线束测试仪硬件电路设计参考

1、电路设计测试仪按照内部实现的功能原理可分为5个单元，包括主控CPU及外围电路单元、CAN通信接口单元、测试激励单元、测试通道切换单元、测量单元，如下图：图1 测试仪电路结构图如图中线框内所示为测试仪结构，CAN总线可连接上位机与测试仪通信，外部的电缆网络上标准的电缆接口通过1.2米长的转接线缆与测试仪接口的针点一一对应。转接线缆将测试仪接口的针点一一对应到标准线缆接口，外部电缆网络线缆由此接入。测试仪各结构单元细分功能如下：1) 主控CPU系统单元该单元是线缆测试仪的核心，主要完成各项功能测试、过程控制、测试数据采集处理及存储、与上位机通信并上传测试数据等。2) CAN通信接口单元该单元实现C

2、AN总线数据收发功能。3) 测试激励单元该单元提供各项功能测试的激励，包括9V及以下低压激励源、20VDC-2000VDC激励源、交流100800VAC、低压交流等激励源。4) 测试通道切换单元该单元负责将需要测试的线缆通道接入测试回路。5) 测量电路单元该单元主要负责实现电压信号的获取、调理、AD采样等，包括导通、绝缘、耐压和电容几种测试电路，主控CPU根据当前的测试模式将相应的测试电路接入测试回路。1.1.1.1 主控单元主控单元以TI公司DSP TMS320F2812为主控芯片，当接收到来自上位机的各种测试命令和数据后，开启相应的测试项目，负责完成测试电路的过程控制、测试数据的采集、处理

3、、分析、存储、上传等功能。其最小系统主要包括供电电路设计、时钟电路、复位电路、存储电路、FPGA电路、以及其它一些功能电路等。本方案所选主系统控制芯片为TMS320F2812，它是TI(Texas Instruments)推出的一款面向工业控制应用的高性能定点数字信号处理器。TMS320F2812基于高性能的32位CPU，主频最高可达150MHZ，除了具备强大的运算能力外，片内还继承了丰富的外设模块，便于构成高性能的工业测控系统。TMS320F281x除了具有其他DSP芯片所具有的的强大运算能力和实时响应能力外，片内还集成了大容量的Flash存储器和高速RAM，并提供了许多实用与控制系统的片内

4、外设和接口，如A/D转换模块、串行外设几颗接口SPI和SCI、增强型控制局域网接口等。图2 TMS320F2812最小系统本方案采用的扩展控制芯片主要为EP2C5T144C8，用于对负责通道切换的继电器进行逻辑控制。它是Altera公司推出的Cyclone FPGA。Cyclone 芯片制造使用90nm工艺，1.2v内核供电，属于低成本FPGA，Cyclone II FPGA的成本比第一代Cyclone器件低30%，逻辑容量大了三倍多，可满足应用需求。图3 扩展控制原理图1.1.1.2 CAN通讯接口单元本系统采用的主控芯片支持增强型CAN(eCAN)通信，其接口与CAN2.0B标准接口完全兼

5、容。图4 eCAN总线模块功能框图eCAN通信缩短了通信时间，减少了通信时DSP资源开销，误码率低，能很好的解决与上位机的通信问题。另外DSP的CAN总线模块作为总线结点，还需要在模块处理器和和总线间增加电平转换和隔离电路，以确保正确的CAN通信数据收发。CAN接口电路原理图如下 ：图5 CAN通讯接口图1.1.1.3 测试激励单元激励源设计主要包括导通测试激励源、低压绝缘测试激励源、电容测试激励源、20VDC-2000VDC绝缘测试激励源以及100800VAC交流耐压测试激励源。其中，导通测试激励源和低压绝缘测试激励源使用9V的低压三端线性稳压器完成；电容测试激励源由FPGA模块产生一定频率

6、的正弦波（如400HZ）再经过电压跟随器提高驱动能力后提供。20VDC-2000VDC、100800VAC 5060HZ，采用程控电源设计。1) 20VDC-2000VDC程控电源电源模块通过采购市面成熟的工业级引线式高压电源模块，其主要的性能指标如下：a) 输入电压12VDC/24VDCb) 输出高达2000VDCc) 电压稳定度0.1%d) 负载稳定度0.5%e) 时漂/小时0.05%f) 温漂/0.05%其对输出电压的控制有一个控制端，如控制端输入0-5V对应输出20VDC-2000VDC电压。为避免电压突变带来的电磁干扰和对电子元器件可靠性的破坏，增加防浪涌的RC吸收电路并对电压的上升

7、过程采取适当的步进控制。为进一步提高电源模块的输出精确度，系统对模块进行二次开发，对系统输出电压做监控并实时调整。模块自身带有限流式保护设计，确保使用过程中的安全。可以满足系统需求。2) 100800VAC 5060HZ程控电源高压交流电源模块是基于STM32芯片 DAC模块输出的设计，输出一个5060HZ的低压正弦信号，通过功率放大电路进行功率放大，并经工频变压器升压，对应最大输出电压可达700VAC，并已在其他项目中取得验证，通过电路中的低压正弦信号的控制，可以对应输出100800VAC。为避免电压突变带来的电磁干扰和对电子元器件可靠性的破坏，增加防浪涌的RC吸收电路并对电压的上升过程采取

8、适当的步进控制，电压稳定后关闭RC吸收电路以避免测量误差。另采用限流式保护设计，确保使用过程中的安全。可以满足客户的需求。针对高压激励源的输出，为了提高输出精度特别制作了高压电源板。高压电源板整合了交直流高压，针对输出做一路回馈采集，通过信号采集调理可以计算出实际输出的电压值。根据计算出实际输出电压值和设定值比较，自适应地去调整电源输出，使其无线逼近于设定值，并与主控板通信。如此以来可以大幅提高绝缘耐压测试结果的精度。电源板直流输出采样图1.1.1.4 测试通道切换单元系统测试需求的测试总点数为1024点，单台测试仪总点数为512点，使用两台测试仪联机组成1024点的测试。由于测试中使用到20

9、VDC-2000VDC以及100800VAC，所以选用的开关器件工作电压需要大于等于2000VDC和800VAC。通常的模拟开关和普通继电器都无法满足该测试条件，需要选用2000V以上的高压继电器。单台测试仪通道切换原理如下图：图6 通道切换电路示意图如图所示，Ai和Bi分别为A组和B组继电器阵列与测试回路的公共端。当线缆测试时，线缆两端需要一端接入公共端Ai，另一端接入公共端Bi。为实现1024点的联机测试，需将两台的公共端进行连接，采用主从机模式，从机只做开关切换，同时主从机可进行互换。双机联机时的通道切换原理如下：图7 联机通道切换原理图测试时将待测线缆两端接入任意两个测试针点形成测试回

10、路，如下选取PIN 1点和PIN 3点示意：图8 通道切换电路原理图如图，PIN 1和PIN 3 每个点对应2个继电器，可以称其主继电器和从继电器，分别与Vstim和VTest相连。当上位机下发测试数据测试1 和3 时，PIN 1的主继电器闭合，PIN 3的从继电器闭合，信号回路建立为VStim - PIN_1 外部Rx PIN_3 VTest；当上位机下发测数据测试 3 和1时，PIN 1的从继电器闭合，PIN 3的主继电器闭合，信号回路建立VStim - PIN_3 外部Rx PIN_1 VTest。VStim对应激励源，VTest对应参考电阻档位测试端。继电器作为整个通道单元切换电路的核

11、心，其选型至关重要。根据市场调研，由于固态继电器耐压只能达到1500V，而本系统输出电压最高为2000V，故本系统不选择固态继电器而选择耐压性能更高的干簧继电器。本方案继电器选择上海斯丹麦德电子有限公司负责销售提供的meder electronic LI05-1A85和 HE05-1A83两款继电器。其中，HE05-1A83切换电压达到DC or Peak AC 7500V，耐压达到10000V，主要用于直流高压源的控制开关，支持带电切换2000V；LI05-1A85切换电压支持DC or Peak AC 1000V，耐压达到2500V，可用作建立测试通道，不支持带电切换2000V。由于HE0

12、5-1A83的体积约超LI05-1A85两倍，继电器体积过大将会导致测试仪整体体积过大，因此本方案选择以HE05-1A83控制激励源通断电，以LI05-1A85选择通道的方式进行控制。两款继电器工作示意如下图所示：图9 继电器工作示意图工作流程如下：1) 打开HE05-1A83继电器，使通道断电；2) 操作LI05-1A85继电器阵列选择通道；3) 闭合HE05-1A83继电器，通电测量。二款继电器主要参数如下：表1 HE05-1A83高压继电器主要参数参数条件最小值典型值最大值单位线圈电阻455055线圈电压5VDC线圈功率500mW吸合电压3.8VDC释放电压0.5VDC触点负载50W开关

13、电压DC or Peak AC7500V开关电流DC or Peak AC3A负载电流5A静态接触电阻150m绝缘电阻10G击穿电压10KV DC操作时间1.1ms释放时间0.1ms电容10 kHz across open switch0.5pF寿命5V以下，mA级1000百万次1000V以下，mA级100百万次2000V以下，mA级10百万次表2 LI05-1A85高压继电器主要参数参数条件最小值典型值最大值单位线圈电阻180200220线圈电压5VDC线圈功率125mW线圈电流25mA吸合电压3.5VDC释放电压0.75VDC触点负载100W开关电压DC or Peak AC1000V开关

14、电流DC or Peak AC1A负载电流2.5A静态接触电阻150m绝缘电阻10T击穿电压2.5KV DC操作时间3.2ms释放时间1.5ms电容10 kHz across open switch1pF寿命5V以下，mA级1000百万次1000V以下，mA级100百万次2000V以下，mA级10百万次1.1.1.5 测量电路单元测量电路单元包含导通测试、绝缘测试、耐压测试和电容测试，这几项测量电路一致，只是激励源和采样方式有所不同。测量电路原理如下：图10 测量电路示意图可以考虑更换被测电阻与限流电阻的顺序，有利于使用万用表校准被测两针点间的电压，以避免现有情况限流电阻和万用表内阻造成的压降

15、。如图，Vstim为测试激励源，R1为限流电阻，Rx为假想的等效导通电阻或绝缘阻抗，Rf为高精度的参考电阻（多档位可选）。Ai和Bi如通道切换中提到为继电器阵列的两个公共端，通过Ai和Bi可以选择接通1024点中的任意两个测试点。测量电路的原理建立在高精度参考电阻的电压采样的基础上。当采集Bi端点的电压时，Bi处的电压信号通过高精度、低漂移的低功耗仪表运算放大器进行调理，调理后的信号送入DSP内部高速ADC模块做信号采集、处理和分析。ADC模块通道输入电压的范围为0-3V，为避免电压过大造成损坏，在每个通道放置一颗钳位二极管构成保护。当DSP分析出电压过大或过小时，可以程序自动切换Rf（多档位

16、可选），信号再通过运放调理供DSP内部ADC采样。参考电阻是测试回路上极为重要的元件，直接关乎测试取样电压的精准度。为此本方案选取的。方案为保证测试精度，选用的参考电阻均为RJ24金属膜电阻器，0.25W 0.1%精度，金属膜电阻温度系数小，精度高，低噪声，高频性能好。使用环境温度：-55+155，本体颜色为天蓝色，用于电路的限流或分压，温漂25PPM，性能稳定。下图示意的为参考的档位设计图，示意图选取了5个档位分别为0.1、25、1K、50K、100K，每一个测试项都会有一个初始化的默认档位测试，当接入量程内不同阻值的电阻时，系统会自动根据测试需要判断是否需要换挡，以实现自动化的最佳测试。配

17、用的继电器为低压的欧姆龙G5V-1。图11 档位设计图运放主要是为了将参考电阻上的电压信号根据需要放大固定倍数给ADC采样处理和分析，运放的指标直接关系计算精度，其选型极为重要。本方案选用的运放为INA128，它是一款低功耗、高精度的通用仪表放大器。INA128使用激光进行修正微调，具有高输入阻抗、非常低的偏置电压、低温度漂移和高共模抑制，内部输入保护能够经受40V电压而无损坏。INA128提供标准的工业增益等式，可以单个外部电阻实现从1至10000的任一增益选择。INA128： G = 1 + 50K / RgRg为引脚1和引脚8之间外接的一个电阻，可对增益进行控制。下图示意的为ADC采样通

18、道的运放调理电路，通过INA128_G1与INA128_G2的切换，选择不同的Rg，分别放大26倍和251倍供ADC采样。前期采用的INA128都为DIP插件封装，后期可以考虑使用SOP封装，减小布板面积，提升工艺。图12 运放参考电路当测试交流耐压或电容测试时，交流电压信号通过AD736 RMS-TO-DC芯片转换后，信号再经运放调理供DSP内部ADC采样。实际的调试发现，AD8027针对DC放大的精度并不理想，需要更换成INA128，也可以考虑贴片的。图13 交流采样示意图1.1.1.6 导通测试原理图14 导通测试原理图导通测试采用二线法进行测试，如图所示，Vstim为导通测试激励源，R

19、1为已知的限流电阻，Rx为假想的接入测试网络被测线缆未知待测的等效电阻，Rf为已知的参考电阻（档位可选）。通过选用高精度、低漂移的仪表运放，对Rf两端的的电压信号Uf做适当调理，送ADC采样供DSP主控芯片处理，经过校准算法后可准确测得电压Uf。同理，经过类似处理后可准确测得Rx两端电压Ux。由简单的欧姆定律得If = Uf / RfIx = Ux / Rx由 If = Ix可推导出Rx = ( Ux / Vf) * Rf由于Ux采样的为Rx两端的真实电压，计算出的If为流经Rx的真实电流，故此方法的测试精度比较高。关于电阻测试的二线法测试和四线法测试，如下图所示：图15 二线法测试原理图图1

20、6 四线法测试原理四线法比二线法的优势就是排除了接线电阻的误差，但接线更多；而二线法存在接线电阻，但通过校准补偿可大大减小误差，且二线法接线少，可靠性和稳定性更高。二线法的校准补偿可在设备出厂时或使用过程中，将对外接口短接，测出设备内阻，并在导通测试中将内阻进行补偿。通过精确测量以及内阻补偿，可大大提高二线法的测量精度，可以满足设计测试量程0.110M、测试精度5%的要求。1.1.1.7 绝缘测试原理图17 绝缘测试原理图如图所示，绝缘测试大致的原理与导通测试相同，R1为限流电阻，Rx等效为待测线缆对其它线缆的绝缘电阻，Rf为参考电阻（多档位可选）。考虑到绝缘电阻值通常比较大，无法直接对Rx两端的电压进行ADC取样，只能采样出Uf的电压。经过推导，Rx可以采用公式 Rx = ( Vstim * Rf ) / Vf - ( R1 + Rf)。实际绝缘测试时，Rf通常可以忽略不计。绝缘测试直流加压稳定后的保持时间可以通过上位机软件