采用比例测量法，关键是选取高精度的电阻，在 此采用锰铜电阻可以很好的达到要求。 图3 2 接地电阻信号取样电路 接地电阻取样电路如图3 2 所示，j d cv 1 ，j d cv 2 为参考电压采样通道， j d _ v 1 ，j d _ v 2 为电压采样通道。被测设备采用四端钮接法可以减少接线带 来的误差。 图3 3 是接地电阻测试中电压采样的信号采样保护滤波电路，s a 0 5 c a 是二端交流开关，它和电容c 1 起到滤除高频交流信号和保护a d 的输入端 的作用。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 保护滤波电路 1 1 2 3 1 ( ) 【) 接地电阻采样电路主要由单片机a tm a g e 8 和a d 7 7 0 5 构成，a t m a g e 8 是 a t m e l 公司的8 位a v r 处理器，具有8 k 的f l a s h ，5 1 2 字节e e p r o m 和1 k 的s r a m ，三通道的p w m ，两个可编程的串行u s a r t ，一个s p i 串行接口。 a d 7 7 0 5 图3 4 接地电阻信号采样电路 武汉理工大学硕士学位论文 a d 7 7 0 5 是a d 公司的1 6 位一a ( 电荷平衡式) a d 转换器，输入通道具 有可编程放大功能，可以将来自外界的不同摆幅的信号放大到a d 转换器的满 标度电压附近再进行a d 转换。a d 7 7 0 5 内部集成s p i 接口，传送速率可通过 编程实现。在本次设计中a tm a g e 8 和m d 7 7 0 5 的数据收发采用s p i 接口，a t m a g c 8 的s p i 接nt _ 作于主机模式，a d 7 7 0 5 的s p i 接口工作于从机模式。 由图3 2 可知，接地电阻测试中要采样两路电压信号分别是阻值已知的精 密电阻足上的电压和被测设备上的电压，均为直流电压信号，经过滤波保护电 路可以直接送a d 7 7 0 5 中进转换。 接地电阻信号采样电路如图3 4 所示，u 7 是采样单片机，k 3 为a d 转化 器。j d c s 为接地电阻测试的a d 转换器的片选引脚，d a t ai n ，d a t ao u t ， c l k ，d r d y 为单片机和a d 转换器s p i 通信的相关引脚。i d a d v i n + ，j d a d v i n ， j d a d i i n + ，j d a d i i n 为接地电阻测试信号的采样输入引脚。 3 2 2 绝缘电阻测试硬件设计 绝缘电阻测试中绝缘电阻的测量采用的是恒压测量法，绝缘电阻信号取样 电路如图3 5 所示。 5 0 0 k 2 w5 0 0 k 2 w5 0 0 k t 2 w5 0 0 k 2 w5 1 k 2 w4 k p 0 5 1 0 0 0 v - _ o l y r 3 5 绝缘电阻信号取样电路 在图3 - 5 中，o u t + 至0o u t - 构成一条分压回路，j y _ v i n + 和j y v i n 为高压 模块输出电压采样信号输入端。另回路1 0 0 0 v + o u t 和1 0 0 0 v - 一o u t 接被测 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 设备，j y _ t i n + j g lj y _ l i n - 为电阻采样输入端，通过采样坞，上的电压按照本文2 3 讲述的方法计算出绝缘电阻。 在本次设计中绝缘电阻的信号保护滤波电路和采样电路与接地电阻测试的 电路设计方法相同。 3 3 耐压试验和泄漏电流测试硬件设计 耐压试验和泄漏电流信号采样部分的设计也采用a tm a g e 8 和两片a d 7 7 0 5 完成。不同的是耐压试验和泄漏电流测试中信号取样产生的是交流信号， 要通过一个真值到有效值的转换之后才可以送入a d 采样。耐压试验和泄漏 电流测试框图如图3 6 所示。 一 隔离驱动过流保护 l 电流采样通道 耐压 嵌 信号 一保护电路h 有效值转换 - 峄 们 信号 入 取样 转采样式 模块 一保护电路h 有效值转换卜 换模块平 接口 厶 口 电压采样通道 隔离驱动 图3 - 6 耐压试验和泄漏电流测试框图 3 3 1 耐压试验硬件设计 耐压试验是指把一个高于正常工作的电压加在被测设备的绝缘体上，并持 续一段规定的时间，如果被测设备的绝缘性足够好，加在上面的电压就只会产 生很小的漏电流。如果被测设备在规定的时间内，其漏电流保持在规定的范围 内，就可以确定这个被测设备可以在正常条件下安全运行。在耐压测试中比较 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 关键的环节是高压电源模块，在本次测试中采用程控电源代替以往的电源设计 方案，可以有效提高耐压测试的精度。 图3 7 耐压试验信号取样电路 c 1 如图3 7 所示，h vt 5 vi n l 和h v1 5 vi n 2 是高压变压器的输出电压取样信号， 最大输出电压1 5 v 。n yva d c l 和n yva d c 2 为变压器输出取样信号输出 端。n ilh 和n ill 串入耐压测试回路，用于测试耐压测试中的漏电流。在耐 压测试中高压加在电器的相线与机壳之间，其问电阻通常情况下大于o 5 m q ， 远大于r 7 ，所以r 7 的串入不会影响测试的精度。n yia d c l 和n yla d c l 为漏电流信号取样输出端。 耐压试验中真值到有效值转换环节，本次设计中采用a d 公司的真值到有 效值转换芯片a d 5 3 6 ，a d 5 3 6 可以将任意复杂波形的信号转换成有效值，误差 不超过o 5 ，输入波形频率最高达到4 5 0 k h z 。 真值到有效值转换电路如图3 8 所示，n v v a d c l 和n v _ va d c 2 ，为取 样信号输入端，输入最大值小于_ 2 5 v ，v d + 和v d 为信号为采样信号输出端，v d 接地，v d + 的输出小于3 3 v 。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 a n d 5 3 6 图3 8 真值到有效值转换电路 耐压测试的采样电路也采用a tm a g e 8 和a d 7 7 0 5 完成，硬件电路设计 和接地电阻测试的电路基本相同。 3 3 2 泄漏电流测试硬件设计 泄漏电流的测试原理与耐压测试的原理基本相同。通过单片机的控制把市 k 9 4 2 h - 2 c - 1 2 d s n y l j ， il 丑l na ci nn ， ，：、，j 厂 触 = 6 r 1 一 o 1 l i f ， 、nr v 3 1 2 l l k l w ， 1 0 k i 妒1 腰n ； ii a 以h a n yh s+ 1 21 砌1 甩va d q 陶0 5 扩 髓一 r 1 0b墼雕寸馏帅m ，勉0 l n m 叫o 上1 3 k 斋 i一ia l ) 正vtlh n 犀一o l d l 4l l il lf 萨= = c 7 0 - 1 l d 1 0 0 r a 1 0 r a 1l x lia i 乏】 【娜 琶当n j 。6 尺寸t 长3 0 1 n l n ，e m = 图3 - 9 泄漏电流测试信号取样电路 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 电的相线与零线分别接入测试电器的外壳，分别测试相线和零线的泄漏电流， 信号取样电路与耐压原理相似i 7 1 。 泄漏电流测试信号取样电路如图3 - 9 所示，x l c i n - l 和x u c - i n 为市 电输入，x d c i 和x d c 2 为市电电压取样输出端。泄漏测试时，单片机 控制继电器9 4 2 h - 2 c - 1 2 d s 分别把市电的相线和零线加到被测设备上，分别测其 相泄漏和零泄漏。x l _ i _ h d c i 和x l - i _ a d c 2 为泄露电流取样输出端。 泄露电流测试的市电电压取样信号和泄露电流取样信号也都是交流信号， 所以也要进行真值到有效值的转换，在本次设计中也采用a d 5 3 6 实现，其外围 电路设计和耐压测试基本相同。采样电路也同样采用了h tm a g e 8 和a d 7 7 0 5 完 成，硬件电路和接地电阻的采样电路基本相同。 3 4 功率试验和低压启动测试硬件设计 功率试验和低压启动试验测试时，分别要测试被测设备上的供电电压， 流经设备的电流和功率信号【引。 c r2 0 a 2 5 m a 电流输入 图3 1 0 功率试验和低压启动试验信号取样电路 功率试验和低压启动试验信号取样电路如图3 - 1 0 所示，i i n 一1 和i i n 一2 为 电流信号取样输出，g l d q j i n p u t l 和g ld qv i n p u t 2 为测试电压输入，v i n l 和v _ i n 2 为电压信号取样输出。 武汉理工大学硕士学位论文 在功率试验和低压启动试验测试中，信号采样用a tm a g e 8 和c s 5 4 6 0 a 完成。 c s 5 4 6 0 是c r y s t a l g 公司推出的带有s p i 接口的单相双向功率电能计量集成电 路芯片，有两个模拟量输入通道，其中i n + ，i n 一为模拟电流输入通道，v i n + ，v i n 一 为模拟电压输入通道，内部集成功率计算器，可以精确测量瞬时电压，瞬时电 流，瞬时功率，功率因数等，c s 5 4 6 0 a 通过s p i 接口和单片机进行通信。 图3 1 l 功率试验和低压启动试验采样电路 如图3 - i1 所示，为c s 5 4 6 0 采样电路，l _ i n l ，i i n 2 和v _ i n l ，v _ _ i n 2 分别 是电流取样输出和电压取样输出。r e s e t 为复位脚，i n t 是中端输出请求引脚。 c s 5 4 6 0 与单片机s p i 通信接口包括c s ，s d i ，s d 0 和s c l k 四个引脚，分别是片选 信号，数据输入，数据输出和串行时钟。 3 5 嵌入式平台硬件设计 在设计中嵌入式硬件平台模块采用三星公司基于a r m 9 2 0 t 的1 6 3 2 位 r i s c 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a ，它采用新的总线结构a d v a n c e dm i c r oc o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) ，实现了m m u ，a m b a ，b u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结 构，这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，1 3 v 内核供电， 1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电i l o 】。其片上集成功能如下： 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t i 可触摸屏) s d l 乙蝴控制器和外部存储接口 3 个通道的u a r t 和4 个通道的d m a ， 4 个有p w m 功能的计时器和一个内部时钟， 4 线电阻式触摸屏接口， 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口， 2 个s p i 接口，一个i i c 接口， 看门狗定时器和r t c 实时时钟， 1 1 7 个i o 口和2 4 个中断源。 基于s 3 c 2 2 4 0 的核心控制电路的嵌入式平台电路结构，主要有s 3 c 2 2 4 0 a 处理器，一片6 4 m 的s d r a m 型号h y 5 7 v 6 1 6 2 0 ，一片6 4 m 的n a n df l a s h 型号k 9 f 1 2 0 8 u o a ，j t a g 调试接口，r s 4 8 5 接口，8 寸夏普6 4 0 4 8 0 的四线 电阻式触摸屏型号c ，r 8 0 t 。 3 5 1 触摸屏接口电路硬件设计 $ 3 c 2 2 4 0 处理器内部自带触摸屏控制器，可以把触摸屏的感应信号转化成 1 0 b i t 的数字信号同步传输，最大转换速率可以达到5 0 0 k p s ，触摸屏的x ，y 轴 图3 1 2 触摸信号滤波电路 武汉理工大学硕士学位论文 的感应输出信号分别是t s x p ，t s x m ，t s y p ，t s y m 。处理器通过判断x a d ， y a d 的值来判断触摸的位置。4 个控制信号接入$ 3 c 2 4 4 0 接口前，都要通过一个 阻容式低通滤波器滤除信号的噪声，阻容式滤波器选用i r f 7 3 0 7 如图3 1 2 所示。 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部集成l c d 控制器，支持s t n 和t i 丌两种液晶屏，本次设计 中采用的c t 8 0 t 是夏普公司的2 5 6 k 色的1 1 丌液晶屏，带触摸功能。 l c d 接口电路如图3 1 3 所示，l c d 采用3 3 v 供电，v d 0 v d 2 3 直接连接 到s 3 c 2 4 4 0 的l c d 控制器的数据线v d 0 v d 2 3 上。f r a m e 为l c d 控制器与 l c d 驱动器之间的帧同步信号，v l n e 为l c d 控制器与l c d 驱动器之间同步 脉冲信号，v c l k 为l c d 控制器与l c d 驱动器之间像素时钟信号，v m 为l c d 驱动器之间交流驱动信号。 3 5 本章小结 丐帅占呻 g n dg n d 图3 1 3l c d 接口电路 本章就电器安全测试仪的硬件结构展开分析，分别就实现各测试功能的信 武汉理工大学硕士学位论文 号取样模块，信号采样模块的硬件电路进行了详细的设计，同时完成了嵌入式 平台的相关外设电路的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章电器安全测试仪软件设计 4 1 电器安全测试仪软件组成 整个电器安全测试系统软件设计部分包括嵌入式软件和单片机软件两部 分。组成嵌入式软件主要包括b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 定制和w i n d o w sc e 平台下应用软件两部分，单片机软件部分包括数据采集，与嵌入式平台之间通 信和强电控制部分。 在嵌入式开发中实时系统的选择是关键的一个环节，在工业开发中比较常 用的实时系统有v x w o r k s ，l i n u x 和w i n d o w sc e 。v x w o r k s 是美国w i n d r i d v e r 公司开发的嵌入式实时系统，以良好的实时性和可靠性在军事，航天，通信等 高精尖技术领域得到广泛应用，但其高昂的费用让一般的工业开发难以支付。 l i n u x 以其内核小，效率高，良好的网络性能和开源性得到广发的应用1 9 l 。 w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 公司推出的实时操作系统，在w i n d o w sc e3 0 以前的 版本实时性方面较差，w i n d o w sc e5 0 在实时性方面有了很大的提高，也得到 了业界的广泛认可。在本此设计中，我们采用了w i n d o w sc e5 0 主要基于以下 三个原因。 1 相比l i n u x ，w i n d o w sc e 开发相对较为容易，开发周期短，内核比较完 善，开发工作主要是应用层的开发。 2w i n d o w sc e 具有丰富的g u i ，开发