基于TMS320F2812泄漏电流测试系统的设计

0 引言
泄漏电流是指在没有故障施加电压的情况下，电气设备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。也包括当人触及电器设备时，由设备经过人体到达大地的电流或由设备经人体又回到设备的电流。它是衡量电器绝缘性好坏的重要标志之一，也是产品安全性能的主要指标。
泄漏电流测试系统内部应当根据不同的标准，或者说最符合人体实际阻抗情况，具备一组或者几组由特定阻抗值和满足一定功率要求的电阻和电容组成的电路来模拟人体触电。通过将人体阻抗网络连接人体可能触电的待测仪器部件，测量流过人体阻抗网络的电流。

1 泄漏电流整体测试方案
为了提高测试精度和数据的采集与处理速度，满足最新标准的要求，设计了新的泄漏电流测试系统。该测试系统以计算机和DSP芯片TMS320C2812作为测控平台，实现了对采取单一人体阻抗网络的泄漏电流的自动测试。测试方法如下：信号输入为直流到1 MHz的电压(或电流)信号，其示意图如图1所示。

1．1 系统硬件设计
测控系统由PC机、DSP芯片TMS320F2812控制系统以及外围扩展功能电路、泄漏电流采集信号调理电路、DSP与PC通信接口电路构成，采集、计算、显示和存储进而分析被测仪器泄漏电流特征值，系统总体框图如图2所示。

各部分功能介绍如下：
泄漏电流调理电路：被测设备在加上220 V交流电压通过隔离变压器所产生的电流，流入人体阻抗网络，第一级放大电路使电流信号转变为电压信号并设计阻抗匹配电路使输入信号稳定，放大电路的作用通过调整放大增益使输出信号在A／D采集范围之内，光耦隔离主要是为了
使被测系统与测试系统之间实现完全的电气隔离，减小两者之间的干扰。
DSP控制系统：利用TMS320F2812的GPIO控制继电器实现三种(表面对表面、表面对地、表面对电源)泄漏电流测试的切换，以及控制中断处理，利用DSP内部集成A／D和采样保持电路进行数据采集，通过串口或USB把数据传输至PC机进行分析、处理和显示。
本系统中DSP采用TI的32位控制类定点芯片TMS320F2812。基于其高处理速度和处理精度的优势，在电子控制系统中有着广泛的应用，其主要特点有外部时钟经过锁相环倍频后达到150MHz(时钟周期为6．67ns)、有着丰富的外设接口(异步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等)、具有多达56个可复用的GPIO口。通过DSP的SCI模块与PC机进行数据通信和TMS320F2812内置12位16通道ADC进行高速数据采集，最高转换速率为12．5 MSPS，可以满足50 Hz～1 MHz泄漏电流的采样。
1．1．1 高度放大与线性隔离电路的设计
按照对泄漏电流测试的最新标准要求，要求对50Hz～1 MHz的泄漏电流进行检测。所以对放大器的频带范围要求很高，本文选用低噪声精密运算放大器HA7-5127-5，其通频带宽达8．5 MHz，满足大于1 MHz的要求。前级电压跟随电路以及放大电路如图3所示。

图中，被测设备泄漏电流经过单一模拟人体阻抗网络，将电流信号转换成电压信号，钳形二极管电路起保护作用，防止正负电压过高。后加跟随放大器U1匹配阻抗和使信号稳定，放大器U2对微弱泄漏电流信号进行放大，通过RP1调整电路的放大增益，以便于观察和采集。

1．1．2 线性光耦隔离电路的设计
在电路设汁中，隔离传输电路是比较常用的电路之一，隔离就是将一部分与其他部分中的非理想影响分离开来，在电子电路中，电介质通过阻断直流(DC)电来实现两个通信点的隔离。泄漏电流测试需要加上工频电压及以上的高电压，期间即使流过很小的交流(AC)电流，也会给人体造成致命的伤害。设计隔离电路的作用就是使人体免受危险电压或危险电流的损坏。高压与低压隔离电路如图4所示。
在医疗设备、工业控制、高精度数据采集、长距离通信、高低压混合系统等电路设计中，经常要用到隔离电路，一般来说，隔离分为光耦隔离、电磁隔离和电容隔离、磁耦隔离四种方法，下面介绍各自的优缺点。
(1)光电隔离技术
光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如：空气间隙)上的光传输，以达到隔离目的。光耦合器(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。光耦合技术的主要优点是，光具有对外部电子或磁场内在的抗扰性，而且，光耦合技术允许使用恒定信息传输。光耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上。还有，光耦合隔离方式适合传输低频信号和直流信号，且功耗较大。
(2)电磁隔离技术
电感耦合技术使用两个线圈之间的变化磁场在一个隔离层上进行通信。最常见的例子就是变压器，其磁场大小取决于主级和次级绕组的线圈结构(匝数／单位长度)、磁芯的介电常数以及电流振幅。电感耦合技术的优点是，可能存在的共模差异和差分传输特性。变压器的精心设计允许噪声和信号频率重叠，但是会呈现出噪声高共模阻抗和信号低差分阻抗。另一个优点是，信号能量传输可达到近100％的效率，从而使低功耗隔离器成为可能。其主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化。
(3)电容隔离技术
电容耦合技术是在隔离层上采用一个不断变化的电场传输信息。各电容器极板之间的材料是一个电介质隔离器，并形成隔离层。该极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等都决定着电气性能。使用一个电容隔离层的好处是，在尺寸大小和能量传输方面的高效率，以及对磁场的抗扰度。电容耦合技术的缺点是其没有差分信号和噪声，并且信号共用相同的传输通道，这一点与变压器不同。这就要求信号频率要大大高于噪声预期频率，这样隔离层电容就呈现出信号的低阻抗，以及噪声的高阻抗。
(4)磁耦隔离技术
磁耦技术是一种芯片级变压器隔离技术。Icoupler磁耦数字隔离器就是在上述背景下，由美国模拟器件公司ADI设计开发的一款适合高压环境的隔离电路。Icoupler是ADI公司的一项专利隔离技术，是一种基于芯片尺寸的变压器，而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管(LED)与光敏三极管的结合，因采用了高速的iCOMS工艺，因此在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光耦技术。同时能满足医用设备高电压工业应用、电源以及其他高隔离度环境的严格隔离要求，非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、数据转换器接口、各种总线隔离以及其他多通道隔离应用。磁耦产品的优点有：
速度高  最高速率可达到150 Mb／s；
功耗低  工作时的功耗仅为传统光耦产品的1／10，最小工作电流为0．8 mA；
性能更高  时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器；瞬态抗扰度可高达25 kV／μs。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的两倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍。
体积更小  集成度更高，最多一个芯片上集成了4个通道；PCB节省60％～70％左右，采用了低成本SOIC封装；
应用方便  同一芯片内提供正向和反向通信通道，而且不用任何外围分立元件；
可靠性高  寿命长，省去传统光电转换部分，寿命与其他CMOS器件相同；
当然，磁耦合隔离方式适合传输高频信号，不能用于直流或低频信号的传输，且需要对隔离输出信号整形后才能为接收数字电路使用，但其功耗较小。[page]
在泄漏电流隔离数据采集电路中，需要隔离的信号有ADC控制信号(直流电平)、ADC工作时钟信号(几兆甚至更高频率的信号)，在这样的应用条件下，如果用普通的光耦隔离器件，只能隔离直流或者低频信号，所以采用光耦技术很难满足对泄漏电流隔离的需求。而磁耦隔离器件不能传输低频信号以及直流信号，且磁耦隔离对数字信号的传输性能较好，即使传输模拟信号，也会引起信号的失真，解决方法就是可以对需要传输的模拟信号进行电平抬高，使得模拟信号的最小电流值可以驱动隔离器件工作，才会保证被传输信号的不失真。另外一个解决的方法就是如果将需要传输的低频信号调制到高频载波上，再用磁耦合隔离电路隔离传输，在接收端再用解调电路提取出低频信号，可以实现用磁耦合隔离电路传输低频信号的目的。本文设计的新型磁耦合隔离电路不用调制和解调电路就可以实现低频和直流信号的磁耦合隔离传输，而且电路结构简单、功耗小，信号传输延迟很小。
本文采用模拟隔离放大器进行隔离，实现测试系统与被测对象电气上的隔离，选用高线性度模拟光电耦合器HCNR201，其主要参数介绍如下：具有±5％的传输增益误差和±0．05％的线性误差；具有大于1 MHz的频带带宽；输入电压范围为0～15 V。电路如图5所示。

电路说明：光耦U2用于正极性信号的隔离，光耦U3用于负极性信号的隔离。在隔离电路中，R2调节初级运放U1输入偏置电流的大小，C3起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管LED受到意外冲击。R1可以控制LED的发光强度，从而对通道增益起一定的控制作用。HC-NR201是电流驱动，其工作电流要求为1～20 mA。由于是隔离双极性信号，因此采用双电源供电的HA7-5127-5运算放大器，其输出电流可达25 mA。R3是采样电阻，将光耦输出电流转变为电压信号，与运放U1组成电压跟随电路，实现输入输出电路的阻抗匹配。在图5线性光耦电路中，隔离电路的隔离电压增益，也即隔离系数为：
G=R3／R2
该隔离电路的隔离增益只与电阻值R3，R2有关，与光耦的电流传输特性无关，从而实现了电压隔离。
1．1．3 电平抬高电路的设计
由于TMS320F2812内部集成的A／D采样范围为0～3 V，在采集信号进行光耦隔离之前，可以调节放大器的增益，使被采集的电压信号落到-1．5～+1．5 V范围之内，然后设计一个+1．5 V的基准电压源将被采集信号进行电平抬高，这样就可以保证采样信号在0～3 V的范围内，电路如图6所示。

利用放大器的虚短、虚断原理，得：
Uo=1．5*(1+Rf／R2)*R3／(R1+R3)-Ui*Rf／R2
这里取R1=R2=R3=Rf=10 kΩ，根据上式即可得：
Uo=1．5-Ui
这样就实现了电平抬高的目的，Ui的取值范围是-1．5～+1．5 V，Uo的取值范围是0～3 V。此时被采集信号在0～3 V输入电压范围之内，满足要求。
1．2 系统软件方案的设计
软件部分包括DSP内部采样程序的设计和DSP采样大量数据与PC机实现数据通信程序的设计，在CCS 3．3开发环境下编写；上位机PC机的测试界面软件采用Microsoft Visual C++编写。
1．2．1 数据采集模块设计
系统的数据采集模块由DSP控制内部集成的ADC模块对外部的泄漏电流调理后的信号进行模／数转换和采样，并将采集到的大量数据送入DSP内部对采样数据进行软件滤波和前端处理，将处理结果通过USB或者串口传入PC机进行后端分析、处理和显示，如图7所示。

TMS320F2812内置12位两路8通道模／数转换模块，内部集成两个采样保持器，采样量程为0～3 V，拥有快速的转换频率，可运行在25 MHz的转换时钟或12.5 MSPS的采样率。根据公式voltage=((AdcRegs．RESULT3>>4)*3)／4095.0，其中voltage为DSP_AD采样值；AdcRegs．  RESULT3为A／D转换结果寄存器。
本系统采用它后，在采集速度和精度上完全可以满足设计的需求。通过软件进行采样，用串口调试助手读出采样值。软件流程图如图8所示。
1．2．2 测试界面程序软件流程
通过启动测试程序软件，由PC机选择测试参数，然后通知下位机(DSP)开始测试，然后测试电路对测试信号进行实时采集，通过放大、隔离保护等信号调理，由DSP控制系统将模拟信号转换成数字信号传至上位机(PC)，PC机对采集到的信号处理及显示，并判定被测设备是否合格，其流程图如图9所示。

2 实验结果
2．1 隔离电路实验结果
对该电路首先进行仿真试验，输入峰峰值为3 V的正弦波，经过双极性隔离电路后，其输入、输出波形如图10～图12所示。 [page]

2．2 电平抬高电路试验结果
对上述电平抬高电路输入峰峰值为3 V的正弦交流信号，在放大器的正向输入1．5 V的基准电压，其输出波形如图13所示。

3 结语
本文主要从软硬件两个方面对整个测试系统做了简单的介绍，硬件部分包括单一人体阻抗网络，高速放大电路，线性光耦隔离电路以及电平转换电路的设计，从硬件角度基本满足泄漏电流测量要求；软件部分分为下位机DSP程序和在PC上运行的VC++程序，结合流程图详细地介绍了测量软件的实现，以及上下位机之间测量通信的流程。