基于掉电数据存储的耐压绝缘测试系统设计

可晓海，古丽江·库尔班，常莉丽，王 平，路

（伊犁师范学院 电子与信息工程学院，新疆 伊宁 835000）

基于掉电数据存储的耐压绝缘测试系统设计

可晓海，古丽江·库尔班，常莉丽，王 平，路

（伊犁师范学院 电子与信息工程学院，新疆 伊宁 835000）

应用非易失性存储芯片24C16与单片机相连接，设计了一种基于掉电数据存储的耐压绝缘测试系统，详细说明了掉电数据存储的耐压绝缘测试系统的设计思路和硬件电路结构，编写了相应的读写程序。这种串行非易失性存储技术具有高速读写、百万次擦写寿命和数据保存时间长的优点，能极大提高系统的适用范围和系统的测试效率。

耐压绝缘测试；24WC16芯片；掉电数据存储；单片机

各式各样的电气设备、家用电器、电源接头排插以及各种电缆系统在各行各业中有着广泛的应用，按照国家GB19510-2009/IEC 61347-1:2007标准规定，为了保障使用者的生命财产安全，需要对相关产品的耐压和绝缘性能进行强制性检测。

在实际使用过程中，耐压绝缘测试系统在测试过程中需要对测得的大量数据进行现场记录，需要在发生掉电情况下能够及时存储所测得的数据，来提高现场测试的效率，测试完成后需要将测试数据传送给上位机以便保证数据的可靠性，确保被测产品的数据正确的保存和使用。

1 耐压绝缘测试系统的软硬件设计思路

针对文献[1]中一般耐压绝缘测试系统存在问题，设计了既具有传统测试功能又具有方便的数据存储功能，能够满足更多复杂多变的场合使用耐压绝缘测试系统。

1.1 系统硬件设计和工作原理

1）硬件设计结构

系统主要完成在交流高压产生、直流高压产生和电流测量、电阻测量时具有对数据的采集、显示和存储等功能。硬件设计结构如图1所示。

图1 硬件设计结构Fig. 1 Design method of hardware

2）工作原理

耐压绝缘测试系统的硬件电路按组成结构可分为5大电路模块：数字电路模块（51单片机和232通讯）、耐压模拟电路模块、绝缘模拟电路模块、AD数据转换电路模块和显示存储电路模块。

数字电路以华邦的51单片机W78E58B为核心模块，单片机上电启动后，接收显示存储电路传来的控制指令，启动互锁继电器选择性的接通耐压（或绝缘）模拟电路，让模拟电路接收耐压（或绝缘）测试端传来的测量信号进行相应处理，然后送给AD数据转换电路；此时数字电路选择相应的AD转换通道传来的数字信号，按照一定的算法对数字信号进行转换计算出实际测量的耐压（或绝缘）电压或电流数据，按照约定的通讯协议对测量数据进行编码后传送给显示存储电路，至此，一次测量周期完成，然后再重复循环测量周期。

耐压模拟电路由升压电路、信号运算电路和保护电路组成。由数字电路控制互锁继电器启动后，将耐压测试端和耐压模拟电路接通。耐压测试端接被测物后使用手调升压器升压，对被测物所施加的耐压电压（DYDY）和耐压电流（NYDL）信号通过限流降压后，分别送给两路求真有效值芯片AD536进行运算得到交流电压和电流信号的有效值，电压有效值信号直接送给多路输入AD芯片的其中一路；电流有效值信号分为2路，一路送给AD转换芯片的其中一路输入，一路接入耐压保护电路，当被测物被耐压测试端的交流高压击穿所产生的过量程电流信号后启动耐压保护电路，将击穿的被测物与耐压模拟电路断开，防止故障扩大。

绝缘模拟电路有直流固定高压模块、信号处理电路和保护电路组成。由数字电路控制互锁继电器启动后，将绝缘测试端和绝缘模拟电路接通。绝缘电压测试端接被测物，根据单片机指令控制直流高压模块DC500V/1000V输出进行切换，绝缘电压输出端分为2路，一路接被测物，一路接高阻值电阻进行绝缘电压采样后送给信号处理电路处理后送给AD转换芯片的其中一路输入。绝缘电流测试端将被测物的绝缘电流信号限流后同样分为2路，一路送给信号处理电路处理后送给AD转换芯片的其中一路输入端，一路接入绝缘保护电路，同理当被测物被绝缘测试的直流高压击穿所产生的过量程电流信号启动保护电路，将击穿的被测物与绝缘测试端断开，防止故障扩大。

AD数据转换电路是以串行模数转换芯片TLC2543为核心的电路，TLC2543是12位开关电容初次逼近模数转换器，最多可以有11路模拟量输入和1路输出。本测试系统中使用了4路，分别用于测量耐压电压、耐压电流、绝缘电压和绝缘电流。接收单片机的控制命令后启动其中一路的AD转换并将数字量送给单片机进行处理。

显示存储电路以单片机W78E58B、非易失性存储芯片24WC16和标准串口设计的电平转换芯片MAX232为核心构成，单片机扫描按键电路发出的测试控制命令，按照约定的通讯协议对控制命令进行编码后通过MAX232发送给主控板数字电路和接收数字电路传送的测试数据。接收的测试数据按照通讯协议的编码规则解码后传送给数码管显示电路和串行存储芯片CAT24C16。

1.2 系统的软件设计

耐压绝缘测试系统采用自顶向下的设计方法，以台湾华邦的51内核单片机W78E58B作为系统主控板数字电路的控制和运算核心，显示存储电路使用W78E58B和CAT24WC16作为核心，主控板与显示存储电路之间使用MAX232进行双向通讯[2]。系统使用C语言进行编程，设计了数字电路和显示存储电路程序流程图，如图2所示；让软件设计具有良好的可维护性。

图2 程序流程图Fig. 2 Program flow chart

2 耐压绝缘测试系统的软硬件设计思路

2.1 显示存储电路的设计

显示存储电路以W78E58B为核心，P0口和P2口是显示接口，用于数码管显示。P10～P14为指示灯接口，P15～P17为CAT24WC16的三根控制线接口。P3口为键盘接口和MAX232通讯接口。W78E58B通过两线制串行I2C总线对CAT24WC16进行数据的读写存储[3]。显示存储电路的部分接口电路如图3所示。

2.2 高速串行掉电存储器24WC16的主要特点及管脚功能

CAT24WC16是CATALYST公司生产的低功耗的16K位的串行CMOS非易失性E2PROM器件[4],内部含有2048个8位字节；一个16字节页写缓冲器；工作电压：1.8～6 V，短路电流100 mA，输出负载能力为1个TTL门和100pF，该存储器具有高速读写、百万次擦写寿命、存储容量大和掉电存储数据可达100年等特点，其管脚主要功能如表1所示。

表1 管脚功能Tab.1 Function of electron tubes

管脚描述：SCL串行时钟输入管脚用于产生所有数据接收和发送的时钟。SDA串行数据/地址双向传输管脚用于数据的发送或接收。A0、A1、A2在多个存储器级联时设置器件地址，在24WC16中不起作用时统一连接到Vss。WP写保护管脚连接到Vcc高电平时存储器为只读状态，连接到Vss低电平时为可读写状态。

I2C总线协议：只有在空闲状态下允许器件进行数据传送，在数据传送过程中，当时钟线SCL为高电平时，数据/地址线SDA必须保持稳定状态不得跳变。SCL为高电平期间，数据/地址线SDA的电平从高到低的跳变视为I2C总线的起始信号；SDA的电平从低到高的跳变视为I2C总线的停止信号。

图3 部分接口电路Fig. 3 Part of the interface circuit

在显示存储电路中，主器件为单片机W78E58B，从器件为串行存储器件CAT24WC16。

器件寻址：主器件通过发送一个起始信号启动发送过程，然后发送它所要寻址的从器件的地址。8位从器件地址的高4位固定位1010（见表2）。接下来的3位（a10、a9、a8）对应为从器件24C16的8个分区（000～111），用来定义从器件哪个分区被主器件访问[5]。从器件的8位地址的最低位作为读写控制位。“1”表示对从器件进行读操作，“0”表示对从器件进行写操作。在主器件发送起始信号和从器件地址字节后，CAT24C16监视总线并当其地址与发送的从地址相符时响应一个应答信号（通过SDA线），CAT24C16再根据读写控制位（R/W）的状态进行读或写操作。器件寻址地址位如表2所示。

表2 从器件地址位Tab.2 Address bits from aff i liated device

应答信号：I2C总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器产生一个应答信号。应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示其已收到一个8位数据。24WC16在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号。24WC16工作在只读模式时，发送一个8位数据后释放SDA线并监视一个应答信号，一旦接收应答信号，24WC16继续发送数据，如主器件没有发送应答信号，器件停止传送数据且等待一个停止信号。

写操作：写操作有字节写和页写模式。本电路采用字节写模式，在此模式下，主器件发送起始命令和从器件地址（R/W置0）给从器件24WC16，在24WC16产生应答信号后，主器件发送24WC16的字节地址，主器件在收到从器件的另一个应答信号后，再发送数据到被寻址的存储单元。24WC16再次应答，并在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中，24WC16不再答应主器件的任何请求。字节写时序如图4所示。

图4 字节写时序Fig. 4 Byte of the writing sequence

应答查询：可以利用内部写周期时禁止数据输入这一特性。一旦主器件发送停止位表示主器件操作结束时，24WC16启动内部写周期，应答查询立即启动，包括发送一个起始信号和进行写操作的从器件地址。如果24WC16正在进行内部写操作，不会发送应答信号。如果24WC16已经完成了内部自写周期，将发送一个应答信号，主器件可以继续进行下一次读写操作。

读操作：对于24WC16读操作的初始化方式和写操作时一样，仅把R/W位置1，有立即地址读、选择读和连续读3种不同的读操作方式。本系统采用立即地址读操作方式。

立即地址读：24WC16的地址计数器内容为最后操作字节的地址加1。如果上次读写的操作地址为N，则立即读的地址从地址N+1开始[5]。24WC16接收到地址信号后（将R/W位置1），它首先发送一个应答信号，然后发送一个8位字节数据。主器件不需发送一个应答信号，但要产生一个停止信号。地址读时序如图5所示。

图5 立即地址读时序Fig. 5 Immediate address of the reading sequence

2.3 存储电路的读写程序

W78E58B采用I2C方式与外部存储器E2PROM芯片24WC16通信，将字节数据通过SCL（时钟线）和SDA（数据地址线）进行双向传输。

外部存储器24WC16的写函数，用于将耐压绝缘的测量参数写入外存24WC16；外部存储器24WC16的读函数，用于提取外存中存储的数据回送到数码管显示或上位机进行统计分析[6]。

部分读写程序如下：

3 结束语

本系统在满足耐压绝缘测试的情况下，增加了掉电数据存储功能。传统耐压绝缘测试系统得到的测试数据显示后需要现场手动记录，在时间紧急、测试量大的特殊情况下一边测试一边记录不方便也容易出差错；本耐压绝缘测试系统能对大量的测量数据进行自动记录，测试完后统一提取数据有利于保证所测数据的正确性和提高工作效率。

随着测量技术广泛应用，有时需要对数据进行大量储存并传送给上位机进行统计分析及上位机软件自动生成数据报表，可采用对存储容量有更高要求CATWC32/64/128/256等芯片来实现此系统。

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FAN Jian. Study on data traversal & circular storage technique of E2PROM[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2012(4):17-19.

Design of pressure insulation test system based on power-down data storage

KE Xiao-hai, KUERBAN Gulijiang, CHANG Li-li, WANG Ping, LU Chong
（School of Electronic and Information Engineering YiLi Normal College, Yining 835000, China）

Design a pressure insulation testing system based on power-down data storage which used the nonvolatile memory chips 24c16 power-fail data storage capabilities connected to the microcontroller in this paper. Designing idea and the circuit structure of the Design of pressure insulation test system based on power-down data storage was described in detail, and the write and read programs were complied. Because of this serial nonvolatile storage technology has much merits, such as high speed read and write, million times to wipe and storage for long time. These advantages can greatly enhance the application scope of system and the test efficiency of system.

pressure insulation test; 24WC16 chips; power-down data storage; microcontroller

TP302

A

1674-6236(2014)03-0124-05

2013–06–27 稿件编号：201306184

新疆自然科学基金资助项目(2009211A10)；伊犁师范学院项目(YLYB201138)

可晓海(1985—)，男，湖北黄冈人，硕士研究生。研究方向：信号与信息处理、模式识别。