摘 要： ATE電源監(jiān)控單元容易出現(xiàn)漏電故障，如果不及時排除漏電故障，將導(dǎo)致電源監(jiān)控設(shè)備的絕緣擊穿等問題。設(shè)計并實現(xiàn)了一種ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測傳感設(shè)備，該設(shè)備由微處理器、無線通信模塊、信號采集和處理模塊等模塊組成。微處理器由ATmega128L處理器和CC2420無線通信模塊等構(gòu)成，可采集電源監(jiān)控單元的漏電故障信息、檢測傳感節(jié)點的位置信息，并將信息反饋到用戶終端進行管理。采用近似三角形內(nèi)點測試法完成ATE電源監(jiān)控單位的漏電點定位。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計設(shè)備漏電檢測性能高，可滿足電源保護的需求。

關(guān)鍵詞： ATE電源監(jiān)控單元； 漏電檢測； 傳感設(shè)備； 近似三角形內(nèi)點測試

中圖分類號： TN915?34； TM762 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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）中確保平臺正常運行的關(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，可同時滿足電源監(jiān)測和系統(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)控單元自身缺點的限制，會導(dǎo)致ATE電源監(jiān)控單元出現(xiàn)漏電故障，如果不及時排除漏電故障，將導(dǎo)致電源監(jiān)控設(shè)備的絕緣擊穿，電源監(jiān)控設(shè)備無法正常運行。因此，尋求有效的漏電檢測設(shè)備，對確保電源監(jiān)控單元的正常運行具有重要意義[4?6]。文獻[7]提出的信號自距離的漏電保護方法，該方法通過優(yōu)化漏電保護設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的信號距離對漏電電流進行檢測，具有較高的穩(wěn)定性，但是檢測精度較低。文獻[8]從漏電定位角度出發(fā)，提出灰色絕對關(guān)聯(lián)度方法，依據(jù)監(jiān)控單元電流間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度變化情況，對漏電電流進行檢測，該方法提高了漏電識別的效率，但需要消耗較多的能量。文獻[9]提出基于小波分析的漏電檢測方法，通過小波分析法的時頻局限性，對設(shè)備故障的暫態(tài)電流高頻分量進行小波變換，使其能夠單相接地實行漏電保護，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[10]采用中性點不接地系統(tǒng)，依據(jù)附加直流源檢測原理實現(xiàn)漏電檢測，但是該系統(tǒng)功耗較高，靈敏度較低。

針對上述問題，設(shè)計并實現(xiàn)了ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測傳感設(shè)備，該設(shè)備包括微處理器、無線通信模塊、信號采集和處理模塊等模塊，采用近似三角形內(nèi)點測試法完成ATE電源監(jiān)控單位的漏電點定位。

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

1.1 ATE電源監(jiān)控單元的設(shè)計

根據(jù) ATE供電需求，設(shè)計的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、主板同上位機上的通信連接。子板包括多組監(jiān)控電路，可對各路電源進線及時監(jiān)控和管理。

1.2 漏電檢測傳感設(shè)備的硬件設(shè)計

1.2.1 總體功能邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測傳感設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其包括微處理器、無線通信模塊、信號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傳感設(shè)備的關(guān)鍵部分，可對數(shù)據(jù)進行操作、制定路由協(xié)議以及控制程序，同時確保網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性：無線通信模塊同其他節(jié)點完成無線通信，溝通控制任務(wù)以及采集和傳遞數(shù)據(jù)。信號采集和處理模塊包括零序電流檢測通道和零序電壓檢測通道，其中：

（1） 零序電流檢測通道包括輸入電路、濾波電路、相位檢測電路以及模/數(shù)變換電路。零序電流信號采集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)點中部署零序電壓檢測電路，電源監(jiān)控單元母線零序電壓互感器的開口三角中存在零序電壓信號。采用濾波電流過濾零序電壓信號中的噪聲，采用A/D變換電路將過濾后的電壓信號反饋給處理器進行操作。

1.2.2 信號采集核心處理器模塊的設(shè)計

核心處理器節(jié)點包括ATmega128L處理器和CC2420無線通信模塊等，其采集不同漏電檢測傳感器節(jié)點反饋的電源監(jiān)控單元漏電故障信息以及漏電檢測傳感節(jié)點的位置信息，將信息反饋到用戶終端中，向用戶呈現(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測結(jié)果，為用戶管理提供服務(wù)。用戶端的管理信息通過協(xié)調(diào)器節(jié)點反饋給傳感器節(jié)點，完成預(yù)期調(diào)控。微處理器節(jié)點的基本原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器節(jié)點ATmega128L微處理器采用ATmega128單片機，其是基于AVR RISC構(gòu)成的8位單片機，集成了FLASH，E2PROM以及SAM存儲器，具有在線編程的屬性。ATmega128單片機的結(jié)構(gòu)可在ICC編譯環(huán)境下，編寫漏電檢測應(yīng)用程序，同時將該程序下載到ATmega128單片機中的存儲器中，實現(xiàn)漏電檢測程序的運行。ATmega128單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.3 漏電信號的無線傳輸模塊設(shè)計

射頻芯片CC2420是一種滿足ATE電源監(jiān)控單元漏電信號無線收發(fā)規(guī)范的2.4 GHz射頻芯片，該芯片能實現(xiàn)漏電信號傳遞無線通信協(xié)議的PHY層性能以及MAC層性能。其中，PHY層可實現(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測信息接收、分析漏電檢測信號傳遞過程中的鏈路質(zhì)量以及空閑信道情況，MAC層提供漏電檢測信號優(yōu)先級通信機制，增強漏電檢測傳感設(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信號的過程是：天線采集ATE電壓監(jiān)控單元的漏電檢測信號后通過低噪聲放大器進行放大，并通過 I/Q 降頻變換成2 MHz的中頻信號，再對ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測信號進行濾波、A/D變換以及動態(tài)增益調(diào)制等處理，獲取準(zhǔn)確的漏電檢測數(shù)據(jù)。CC2420芯片傳遞漏電檢測數(shù)據(jù)前，先將漏電檢測數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)中，自主產(chǎn)生報頭以及起始幀，按照IEEE 802.15.4規(guī)范，將電源漏電數(shù)據(jù)流的每4 比特擴展為成32 碼片，再將擴展后的漏電數(shù)據(jù)傳遞到D/A變換器進行處理后形成數(shù)字形式，最終采用低通濾波對數(shù)字形式的漏電數(shù)據(jù)進行處理后通過天線發(fā)送到管理終端。

2 ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測傳感設(shè)備的

軟件設(shè)計

2.1 程序設(shè)計邏輯流程圖

漏電檢測傳感節(jié)點監(jiān)測ATE電壓監(jiān)控單位的零序電壓，并將電壓當(dāng)成啟動信號，通過零序電流相法判斷是否出現(xiàn)漏電故障，通過近似三角形內(nèi)點測試法APIT定位漏電點，漏電檢測傳感設(shè)備節(jié)點的具體監(jiān)控流程如圖6所示。

如圖6所示的電檢測傳感節(jié)點，通過零序電壓互感器對ATE電源監(jiān)控單元的母線零序電壓進行檢測，將檢測到的電壓信號通過操作后傳遞到微處理器ATmega128L中進行監(jiān)測，如果ATE電源監(jiān)控單元沒有漏電故障，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傳感設(shè)備傳遞廣播信號，促使漏電檢測傳感設(shè)備對電源監(jiān)控單元的零序電流以及方向進行檢測。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)點處理器切斷漏電線路，同時將漏電數(shù)據(jù)信息以及漏電位置信息反饋給用戶終端，為用戶管理提供依據(jù)。

2.2 單片機ATmega128程序代碼設(shè)計

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

char Vref（）

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

2.3 APIT漏電節(jié)點定位算法

采用近似三角形內(nèi)點測試法定位ATE電源監(jiān)控單元的漏電點。該算法要求未知節(jié)點采集周圍信標(biāo)節(jié)點的信息，再從這些信標(biāo)節(jié)點構(gòu)成的集合中隨機采集3個信標(biāo)節(jié)點。如果集合中存在n個元素，則有[C3n]中不同的采集方法，可得到[C3n]個三角形，分別檢測各三角形中是否存在未知節(jié)點，再運算存在目標(biāo)節(jié)點三角形的交集范圍，將交集范圍的質(zhì)心當(dāng)成未知節(jié)點的位置，上述定位過程如圖7所示。

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

3 實驗分析

通過仿真實驗獲取ATE電源監(jiān)控單元的漏電故障信號，其由零序電壓以及零序電流信號構(gòu)成。采用本文設(shè)計的漏電檢測傳感設(shè)備對采集到的漏電故障信號進行漏電分析，驗證本文所設(shè)計的漏電檢測傳感設(shè)備的準(zhǔn)確性。

采用本文設(shè)計的漏電檢測傳感設(shè)備檢測到的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暫態(tài)時期，通過本文漏電檢測傳感設(shè)備的檢測，ATE電源監(jiān)控單元的暫態(tài)過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)計的ATE電源監(jiān)控單元的漏電檢測傳感設(shè)備是有效的，并且能夠滿足ATE電源保護的需求。

實驗將三菱公司生產(chǎn)的M54133漏電保護芯片作為對比設(shè)備進行5種狀態(tài)下的5次實驗測試。本文設(shè)計的漏電檢測傳感設(shè)備和M54133 漏電保護芯片的檢測結(jié)果如表1和表2所示。

對比分析表1和表2可得，本文設(shè)計的漏電檢測設(shè)備的檢測結(jié)果同仿真結(jié)果相差不大，平均電流波動為 0.07 mA，M54133 漏電流與仿真結(jié)果相差較大，平均電流波動約為 0.52 mA。

測試結(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穩(wěn)定性，達到預(yù)期的設(shè)計效果。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)ATE電源監(jiān)控單元中的漏電檢測傳感設(shè)備，該設(shè)備包括微處理器、無線通信模塊、信號采集和處理模塊等模塊。

微處理器由ATmega128單片機的ATmega128L處理器和CC2420無線通信模塊等構(gòu)成，其可采集不同漏電檢測傳感器節(jié)點反饋的電源監(jiān)控單元的漏電故障信息以及漏電檢測傳感節(jié)點的位置信息，將信息反饋到用戶終端進行管理。采用近似三角形內(nèi)點測試法完成ATE電源監(jiān)控單位的漏電點定位。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計設(shè)備漏電檢測性能高，可滿足電源保護的需求。

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