装甲车车载设备绝缘电阻与开关导通状态测试仪的研发

刘 晔，镡雄师，陈 然，钱梦骄，刘亚光

（西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049）

0 引 言

随着装甲车辆车载电气设备的数量和复杂性不断增加，准确、可靠、快速地判断车载电器设备的绝缘状况和开关导通、虚接状态成为装甲车生产和使用维护中的重要基础项目[1-2]。传统方法借助于摇表（或称兆欧表）来测量设备的绝缘电阻，兆欧表使用相对简单，但在实际测量中存在着精度低、量程范围小、体积较大、随着人工操作复杂等缺点[3-5]。对于测量复杂设备的多路绝缘电阻时，使用兆欧表工作量太大，耗时长且效率极低[6-7]。

装甲车车载设备绝缘电阻与开关导通测试仪是专门为军工行业研制的、能够满足多种车载电器设备功能测试的系统。测试仪系统采用了“单片机+CLPD”的结构，可实现车载电器设备的80路绝缘电阻实时、快速地巡回检测，根据绝缘阻值给出报警信号。同时系统能够快速判断80路电气设备的开关导通与关断情况，并判断每路开关是否虚接、虚焊，给出相应的提示。

1 系统原理

系统以单片机为控制核心，CPLD为逻辑执行单元，由单片机、CPLD译码电路、触摸屏系统、绝缘电阻测试直流电源、继电器开关矩阵电路和AD采样滤波及信号处理电路等组成，如图1所示。

图1 系统组成

触摸屏系统作为人机交互界面，通过RS-232串口与Modbus协议实现与单片机的通信。触摸屏将测试指令传送给单片机，单片机根据相应的测试功能控制CPLD进行译码，CPLD译码电路控制继电器矩阵接通相应的两路外部的测量通道，接入绝缘测试电压。单片机根据不同的测试类型，选择合适的测量量程，将采样得到的信号进行隔离和滤波，之后传输给单片机。单片机根据采样的绝缘电阻值判断被测通路是否绝缘良好而给出相应的报警提示。绝缘电阻测试直流电源输入为工频220V交流电源，通过反激电路后输出200V和50V的两路电压供给绝缘电阻测试。单片机选用STC的12C5A60S2，内部集成有8路10位的AD转换模块。触摸屏采用MCGSTpC一体化触摸屏TPC1062KS，它是一套以嵌入式低功耗CPU为核心的一体化触摸屏，产品设计采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏，分辨率为800×480。

80路的绝缘电阻测试采用循环扫描的方式，扫描每一路与其余79路的绝缘状况是否良好。80路的开关检测，基本原理与绝缘电阻测试相同，不同点使用的检测电源电压为24V，开关检测可以在线实时检测电气设备的开关通断情况，并能够根据开关的导通电阻判断开关是否虚接虚焊。绝缘测试和开关测试的结果通过触摸屏实时显示，并能够给出相应的报警提示。

继电器开关矩阵由160个继电器构成，继电器矩阵由两片CPLD控制，分别作为行译码单元和列译码单元。80路测试点中每一路都分配有两个继电器控制该路接测试电源的正极或者负极，每一路通过导线连接到仪器后面板的航空插头，被测设备通过航空插头与测试仪连接，继电器开关矩阵如图2所示。

图2 继电器开关矩阵

2 硬件设计

2.1 绝缘电阻测试用直流电源

绝缘电阻测试用电源的特点是电压精度高、负载电流小，故采用TOP242开关电源芯片构成反激式电路，产生200 V和50 V的稳定直流电压用于绝缘电阻的测试[8-9]。电路使用PI Expert Suite 8.5软件设计，原理如图3所示。

图3 绝缘电阻测试用电源

输入220V交流电压经过EMI滤波后，通过二极管桥式整流滤波为直流电压，直流电压经过高频变压器的初级绕组和TOP242芯片后，被芯片内部的MOSFET开关器件斩波为高频的脉冲电压，次级绕组感应出高频脉冲电压，通过二极管和电容整流滤波后输出相应的电压。变压器反馈绕组为TOP242提供控制端电流，根据控制电流的变化调整PWM斩波的占空比，以此改变输出电压的幅值。控制端电流大小由反馈电路决定，因此反馈回路的精度决定了输出电压的精度，此处使用可调式精密并联稳压器TL431和线性光耦PC817C构成反馈回路，用电阻R6和R7对输出电压分压后，输入到TL431的参考端，将输出电压信号转换为TL431的电流信号，再通过线性光耦隔离后改变TOP242的控制端电流。高频变压器使用EI22铁心，开气隙，电感量、绕组圈数和线径等参数均由PI Expert软件给出。

2.2 绝缘电阻测试电路

被测试的车载电器设备通过航空插头与测试仪相连接，测试开始时继电器开关矩阵切换不同的被测通路，并加入测试电压，同时采集限流电阻两端的压差，经过滤波放大后送给单片机的AD模块，单片机判定绝缘状况并将信息通过触摸屏显示，其测试的原理如图4所示。通过触摸屏选择合适的测试电压，例如50V，单片机控制继电器K1闭合，50V测试电压加在测试总线上，首先扫描1#端口和2#端口间的绝缘电阻，继电器开关矩阵控制Ka1和Kb2闭合，电流流过夹在1#和2#端口间的外部电阻Rx后回到电源负极，R1、R2为限流电阻，通过采集限流电阻两端的电压差，即可知道泄漏电流的大小，从而得到Rx的值。其余通道的扫描原理类似，同一时刻必有一个测试点接电源正极，必有另一个测试点接电源的负极。80路的绝缘电阻测试完全扫描一遍共需检测C280=3 160个通路，单个通路检测时间小于1 s。

图4 绝缘电阻测试原理

AD采样信号是从限流电阻R1和R2上得到的，绝缘电阻值一般大于20 MΩ，通过采样电阻的电流很微弱，而且容易受到外界的干扰，所以将采样信号进行放大和低通滤波后送给单片机。INA117P为Burr-Brown公司的高共模电压差动放大器，共模电压范围可达±200V，最高可承受±500V的电压而不损坏放大器。当从限流电阻R2两端获得采样信号时，若被测对象绝缘状况不良，则共模电压最大会达到200V，选用INA117P差动放大器可以有效放大信号，同时保护后续电路。用OP07CP运算放大器构成一个增益可调反相放大器。UAF42是Burr-Brown公司的集成模拟滤波器，UAF42只需2～3个外接元件即可构成典型结构（如巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等）的滤波器。此处用UAF42构成巴特沃斯低通滤波器，抑制高频噪音。考虑到测试仪在绝缘电阻测试时巡回检测的扫描频率，将滤波器的截止频率设定在10kHz，确保正常信号不会衰减。

2.3 开关导通测试电路

80路开关导通测试电路的原理与绝缘电阻测试相同，通过继电器开关网络切换不同的通路，同时测量该通路的导通电阻，即能判断开关是否导通或者虚接。被测的车载电器设备工作电压为24V，开关测试时测试仪的测试电压也为24V，并且与被测车载电器设备共用一个电源，即可实现在线测量开关的导通情况。80路的开关导通测试总耗时不到1s，实现了实时、快速检测。

被测对象的开关导通电阻很小，一般在欧姆级别，易受外界影响，选用较小的限流电阻以增大测试电流，增强抗干扰性能，开关导通情况下最大测试电流在100mA左右。采集限流电阻两端的电压，放大并滤波后输入单片机进行A/D转换，此过程和绝缘电阻测试相同。开关是否虚接的判断标准可通过触摸屏设定，默认为5Ω，即回路导通电阻大于5Ω时判定为虚接。

2.4 译码电路

在单片机的控制下，译码电路控制80路测试点中的某两路接入到测试总线上。单片机通过P0和P2发送译码信号，P0端口负责行译码，对应CPLD1，控制80个Ka继电器中的某一个吸合，P2端口负责列译码，对应CPLD2，控制80个Kb继电器中的某一个吸合，译码电路原理如图5所示。继电器选用松下公司PhotoMOS AQW214，它属于MOSFET输出的光电耦合器，负载电压可达400V，连续负载电流100mA，峰值电流可达300mA。每一片AQW214内部集成了两个继电器，对应一个测试点的接电源开关Ka和接地开关Kb。AQW214的控制端分别与对应的CPLD相连，控制端动作电流为5mA。CPLD选用Altera的EPM570T144，该芯片属于Altera的MAXRII系列，是低功耗、低成本的CPLD，拥有570个逻辑单元（LE），最大用户 I/O 引脚为116个。

图5 CPLD译码电路原理

3 软件设计

单片机程序使用C语言在Keil uVision2环境下编译调试。CPLD代码在QuartusⅡ环境下使用逻辑原理图完成。触摸屏界面在MCGS组态软件环境下编译完成。

单片机软件系统的主要功能包括：接收触摸屏测试指令、向CPLD发送译码信号、数据的采集和处理、测量结果的下传及触摸屏显示。单片机在完成了上电复位和初始化以后，通过与触摸屏通信后获得程序进一步执行的指令，然后进入相应的子程序。单片机软件流程如图6所示。CPLD代码的编写使用原理图描述电路结构的方法，内部结构为1片3~8线译码器74HC138片选5片4~16译码器74HC154产生80路的译码信号，使用原理图描述电路的方法可以很容易的产生CPLD代码。触摸屏界面在MCGS嵌入版环境下制作，加入了测试历史记录和报警记录等功能。

图6 系统主程序

4 实验结果

实验结果表明，使用可调精密并联稳压器TL431和线性光耦提高了绝缘电阻测试用直流电源的精度，减小了纹波电压。使用示波器测量输出开路时的电压波形，200 V输出端的纹波电压的峰峰值为410 mV，小于1%。绝缘电阻测试过程中用示波器测量200V输出端的电压波动小于2V，负载调整率小于1%，电源精度高，稳定性佳。

使用该测试仪实际测试某型号的装甲车车载控制柜，测试仪在保证测量准确性、防止误报警的前提下，实现了80路电器设备的绝缘状况和开关导通情况的快速测量和判断，绝缘电阻全部检测完成用时不足30min，80路开关导通测试的时间不足1s。实际运行测试仪，设定绝缘状况判断标准为20MΩ，在80路中任选两路接入19MΩ的电阻，测试仪可以准确报警，提示该两路绝缘不良。在开关导通测试中，任意回路中串联阻值为6.8Ω的标准电阻，测试仪能实时显示出该路的虚接，当不接入该标准电阻时测试仪能准确显示该路导通。

5 结束语

该装甲车车载设备绝缘电阻与开关导通状态测试仪实现了80路的绝缘电阻测试和开关导通状态测试，通过触摸屏可直观地观察到绝缘电阻报警信息和开关导通的实时情况。测试仪体积小巧，结构紧凑，便于携带，测试精度符合设计要求，满足装甲车车载电器设备的生产检测和使用维护需求。系统已经投入工程实用，各项技术指标完全满足设计要求，表明系统设计的正确性和有效性。

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