新型电缆绝缘电阻在线测量系统的研制
第21卷第6期电子测量与仪器学报%z.21Ⅳ0.6
JoURNALoFELECTRoNlC
20Q-年12只MEASUREMENTANDINsTRUMENT?11?
新型电缆绝缘电阻在线测量系统的研制
吴永忠韩江洪郭太峰
(合肥工业大学计算机与信息学院,合肥230009)
摘要:论述了一种新型电缆绝缘电阻在线测量系统的研制。在体系结构上,系统采用了硬件层、协议栈层、操作系统层、应用层等4层结构;在组网方式和硬件上,系统采用分布式结构,通过cAN总线最多可连接255台测量仪,每台测量仪由底板、主板、取样板、继电器阵列板和电源板等5类12个模块组成;在软件上,系统以嵌入式实时操作系统uC/Os—II为内核;在功能上,每台测量仪可测63芯电缆中任意两者间以及任一芯对地的绝缘电阻;在理论上,提出了相关测量精度、灵敏度、分辨率等关键技术的实现方法。
关键词:绝缘电阻,测量,系统,cAN总线,实时操作系统
中图分类号:’rP274文献标识码:A
l;ksearchandDevelopmentofNewInslllationResistanceOn.Line
】ⅥeasurementSvstemfbrPolvcoreCable
wuYongzhongHanJian曲ongGuoTaifeng
(DepartmentofComputerandInfo瑚ation,HefeiUniversityofTechnologyHefei230009,China)
Abstr越t:Thepaperrepresentsanewinsulationresistancemeasurementsystemforp01ycorecable.The
sys—temconsistsofhardwarelayer,protocolstocklayer,operatingsystemlayerandapplicationlayerinsystemarchitec—ture.DistributedcontroltechniquebasedonCANbusandsoftwareschemebasedonRTOSuC/OS—IIareintro—duced.255measurementunits砒mostcanbeconnectedtoCANbus,witheachunitembodying12modulesinclu-dingabottomboard,aCPUboard,aADboard,apowersupplyboardand8Ielayboards.Insulationresistancebetweenanyoneofcoresandgroundorbetweenanytwoof63corescanbetestedaccurately.Also,theanalysisandrealizationmet}lodsofthesystemmeasurementprecision,sensitiVityandresolutionareproposedtheoretically.Keywords:insulationresistance,measurement,system,CANbus,RTOS.
为了监测电缆对地和电缆问的绝缘度,确保设备的安全运行,电缆绝缘电阻测量仪在工矿、商业通信、军事技术等许多领域有着广泛的用途。本文所描述的新型电缆绝缘电阻在线测量系统,主要应用于铁道信号电缆的绝缘测试。系统容量大、测量方式多样,可满足大多数铁路场站区段的监测要求。
1总体设计
1.1主要技术指标及功能
(1)组网方式:PeilCAN2.O协议;
(2)测量精度:优于10%;
(3)量程:0~9MQ、9—99MQ、99~999MQ三档,自动优化量程转换;
(4)灵敏度:优于200k;
(5)分辨率:1%满量程;
(6)测量方式:电缆对地和任意二芯电缆之间绝缘电阻的测量。
1.2系统组成与网络结构
测量系统采用分布式结构,由绝缘电阻测量仪及主机组成,测量仪与主机之问通过2芯电缆组成
本项目为863重点引导项目《企业铁路智能运输调度综合信息平台开发》(编号:2004AAcHDl021)。
本文于2006年9月收到。吴永忠:副教授,博士,硕士生导师;韩江洪:教授,博士生导师;郭太峰:副教授。
?78?
电子测量与仪器学报2007年CAN总线网络。系统最多可连接测量仪255台,最
少为1台,每台测量仪最多可测量63芯电缆对地和任意两者间的绝缘电阻,连接在不同两台测量仪上的电缆之间绝缘电阻不可测,其网络结构与系统组成如图l所示。
012-~63012…63012…63
电缆
图l测量系统网络结构与组成
在系统研制中,核心是测量仪的研制,包括硬件与软件的研制。
1.3系统体系结构
在体系结构上,系统采用4层结构,如图2所示,自底层而上分别是:物理层、底层协议栈、内核层(操作系统层)和应用层。
I应用层
【——————
:鬯望L==竺竺掣竺塑三==一::协议栈[王至亚堑夏二工二二二二亘j霾夏二二]:
蓐厩震藤乖霾圜
图2系统体系结构
1.4仪器结构
测量仪由5类12个模块组成,分别是底板模块、主模块(cPu模块)、取样模块、电源模块和继电器阵列模块,置于封闭的金属机箱内,其结构如图3所示,底板上有11个31×2的总线槽及1个隔离栅槽,自左向右分别接插主模块、取样模块、隔离栅、l~8号继电器阵列模块(可选,但至少一个)、电源模块,其中,继电器阵列模块通用。隔离栅是一个金属板,用于从空间上将系统的强弱电分隔在两个物理区域,其作用是防止来自强电模块的冲击从空中干扰弱电模块。采用这种模块化结构的优点在于:一是维护简便,发现故障可直接更换模块;二是可根据待测电缆的实际情况来优化配置继电器模块的数量;三是结构紧凑,体积小巧。
口口Iq口口口口nn门口
底总总隔
板线线离
槽槽栅
l2槽
图
总
线
……
槽
3
3仪器结构
2关键技术及其实现方法
总
线
槽
1l
关键技术之一:测量精度、分辨率、灵敏度的计算和实现方法。
对于测量仪来说,测量精度、分辨率、灵敏度等是最为关键的技术指标。在AD转换器有足够精度和分辨率的前提下,合理的测量方法和高精度的计算是实现关键技术指标的根本保证。高精度的计算可通过采用C语言浮点运算来方便地实现。因此,测量方法(包括取样网络和激励电源)的选择即是本项目的关键技术之一。
关键技术之二:继电器阵列的优化排列与控制方法。
本项目需要测量63芯电缆对地以及两两问的电阻,在数量上采用最少的继电器来实现既定目标,最大限度地减小系统的复杂性和降低成本至关重要。本项目提出了一种先进的继电器阵列排列与控制方法,阵列共由128只继电器组成,平均分布在8个继电器阵列模块上,模块与模块问最多只由4根信号线相连。限于篇幅及技术秘密,本文不详述。2.1取样网络的确定
在测量仪中,激励电源的精度对测量的结果产生重要影响,但是设计高精度的电源成本不菲。为了克服激励电源波动的影响,取样网络采用如图4所示比例分压电路,这种类型的电路可消除激励电源波动时给测量结果带来的影响。其中u为激励电源,R】【为待测电阻,R,、R:分压后产生电压U∞,输入AD作为激励源的基准比较电压,其作用是跟随激励电源的变化,从而抵消激励电源波动对测量带来的误差,R,用于限流,保护后端器件。融、R3、R;串联起来组成主测试回路、比串联在待测阻抗回路中,用于限流保护,Ri为主测试回路分压电阻,由
第6期新型电缆绝缘电阻在线测量系统的研制?79?
多个电阻组成,实现量程变换。由图4可得:
图4取样网络
R.
u∞5i薏u(1)
um:西‰u(2)
联立上述两方程,可得:
盼等半≯也也㈩
由上式可以得结论1:测量精度与激励电源无关。
2.2量程与取样网络参数计算
2.2.1Rl、R2的选择
设uREF=2.5V,且为AD最大量程,则根据AD的要求,必有:
U02冬UREF(4)根据式(1)和(4),有:
等usuREF(5)
R1+R,…此’…7
由于U》UREF,从而可得:
鲁≤靠一导㈤
RT—U—URFFU
…7(1)阻值的选择
为了保证R,、R:上具有较小的功率损耗,选择R,=2Mn,则R2≤10kQ。为最大限度地保证u。:≤2.5V,可选择R:=4kQ,此时u∞=1V。电阻功率分析计算略。
故得结论2:R。、R:的阻值可选择为R。=2MQ,R2=4kn。
(2)R。、R:精度分析计算
对测量精度的影响主要源于激励电压的波动、线路噪声和取样网络电阻的误差,表现为分压输出电压的误差。由于U。:=1V,可假定U∞》U。0is。,u。。i。。为R:两端的等效噪声电压,故可忽略线路噪声对测量误差的影响。根据结论1,误差与激励电源精度无关,则输出电压的最大误差最终等效为R,、R:的最大变化量△R。、△R:对输出电压的影响。设电阻RhR:的精度为仪,则当△Rh△R:反相变化时,测量误差最大,即:
毗眦=(再‰一熹)u
△U02~(1+0【)R2R2
,,T、丁。丌i丽■可丽一丽o7,
又,根据测量要求精度有8。。;s10%,即:
‰,:訾≤10%(8)
8。ax2—百一slu坳L6,联立式(1)、(7)、(8),可得:
仅≤蛊%一去矾762%㈩
仅≤主矗菇2者24?762%(9)
由式(9)可得结论3:电阻R。、R:精度可选择为4%,即可满足10%的设计测量精度要求。2.2.2电阻R。、Rj及量程选择
(1)量程设计与分析计算
根据AD技术要求,有u。,≤2.5V,为了确保AD输入电压小于满刻度值,故选择:u。。。。。=2.0V。
为了有效地抑止输出噪声对测量结果的影响,假设,线路等效到Ri两端的噪声电压最大值u。,N。i。。M。≤0.2V,因此,电阻Ri两端所分得的电压最小值必须满足u。,mi。≥O.2V。故:O.2≤uol≤2.0,根据式(2)可得:
R
n2si蒜畦2?o
j』Rx≥uRi/2一R3(10)
j{(1U)
【R。冬5URi—R3
取u=500V,当R)【=o时,可得:未2击,该式满足式(10)。
取R。=1MQ,则:Ri=4kQ,此时流经取样网络的电流十分小,可不考虑Ri功率问题。故将R,=1MQ、Ri=4kQ代人式(10),可得:R】【≤9MQ。
由此可得结论4:当选择R3=1MQ、Ri=4kQ,测量范围为0Q~9MQ。称为测量档1。
同理,可得结论5:当选择R,=1MQ、Ri=40kQ,测量范围为9—99MQ。称为测量档2。
结论6:当选择R3=lMQ、Ri=400kQ,测量范围为99~999MQ。称为测量档3。
(2)R3、Ri精度分析与计算
?80?电子测量与仪器学报2007年
假定电阻相对精度为0【,与电阻R。、R:精度分由式(3)和(14),可得:
析计算同理,可得:
仪≤志龄
匹而矗萄i赢(11)
由式(11)可知,电阻精度的要求与待测阻抗融
相关,是一个非线性值。现作如下讨论:
对于测量档1,忽略计算过程,
当R】【=0时,得:d≤4.7625%
当Rx=9MQ时,得:仪冬9%
因此,对于第一档,电阻R,、Ri的精度可选为
4%。
同理,对于其它两个测量档,也有同样的结论。
故,可得结论7:电阻R。、Ri的精度应优于4%。
2.3灵敏度分析计算
假设取样电阻Ri和R:两端最大噪声电压为
u№。。M。,系统灵敏度用△s表示,除去噪声信号,则
根据式(3),有:
△S=U02一UNoi。。M。Ri(R1+R2)
一R3一Ri(12)
当UNoi。M。=0.1V,△S=111KQ,故可得结论9:式(12)即为系统灵敏度计算公式。
2.4分辨率计算
系统分辨率主要取决于两个因素,即:AD取样精度和取样电阻精度。故:设系统分辨率为△R,相对分辨率为q,取样电阻相对精度为0【,AD分辨率
为△umi。=等,n为取样精度。
在不考虑取样电阻精度的情况下,系统分辨率仅考虑对取样电压的分辨,它可视为一个△u。i。所对应的阻抗值,此时有:
R,+△R=半墨掣一R,一Ri
一_(R。心)-R;=等半≯一=舞芈(13)
由式(13)可知,当n足够大时,△R一0,故:AD对系统分辨率的影响可以忽略。
当取样电阻相对精度为仅时,则此时:Rx+△R_(1+仅)[等掣_R3_Ri]
j△R=(R。+△R)一R;
n2面2仅
故可得结论10:系统相对分辨率与取样电阻相对精度相等。
3测量仪软硬件研制
3.1硬件研制
在测量仪5大类模块中,主模块、取样模块、继电器阵列模块和电源模块通过金手指总线引腿接插在底板模块的总线槽上,各模块通过模块总线进行通信、取得电源,并受主模块控制。
电源状态RS
指示指示232
fff』
CPU12CSPI
IffII
CAN隔离
总线电路
00t
模块总线
A,DSPI
曹尉
模块总线
(a)主模块(b)取样模块
图5主模块和取样模块硬件框图
(1)主模块,如图5(a)所示,包括:cPu电路、CAN总线电路、12C、SPI、RS-232通讯接口、输入输出端口、电源工作指示、系统工作状态指示等。cAN总线连接各测量仪及主机,是设备外部总线,用于组成测量网络;RS232串行口用于实现IAP下载功能,12C、SPI、输入输出端口、电源输入等是模块总线的主要组件,其中,12c总线挂接16个通信控制器,用于控制16×8路继电器,SPI总线用于AD的控制与通信。
(2)数据取样模块,如图5(b)所示,包括:AD转换器、取样网络、量程变换及其指示电路等。
(3)继电器阵列控制模块,如图6(a)所示,包括:通讯与控制电路、隔离与驱动电路、继电器阵列、继电器开合指示电路以及电缆输入接线端口。
(4)电源模块,如图6(b)所示,包括:Ac220/DC5V、AC200V/DCl2V供电电源以及AC220v/Dc500V激励电源。
(5)底板模块,包括:11个31×2总线槽、抗干扰滤波网络、标准试品电阻等。
第6期新型电缆绝缘电阻在线测量系统的研制?81?
电源状态8芯电缆指示指示接线端
ffI』
8×2继电器阵列
ff
l隔离驱Il通信l
l动电路一控制1
个山
模块总线
AC220V/DC变换
』ifDCDCDC12V5V500V电电激励源源电源000
模块总线
(a)继电器阵列模块(b)电源模块
图6继电器阵列及电源模块硬件框图
-J
3.2软件描述
软件分上位机(主机)软件和下位机(测量仪)软件两个部分,上位机软件用Delphi和MySQL数据库实现,主要实现数据传送、存储、显示、打印、历史查询等功能。
图7软件流程图
下位机程序主要由斗c/OS—II内核及其应用程序组成(如图2),总体流程如图7所示,椭圆内为内核,负责管理各个线程的运行;应用程序主要由5个线程组成,即:中断服务子程序、喂狗任务、CAN总线双向通信任务、系统状态指示任务、绝缘电阻测量任务。斗c/Os.II的调度方式是占先式,所以各任务优先级确定原则如下:在4个任务中,喂狗任务承担着监视系统工作状态的重任,必须得到及时响应,实时要求最强,否则系统将崩溃,所以优先级最高;cAN总线接收数据缓冲区内只能保存1帧数据,若不及时取出并执行上机指令,一方面容易造成数据溢出,另一方面也可能因无法收到上位机的指令而导致某些恶劣结果,所以cAN通信任务的实时性要求次之,优先级定为第2高。该任务主要实现上下位机之间的数据传送、识别和指令执行;当CAN总线接收到数据后,引起硬件中断,该中断服务子程序读取CAN总线上数据,然后通过消息邮箱,用OS—MbobPost()函数将数据发到邮箱。cAN通信任务一旦收到内核发来的邮箱消息,便立即进入就绪状态,在没有更高优先级任务就绪或者执行的情况下,即取得运行权,转入运行态,分析和执行各种指令和分发数据。电阻测量任务和系统状态指示任务优先级分别设置为第3和第4高。各任务执行完毕后,通过osTimeDly()延时函数挂起,当延时结束后,便转入就绪态,一旦在就绪任务中优先级最高便又重新转入运行态。
4结论
经测试,系统所有技术指标均符合设计要求。实际系统的取样电阻采用1‰的精密电阻后,测量精度优于l%,灵敏度优于100k,最高分辨率可达1k。作为863重点引导项目的组成部分,系统已经成功地应用于梅山钢铁公司专用铁路,稳定可靠,测量一致性很好。
参考文献:
[1][美]JeanJ.IJabmsse著,绍贝贝译.嵌入式实时操作系统斗C/0s-II(第2版)[M].北京:北京航空航天大
学出版社,2003.
[2]徐爱钧,彭秀华编著.单片机高级语言C51windows环境编程与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.[3]饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线cAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[4]刑昌凤,李亦伟.船用电缆绝缘电阻自动检测精度的分析与研究[J].海军工程大学学报,2004,14(2):25
—28.
[5]蔡宗平,王跃钢,刘光斌.单片机在导弹绝缘电阻测试中的应用[J].宇航测试技术,2000,.20(4):51—
54.
[6]李航生,肖迎春.铁道信号微机监测系统中电缆绝缘在线检测[J].武汉水利电力大学学报,2000,33(6):
92—94.
[7]李东辉,蔡旭,邹宝兰.微机直流系统绝缘监视装置及测量方法的研究[J].电子测量与仪器学报,2000,
14(3):37—39.
[8]方庆掂,倪国强.采用可编程器件实现12c接口[J].仪器仪表学报,2002,23(5):499—503.
(作者简介下转第98页)
?98?
电子测量与仪器学报2007年
时间对失真度册D带来的影响,会使失真度的实验测量值与理论计算值相悖,例如:当(,,M,Ⅳ)=(10kHz,256,16)时),隅D=0.388%;而(.厂,M,Ⅳ)=(10kHz,512,16)时,强加=0.417%。
(5)通过实验发现,提高合成正弦波的频率后,由于受D/A电路频率响应特性以及失真仪测量范围的限制,出现了文献[1]所提到的高频滤除现象。实验数据中,斜体字表示的数据已经不符合理论公式计算的失真度值。其中主要表现为以下几种异常情况:
①当合成正弦波的频率.厂=100Hz及更高时,在离散点数M较大时,会出现失真度弼D随着D/A位数Ⅳ的减小而减小的现象;
②当合成正弦波的频率不断提高时,由于受到DAc芯片LTCl597建立时问的限制,会出现失真度强国随着离散点数M的增大而增大的现象;
③当合成正弦波的频率.厂=100kHz时,已经无法建立离散点数M=1024的正弦数字波形。
所以对于合成正弦数字波形的失真度馏D来说,不一定选择D/A的位数N越高越好,也不一定取离散点数M越密越好。为了达到低失真的目的,最好的方法是增加输出滤波器。
4结论
本文在对数字波形建模的基础上,经过均方根有效值计算和傅立叶级数分解得到数字波形失真度与时间量化和幅值量化之间关系的计算公式(9),并从实验的角度验证了DAC的分辨率、建立时间以及合成正弦数字波形周期内的离散点数对数字波形失真度的影响,从而证明了理论公式的正确性。利用本文提供的分析方法,不但可以方便的计算数字正弦波形的失真度,还可以计算任意数字波形的有效值及基波、二次谐波、高次谐波的有效值,对数字波形合成中的谐波分析有很大的参考价值。
参考文献:
[1]王广柱,王雷,郭秀英.数字合成正弦信号的波形失真度分析[J].山东工业大学学报,1998,28(4):329—
333.
[2]李春明,孙圣和.数/模转换器输出毛刺对数字合成信号影响的分析及其消除方法[J].仪器仪表学报,
1996,17(6):561—565.
[3]张平等.数字合成正弦信号相位噪声及抑制方法研究[J].哈尔滨工业大学学报,1999,31(5):73—78.[4]付平,刘旺,张毅刚.直接数字合成正弦波谐波失真度测试方法[J].测控技术,2002,21(5):46—48.[5]赵步云等.基于Quanet测试系统的高速DAc芯片测试[J].电子工业专用设备,2005,127(8):37—42.
作者简介:
李亚碌:女,1977年出生,2002年毕
业于大连理工大学测试计量技术及仪器
专业,硕士学位。现为北京东方测试计
量技术研究所工程师。主要研究方向为
电学计量及测试技术等。
(上接第81页)
作者简介:
吴永忠:男,1964年出生于四川武胜。
计算机应用技术专业,副教授,高级工程
师,博士。研究方向为信号与信息处理,嵌
入式系统。
新型电缆绝缘电阻在线测量系统的研制
作者:吴永忠, 韩江洪, 郭太峰, Wu Yongzhong, Han Jianghong, Guo Taifeng
作者单位:合肥工业大学计算机与信息学院,合肥,230009
刊名:
电子测量与仪器学报
英文刊名:JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT
年,卷(期):2007,21(6)
被引用次数:2次
参考文献(8条)
1.方庆喆;倪国强采用可编程器件实现I2C接口[期刊论文]-仪器仪表学报 2002(05)
2.李东辉;蔡旭;邹宝兰微机直流系统绝缘监视装置及测量方法的研究[期刊论文]-电子测量与仪器学报 2000(03)
3.李航生;肖迎春铁道信号微机监测系统中电缆绝缘在线检测[期刊论文]-武汉水利电力大学学报 2000(06)
4.蔡宗平;王跃钢;刘光斌单片机在导弹绝缘电阻测试中的应用[期刊论文]-宇航计测技术 2000(04)
5.刑昌凤;李亦伟船用电缆绝缘电阻自动检测精度的分析与研究[期刊论文]-海军工程大学学报 2004(02)
6.饶运涛;邹继军;郑勇芸现场总线CAN原理与应用技术 2003
7.徐爱钧;彭秀华单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用 2001
8.Jean https://www.360docs.net/doc/b210077936.html,brosse;绍贝贝嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ 2003
引证文献(2条)
1.曹娟.纪秀明.黄建民全机电缆分布式自动测试系统软件设计[期刊论文]-电子测量技术 2010(12)
2.王琨.晏敏.黄会雄.侯志春.李旭.刘滔半导体材料电阻率与导电类型测试仪的研制[期刊论文]-国外电子测量技术 2008(9)
本文链接:https://www.360docs.net/doc/b210077936.html,/Periodical_dzclyyqxb200706018.aspx