基于Arduino的通用型通路与绝缘性检测仪设计*

吴向臣　吴茂林　吴作栋

(1.海军工程大学兵器工程系　武汉　430033)

(2.海军驻连云港七一六所军事代表室　连云港　222000)



基于Arduino的通用型通路与绝缘性检测仪设计*

吴向臣1吴茂林1吴作栋2

(1.海军工程大学兵器工程系武汉430033)

(2.海军驻连云港七一六所军事代表室连云港222000)

摘要通过对通用型通路和绝缘性能检测仪的设计与实现，满足对特殊装备进行通路与绝缘性能检测的测量需求。采用Arduino核心控制板和兼容该控制板的传感器进行电路的设计和功能实现，在满足设计要求的同时简化设计流程和电路结构。使用Arduino控制器和高精度A/D转换模块对测量设备的电路进行设计并转化为实验样机，最后通过实验验证设备电路的测量精度。

关键词Arduino; 通路电阻; 绝缘电阻; 高精度数模转换

Universal Circuit and Insolation Detector Design Based on Arduino

WU Xiangchen1WU Maoling1WU Zuodong2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

(2. Navy Representative Office in 716thResearch Institute, Lianyungang222000)

AbstractThe measure requirement is satified to the special equipment through the designing and realizing of the universal device to the access and the insolation.The circuit is designed based on the ARDUINO and the sensor of this CPU.This project not only satisfies the designing demand but also simplifies the flow path of the project. The ARDUINO and the precision A/D module are used to design the circuit and turn it to the prototype. At last the precision of this equitpment is checked through the test.

Key WordsArduino, via resistance, insulation resistance, high precision A/D

Class NumberTP311

1引言

随着装备的电子集成度越来越高，装备设施在使用之前的检测工作也就越来越繁重。同时某些装备设施由于其自身的特殊性，对检测设备的性能和参数的要求较高，因此一些市场通用的检测设备普遍无法满足该类型装备的检测要求。以本文涉及的对某装备进行通路和绝缘性能检测的设备为例。首先由于待检测的装备中存在火工品，检测过程中回路电流要求必须控制在1mA以下。而普通的万用表中的线路电流都在1mA以上，无法对该类型装备进行检测；其次在检测绝缘性能时由于电压小，电阻大，回路中的电流一般在微安级别，这对检测设备的测量精度提出了较高的要求；再者在对通路性能进行检测时，由于电阻值只有1Ω左右，即使是微弱的导线电阻也会对测量精度产生影响，因此这对测量设备的误差控制提出了很高的要求。为了满足对该型装备的通路和绝缘性能检测需求，需要设计专门针对装备的检测设备。

2设计思路和方案

2.1设计思路

设计电路时，通路检测电路和绝缘性检测电路分开设计，使用双通道双刀单掷开关进行模式选择，通过高精度数模转换模块采集被测电阻的电压和线路电流，由处理器芯片将数据读出处理。使用公式计算出被测电阻阻值，并将该数据通过I2C总线发送到LCD显示屏显示。

2.2工作流程设计[1]

设备的检测过程主要是通过高精度的数模转换模块采集电路信息，发送到核心控制进行信息处理，并通过I2C接口发送到显示模块中显示。

系统结构图如图1所示。

图1　系统原理图

2.3技术方案设计

由于该设备主要用于对待测电路中的绝缘电阻和通路电阻性能进行检测，并将检测结果直观地显示给操作人员。由此电路设计的主要内容包括电路信号采集电路设计，信号处理和运算模块设计，显示电路设计三个方面。为了到达设计目的，同时简化设计过程，本系统硬件平台采用基于DFrobot公司的Arduino UNO开发板芯片和MCP3424数模转换模块以及LCD-2004显示模块进行电路设计。

3Arduino原理[1]

3.1Arduino基础

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，Arduino主要包含两个部分。硬件部分是可以用来实现各种电路连接的Arduino电路板；软件部分主要有一个可以在个人计算机上进行程序开发集成环境叫做Arduino IDE。使用者通过在Arduino IDE中编译和调试程序代码。调试成功后通过串口设备将代码上传到Arduino控制板中。随后程序在控制板中自动循环运行。Arduino家族包含各种传感器，控制器，通信模块和显示模块。适合设计和开发不同类型的设备仪器、无人机和机器人。

3.2Arduino模块使用原理[3]

3.2.1核心控制板

Arduino UNO开发板芯片是Arduino USB接口系列的最新版本，其原理图如下所示，为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出(其中6路克作为PWM输出)，6路模拟输入，一个16MHZ晶体振荡器，一个USB接口，一个电源插座。UNO已经发展到第三版，该版本具有如下特点：

在AREF出增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加了IOREF和一个预留管脚，因此扩展板可以兼容5V和3.3V核心板。

图2　核心板元件图

3.2.2高精度数模转换模块

MCP3424高精度数模转换模块为Microchip MAP342X系列的低噪声和高精度18为A/D转换器，元件如下图所示。这些器件可以将模拟输入信号转换成分辨率高达18位的数字代码。片内2.048V基准电压使输入电压范围为-2.048~+2.048差分输入。用户通过2线I2C串行接口对控制配置为进行设定，从而使这些器件按3.75、15、60或者240采样/s的速度进行转换。在每个转换周期内，器件自动对失调和增益误差进行校正。器件可以在不同温度和电源电压波动下，在不同转换周期内提供精确的转换结果。器件采用2.7V~5.5V单电源供电，并使用兼容标准、快速或快速模式和两线I2C串行接口。其特点是：在每个转换周期内，自动对失调和增益误差进行校正。

其分辨率可以设置，以满足不同场景的要求。用户可在A/D转换之前可选择PGA增益对信号进行放大[2]，方便对微弱电压的检测。提供两种转换模式：单次转换模式和连续转换模式

3.2.3液晶显示模块

I2C LCD2004模块来自DFrobot的一款显示器，采用I2C的通信接口驱动。LCD2004拥有4*20字节的STN白色字符显示及蓝色背光灯。同时该显示器可以兼容其他单片机。美观实用，功能强大。

工作电压5V。I2C设备地址：0x20~0x27。通讯接口：I2C。液晶参数：4行，每行20个字符。点尺寸：0.55mm×0.55mm。尺寸：98mm×60mm×24mm。

4硬件电路设计与分析

4.1电路结构设计[4]

由于采用了模块化的设计方案，使得设计过程较为简单。电路结构设计主要分为三个部分:信号采集部分、信号处理部分和信息显示部分。通过数模转换模块采集和处理从电路中检测到的电信号，并将模拟信号转化为数字信号，通过SDA和SCL端口将数据发送到处理模块中。处理模块处理来自各个端口的数据，并通过相关计算的出待测数据的结果。并通过串口通信的方式将结果交给显示模块输出。电路设计结构如图3所示。

4.2电路设计[5]

电路设计过程中，主要从测量设备的安全性出发，控制线路内的电流大小，同时兼顾电路设计的简洁性和便携性。由于电路设计过程中主要采用模块设计，简化了设计电路。只需要通过导线将不同的模块按照相应的端口连接在一起。不同模块之间通过不同的通信协议连接，并进行数据交互。其中使用最多的为串口转TTL电平通信方式。同时考虑到设备的使用环境不同，为了提高电路的测量精度，抵消环境因素尤其是气温因素对电路测量结果的影响，因此在设计过程中增加了热敏电阻减小温度变化带来的测量误差。测量电路的安全性是仪器的重要指标，在任何情况下，设备的线上电流不得大于10mA。因此在电路中采用冗余设计，任何一个元件短路的情况下，都不会造成电流超过限制值。电路设计图如图4所示，对应的PCB电路如图5所示。

图3　电路设计结构

图4　检测仪模块电路设计

图5　检测仪模块PCB设计

4.3设备性能指标分析

通用型通路与绝缘性能检测仪主要功能为：通路性能检测和绝缘性能检测。具有电源指示、模式指示和误操作安全保护功能；可检测各型设备的内阻和绝缘电阻；也可检测某些特殊装备的内阻，例如使用电发控装置的设备电路；检测结果由处理器经过处理得到是否合格的有效结论；同时检测结果可直接存储并显示在设备上，便于判读。设备性能指标：

1) 测量范围

内阻档：0.00Ω~5.00Ω；绝缘电阻档：1MΩ~100MΩ；安全电流：小于10mA。

2) 测量精度

内阻档：不大于5%；绝缘电阻档：不大于5%；电流测量：5%。

3) 安全允许电流：不大于5mA；采用直流充电电源，电压工作范围：1.5V~9V。

5设备实验分析

5.1实验设计[6]

图6　实验样机图

由于该设备的设计用途主要是在于对实际装备尤其是某些有特殊要求的装备进行检测，因此在设备设计完成后，需要对设备进行多次实验和调试。通过实验调试，一方面调试设备的测量精度使其满足指标要求；另一方面可以通过实验检验测量仪器的可靠性和使用安全性。实验过程中对仪器电路电流进行反复测量，确保电流始终小于安全电流。实验设备样机如图6所示，实验过程中，使用不同阻值的电阻模拟待测系统中的内阻和绝缘电阻，使用检测设备对不同阻值的电阻进行测量，显示电阻值和线上电流。

5.2误差分析

图7　实验结果图

通过实验可以对设备的测量误差进行分析，如图7所示分别为标准阻值为5.1mΩ的绝缘电阻和标准阻值为0.7Ω的通路电阻通过检测设备测量的结果。首先两者电流分别为0.87μA和425.23μA，均没有超过设置要求的10mA的标准。由于0.7Ω的通路电阻接入电路测得的电流值为425.23μA，而0.7Ω可以近似为导通因此该测量设备的最高电流小于500μA。其次通过标准阻值电阻计算两者的测量精度分别为2.35%和4.28%，满足测量要求。经过多次反复实验得到的数据结果分析,设备精度满足设计要求。

6结语

本测量设备的设计完成不仅满足了对于特殊装备通路和绝缘性能的测量需求，而且本次设计中，使用了模块化的设计方式，了解Arduino平台和相关传感器的使用方法。由于Arduino的开源性，使得它可以支持的模块十分丰富。通过本次设计，积累了使用Arduino设计的经验，为以后使用该平台设计更加复杂的测量和控制系统打下了技术基础。

参 考 文 献

[1] 程晨.Arduino开发实战指南[M].北京：机械工业出版社,2012:20-26.

[2] 谭亮.Processing互动编程艺术[M].北京：电子工业出版社,2011:43-50.

[3] 于欣龙,Massimo Banzi,郭浩.爱上Arduino[M].北京：人民邮电出版社,2012:64-69.

[4] 杨毅明.数字信号处理[M].北京：机械工业出版社,2012:25-45.

[5] 张宝玲,吴兰臻,郑海昕.基于Arduino的趣味电子制作[M].北京:科学出版社,2011:41-46.

[6] 袁本华,董峥.基于Arduino控制板的温室大棚测温系统设计[J].安徽农业科学,2012(8):5049-5050.

中图分类号TP311

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.033

作者简介:吴向臣，男，硕士研究生，研究方向：兵器科学与技术。吴茂林，男，硕士，副教授，研究方向:兵器科学与技术。吴作栋，男，研究方向：系统工程。

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月25日