ATE電源監(jiān)控單元中漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的設(shè)計(jì)

摘 要： ATE電源監(jiān)控單元容易出現(xiàn)漏電故障，如果不及時(shí)排除漏電故障，將導(dǎo)致電源監(jiān)控設(shè)備的絕緣擊穿等問(wèn)題。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備，該設(shè)備由微處理器、無(wú)線通信模塊、信號(hào)采集和處理模塊等模塊組成。微處理器由ATmega128L處理器和CC2420無(wú)線通信模塊等構(gòu)成，可采集電源監(jiān)控單元的漏電故障信息、檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息，并將信息反饋到用戶(hù)終端進(jìn)行管理。采用近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法完成ATE電源監(jiān)控單位的漏電點(diǎn)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)設(shè)備漏電檢測(cè)性能高，可滿(mǎn)足電源保護(hù)的需求。

關(guān)鍵詞： ATE電源監(jiān)控單元； 漏電檢測(cè)； 傳感設(shè)備； 近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）12?0149?05

Abstract： The ATE power monitoring unit is easily to appear the leakage fault. If the leakage fault isn’t eliminated in time， it will result in the insulation breakdown of the power monitoring device. A leakage detecting and sensing device in ATE power monitoring unit was designed and implemented， which is composed of microprocessor， wireless communication module， signal acquisition module， processing module， etc. The microprocessor is composed of ATmega128L processor and CC2420 wireless communication module， which can collect the leakage fault information of the power monitoring unit， detect the location information of the sensing node， and feed the information to the user terminal for management. The method of subtriangular interior?point test is used to locate the leakage point of the ATE power monitoring unit. The experimental results indicate that the leakage detection performance of the designed device is high， and can meet the demand for power protection.

Keywords： ATE power monitoring unit； electric leakage detection； sensing device； subtriangular interior?point test

0 引 言

電源是ATE（Automatic Test Equipment）中確保平臺(tái)正常運(yùn)行的關(guān)鍵?，F(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備電源的分路供給和監(jiān)控，并且具有較多的輸出通道，可同時(shí)滿(mǎn)足電源監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)集成的需求，極大降低了系統(tǒng)資源的消耗[1?3]。受到外界環(huán)境的干擾以及監(jiān)控單元自身缺點(diǎn)的限制，會(huì)導(dǎo)致ATE電源監(jiān)控單元出現(xiàn)漏電故障，如果不及時(shí)排除漏電故障，將導(dǎo)致電源監(jiān)控設(shè)備的絕緣擊穿，電源監(jiān)控設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。因此，尋求有效的漏電檢測(cè)設(shè)備，對(duì)確保電源監(jiān)控單元的正常運(yùn)行具有重要意義[4?6]。文獻(xiàn)[7]提出的信號(hào)自距離的漏電保護(hù)方法，該方法通過(guò)優(yōu)化漏電保護(hù)設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的信號(hào)距離對(duì)漏電電流進(jìn)行檢測(cè)，具有較高的穩(wěn)定性，但是檢測(cè)精度較低。文獻(xiàn)[8]從漏電定位角度出發(fā)，提出灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度方法，依據(jù)監(jiān)控單元電流間的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度變化情況，對(duì)漏電電流進(jìn)行檢測(cè)，該方法提高了漏電識(shí)別的效率，但需要消耗較多的能量。文獻(xiàn)[9]提出基于小波分析的漏電檢測(cè)方法，通過(guò)小波分析法的時(shí)頻局限性，對(duì)設(shè)備故障的暫態(tài)電流高頻分量進(jìn)行小波變換，使其能夠單相接地實(shí)行漏電保護(hù)，但是該方法要求設(shè)備具備較高的穩(wěn)定性，存在一定的局限性。文獻(xiàn)[10]采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，依據(jù)附加直流源檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)，但是該系統(tǒng)功耗較高，靈敏度較低。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備，該設(shè)備包括微處理器、無(wú)線通信模塊、信號(hào)采集和處理模塊等模塊，采用近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法完成ATE電源監(jiān)控單位的漏電點(diǎn)定位。

1 ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 ATE電源監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)

根據(jù) ATE供電需求，設(shè)計(jì)的ATE電源監(jiān)控單元包括1塊主板和4塊子板，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，主板由DSP主控模塊、電源變換模塊以及RS 422通信模塊和SPI通信模塊構(gòu)成。電源變換模塊可為主板以及各子板芯片提供能量，RS 422通信模塊以及SPI通信模塊可分別塑造主板同子板、主板同上位機(jī)上的通信連接。子板包括多組監(jiān)控電路，可對(duì)各路電源進(jìn)線及時(shí)監(jiān)控和管理。

1.2 漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 總體功能邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其包括微處理器、無(wú)線通信模塊、信號(hào)采集和處理模塊以及電源和其他外圍部分。

微處理器模塊是漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的關(guān)鍵部分，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作、制定路由協(xié)議以及控制程序，同時(shí)確保網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性：無(wú)線通信模塊同其他節(jié)點(diǎn)完成無(wú)線通信，溝通控制任務(wù)以及采集和傳遞數(shù)據(jù)。信號(hào)采集和處理模塊包括零序電流檢測(cè)通道和零序電壓檢測(cè)通道，其中：

（1） 零序電流檢測(cè)通道包括輸入電路、濾波電路、相位檢測(cè)電路以及模/數(shù)變換電路。零序電流信號(hào)采集ATE電源監(jiān)控單元出線中的零序電流互感器二次側(cè)，將ATE電源監(jiān)控單元中電流為正的線路當(dāng)成漏電線路，否則，為非漏電線路。

（2） 在ATE電源監(jiān)控單元中母線位置的傳感器節(jié)點(diǎn)中部署零序電壓檢測(cè)電路，電源監(jiān)控單元母線零序電壓互感器的開(kāi)口三角中存在零序電壓信號(hào)。采用濾波電流過(guò)濾零序電壓信號(hào)中的噪聲，采用A/D變換電路將過(guò)濾后的電壓信號(hào)反饋給處理器進(jìn)行操作。

1.2.2 信號(hào)采集核心處理器模塊的設(shè)計(jì)

核心處理器節(jié)點(diǎn)包括ATmega128L處理器和CC2420無(wú)線通信模塊等，其采集不同漏電檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)反饋的電源監(jiān)控單元漏電故障信息以及漏電檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息，將信息反饋到用戶(hù)終端中，向用戶(hù)呈現(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)結(jié)果，為用戶(hù)管理提供服務(wù)。用戶(hù)端的管理信息通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)反饋給傳感器節(jié)點(diǎn)，完成預(yù)期調(diào)控。微處理器節(jié)點(diǎn)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)ATmega128L微處理器采用ATmega128單片機(jī)，其是基于AVR RISC構(gòu)成的8位單片機(jī)，集成了FLASH，E2PROM以及SAM存儲(chǔ)器，具有在線編程的屬性。ATmega128單片機(jī)的結(jié)構(gòu)可在ICC編譯環(huán)境下，編寫(xiě)漏電檢測(cè)應(yīng)用程序，同時(shí)將該程序下載到ATmega128單片機(jī)中的存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)程序的運(yùn)行。ATmega128單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.3 漏電信號(hào)的無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

射頻芯片CC2420是一種滿(mǎn)足ATE電源監(jiān)控單元漏電信號(hào)無(wú)線收發(fā)規(guī)范的2.4 GHz射頻芯片，該芯片能實(shí)現(xiàn)漏電信號(hào)傳遞無(wú)線通信協(xié)議的PHY層性能以及MAC層性能。其中，PHY層可實(shí)現(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)信息接收、分析漏電檢測(cè)信號(hào)傳遞過(guò)程中的鏈路質(zhì)量以及空閑信道情況，MAC層提供漏電檢測(cè)信號(hào)優(yōu)先級(jí)通信機(jī)制，增強(qiáng)漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的通信性能。CC2420芯片結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5中可以看出，CC2420芯片采集和傳遞漏電檢測(cè)信號(hào)的過(guò)程是：天線采集ATE電壓監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)信號(hào)后通過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行放大，并通過(guò) I/Q 降頻變換成2 MHz的中頻信號(hào)，再對(duì)ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、A/D變換以及動(dòng)態(tài)增益調(diào)制等處理，獲取準(zhǔn)確的漏電檢測(cè)數(shù)據(jù)。CC2420芯片傳遞漏電檢測(cè)數(shù)據(jù)前，先將漏電檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，自主產(chǎn)生報(bào)頭以及起始幀，按照IEEE 802.15.4規(guī)范，將電源漏電數(shù)據(jù)流的每4 比特?cái)U(kuò)展為成32 碼片，再將擴(kuò)展后的漏電數(shù)據(jù)傳遞到D/A變換器進(jìn)行處理后形成數(shù)字形式，最終采用低通濾波對(duì)數(shù)字形式的漏電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)天線發(fā)送到管理終端。

2 ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的

軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)邏輯流程圖

漏電檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)ATE電壓監(jiān)控單位的零序電壓，并將電壓當(dāng)成啟動(dòng)信號(hào)，通過(guò)零序電流相法判斷是否出現(xiàn)漏電故障，通過(guò)近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法APIT定位漏電點(diǎn)，漏電檢測(cè)傳感設(shè)備節(jié)點(diǎn)的具體監(jiān)控流程如圖6所示。

如圖6所示的電檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)零序電壓互感器對(duì)ATE電源監(jiān)控單元的母線零序電壓進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)通過(guò)操作后傳遞到微處理器ATmega128L中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果ATE電源監(jiān)控單元沒(méi)有漏電故障，射頻芯片CC2420停止工作，微處理器ATmega128L分析ATE電源監(jiān)控單元的零序電壓是否高于設(shè)定的閾值。如果ATE電源監(jiān)控單元線路存在漏電故障，微處理器ATmega128L獲取的零序電壓高于閾值，則無(wú)線通信模塊CC2420向全部ATE電源監(jiān)控單元線路中的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備傳遞廣播信號(hào)，促使漏電檢測(cè)傳感設(shè)備對(duì)電源監(jiān)控單元的零序電流以及方向進(jìn)行檢測(cè)。如果確定某電源監(jiān)控單元的支路存在漏電故障，則該分支節(jié)點(diǎn)處理器切斷漏電線路，同時(shí)將漏電數(shù)據(jù)信息以及漏電位置信息反饋給用戶(hù)終端，為用戶(hù)管理提供依據(jù)。

2.2 單片機(jī)ATmega128程序代碼設(shè)計(jì)

通過(guò) Flou Vision AVR C 強(qiáng)大的語(yǔ)言，確保單片機(jī)ATmega128發(fā)出指令控制漏電檢測(cè)傳感設(shè)備。其中，基準(zhǔn)電壓以及電流等性能參數(shù)的自主檢測(cè)主程序代碼為：

char Vref（）

上述代碼是采用ATmega128單片機(jī)分析漏電檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的部分程序，該過(guò)程可依據(jù)漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的時(shí)延編制采用時(shí)間間隔，能夠調(diào)控漏電檢測(cè)傳感設(shè)備在相應(yīng)的時(shí)刻開(kāi)啟和關(guān)閉等。

2.3 APIT漏電節(jié)點(diǎn)定位算法

采用近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法定位ATE電源監(jiān)控單元的漏電點(diǎn)。該算法要求未知節(jié)點(diǎn)采集周?chē)艠?biāo)節(jié)點(diǎn)的信息，再?gòu)倪@些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合中隨機(jī)采集3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果集合中存在n個(gè)元素，則有[C3n]中不同的采集方法，可得到[C3n]個(gè)三角形，分別檢測(cè)各三角形中是否存在未知節(jié)點(diǎn)，再運(yùn)算存在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三角形的交集范圍，將交集范圍的質(zhì)心當(dāng)成未知節(jié)點(diǎn)的位置，上述定位過(guò)程如圖7所示。

圖7中的陰影范圍是存在未知節(jié)點(diǎn)的全部三角形交集范圍，黑點(diǎn)則是未知節(jié)點(diǎn)。對(duì)于ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測(cè)傳感隨機(jī)部署的狀態(tài)下，APIT算法可準(zhǔn)確定位出ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)漏電部位的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲取ATE電源監(jiān)控單元的漏電故障信號(hào)，其由零序電壓以及零序電流信號(hào)構(gòu)成。采用本文設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備對(duì)采集到的漏電故障信號(hào)進(jìn)行漏電分析，驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的準(zhǔn)確性。

采用本文設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備檢測(cè)到的ATE電源監(jiān)控單元產(chǎn)生漏電故障的零序電壓以及零序電流波形如圖8所示。從圖8中可以看出產(chǎn)生漏電故障后存在一個(gè)暫態(tài)時(shí)期，通過(guò)本文漏電檢測(cè)傳感設(shè)備的檢測(cè)，ATE電源監(jiān)控單元的暫態(tài)過(guò)程中的高頻諧波分量被剔除，系統(tǒng)可恢復(fù)正常狀態(tài)。并且從圖8所示零序電壓以及三路分支處的零序電流能夠看出ATE電源監(jiān)控單元出現(xiàn)漏電故障，分析零序功率值可定位出漏電支路。因此，本文設(shè)計(jì)的ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備是有效的，并且能夠滿(mǎn)足ATE電源保護(hù)的需求。

實(shí)驗(yàn)將三菱公司生產(chǎn)的M54133漏電保護(hù)芯片作為對(duì)比設(shè)備進(jìn)行5種狀態(tài)下的5次實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備和M54133 漏電保護(hù)芯片的檢測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

對(duì)比分析表1和表2可得，本文設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果同仿真結(jié)果相差不大，平均電流波動(dòng)為 0.07 mA，M54133 漏電流與仿真結(jié)果相差較大，平均電流波動(dòng)約為 0.52 mA。

測(cè)試結(jié)果表明，二者間電流和靈敏度相差較大，本文設(shè)備具有較高的漏電檢測(cè)穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測(cè)傳感設(shè)備，該設(shè)備包括微處理器、無(wú)線通信模塊、信號(hào)采集和處理模塊等模塊。

微處理器由ATmega128單片機(jī)的ATmega128L處理器和CC2420無(wú)線通信模塊等構(gòu)成，其可采集不同漏電檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)反饋的電源監(jiān)控單元的漏電故障信息以及漏電檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息，將信息反饋到用戶(hù)終端進(jìn)行管理。采用近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法完成ATE電源監(jiān)控單位的漏電點(diǎn)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)設(shè)備漏電檢測(cè)性能高，可滿(mǎn)足電源保護(hù)的需求。

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