一种在线接地电阻快速测量系统的制作方法

本发明属于装备快速、准确测量接地电阻领域，具体涉及一种在线接地电阻快速测量系统。

背景技术：

在四站外场保障装备中，充氧车和电源车设置了接地系统。充氧车接地系统承担着将装备静电有效导向大地的作用，防止在充氧保障过程中因静电导致起火甚至爆炸事故的发生。电源车接地系统不但具有传输静电的功能，在电源车发电、变电、供电系统出现漏电时能够将漏电及时传向大地，防止伤人、损伤设备等事故的发生。优良的接地系统是电源车、充氧车安全可靠运行的重要保证。接地电阻的大小是接地系统品质优劣的重要判据。精确、快速、简洁、可靠的接地电阻测量是保证电源车和充氧车可靠、安全的完成飞行保障的迫切需要。

技术实现要素：

本发明提供一种电源车升压转换快速检测系统，用以解决现有设计书中存在的不足。

本发明按以下技术方案实现：

一种在线接地电阻快速测量系统，其特征在于，包括处理器、正弦交流激励电路模块、信号采集模块、信号调理电路、模数转换电路、串口通信模块、液晶显示模块、输入保护电路和电源模块；其中，信号采集模块包括钳电流信号处理模块和电压信号前端模块；所述信号采集模块依次与输入保护电路、信号调理电路、模数转换电路、处理器的输入端相连，处理器的输出端与液晶显示模块，通过信号采集模块采集电压电流的模拟信号，经过信号调理电路输出适合模数转换电路处理的电压电流信号，经过模数转换电路转换送给处理器，处理器对采集到的电压电流数据进行处理，计算出接地电阻及其相关参数，并通过液晶显示模块进行显示；所述串口通信模块与处理器相连，可与各种带串行接口的设备进行双向通信，组成网络控制系统；所述正弦交流激励电路模块一方面与处理器相连，另一方面与输入保护电路相连，通过正弦交流激励电路模块自动调整激励源频率，避开地网最大干扰频率，进而提高接地电阻测量精度。

进一步，所述正弦交流激励电路模块包括74hc595芯片和bf504f芯片；将要输出的正弦波形取样数据预先顺序存放到bf504f芯片存储区，然后在时钟的控制下，顺序的从bf504f芯片存储区读出，再经d/a转换，低通滤波后就能得到预定频率的正弦波形信号。

进一步，所述串口通信模块包括usb接口、cp2102芯片、光耦开关；usb接口的第1引脚接电源，usb接口的第4引脚接地，usb接口的第2引脚通过连接电感与cp2102芯片的第5引脚相连，usb接口的第3引脚通过连接电感与cp2102芯片的第4引脚相连，cp2102芯片的第26引脚通过连接电感与光耦开关ⅰ相连，cp2102芯片的第25引脚与光耦开关ⅱ相连。

进一步，所述钳电流信号处理模块包括钳电流传感器、rc低通滤波电路、第一放大器、第二放大器；对采集的钳电流进行一阶rc低通滤波，再由第一放大器、第二放大器对信号进行两级放大；钳电流通道第一级增益通过sw6开关来选择一级放大倍数；当sw6开关处在端子3上时，实现30倍的放大；当sw6开关处在端子5上时，实现3倍的放大；钳电流通道第二级增益通过sw7开关来选择二级放大倍数；当sw7开关处在端子2上时，实现100倍的放大；当sw7开关处在端子1上时，实现10倍的放大；这两级放大能够实现30、300、3000倍放大，根据实际不同的电流等级输入，选择不同的放大倍数；当钳电流输入25ma时，选择3000倍放大，当输入250ma时，选择30倍放大。

进一步，钳电流传感器采用霍尔传感器放置在铁芯回路中作为电流传感器；输入的钳口电流信号经过霍尔元件将磁通大小转换为相对应的电压信号，通过后端的信号调理电路进行调零、衰减、放大、滤波处理后送出；所述信号调理电路由两个差分电路构成；两个差分放大电路分别把输入输出信号，放大3倍，再加载在调零电阻rt1上；当未加测量信号时，由于干扰线号的存在或者测量电路电阻的温漂的原因，当输入为0，输出不一定为0，因此加上调零电阻rt1，可在测量未开始时先对其进行校准，使得输入为0时输出也为0，这样测得有用信号才能更加的真实准确；电容c49是相位补偿电容，补偿高频干扰信号引起的相位漂移，使放大器工作在线性工作区；电容c121是退偶电容，滤除供电电源的纹波，使得放大器的供电更加的稳定，从而排除了电源的不稳定，给测量结果带来的误差。

进一步，所述电压信号前端模块包括ad8821芯片和多个4052型数字控制模拟开关，ad8821芯片将测量系统的电压测量端子与被测线路以并联方式连接，测得的电压信号经前端调理电路经过衰减或放大后，传送到模数转换电路；首先通过4052型数字控制模拟开关对电压信号的进行衰减，当4052型数字控制模拟开关的x1导通电压缩小10倍；当4052型数字控制模拟开关的x2导通电压缩小100倍，然后对采集的电压信号进行了一阶rc低通滤波，通过ad8221芯片对电压信号进行放大，当sw8开关处在端子12时，增益g的值为1.494；当sw8开关处在端子13时，增益g的值为1.988，电压信号通过衰减、低通滤波、放大，最终输出符合ad7942芯片的信号输入标准。

进一步，所述电源模块包括模拟电源和数字电源；所述数字电源包括lm2734y芯片和sp6200芯片，用以将输入的电压分别转换成3.3v和1.8v；所述模拟电源包括lm2734y芯片和max828芯片，用以将输入电压8～13v分别转换成+5v、-5v。

进一步，所述模数转换电路采用包括ad7942芯片和与之相连的rc低通滤波电路。

进一步，所述输入保护电路包括六个采集端口，分别为四个检测端子和两个钳口输入端子；其中的电压输入端子保护电路用以防止瞬间电压增大，电流输入端子保护电路用以防止过流。

进一步，还包括存储模块，该存储模块包括两个24lc256芯片，其中一个用来存储开机画面和校准值，另一片用来存储测量数据。

进一步，所述液晶显示模块采用内藏t6963c控制器的液晶显示器。

本发明有益效果：

该系统无需打辅助地桩，无需断开设备电源，无需将接地体与设备隔离，可以在不需断开接地系统的条件下进行接地电阻的在线测量。能有效提高系统的测量精度，减小测试装备的体积，缩短测量时间，降低测试的劳动强度，提高装备保障效率。

附图说明

图1为发明控制原理图；

图2为电源模块电路图(3.3v的数字电源)；

图3为电源模块电路图(1.8v的数字电源)；

图4为电源模块电路图(模拟电源)；

图5为钳电流信号前端处理电路图；

图6为电压信号前端模块电路图；

图7为串口通信模块电路图；

图8为模数转换电路图；

图9为按键电路图；

图10为液晶显示模块电路图；

图11为正弦交流激励电路模块电路图；

图12为存储模块电路图；

图13为电压输入端子保护电路图；

图14为电流输入端子保护电路图；

图15为信号调理电路图；

图16为钳口法测量接地电阻原理图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种在线接地电阻快速测量系统，包括处理器10、正弦交流激励电路模块20、信号采集模块30、信号调理电路100、模数转换电路40、串口通信模块60、液晶显示模块70、输入保护电路80和电源模块50；其中，信号采集模30块包括钳电流信号处理模块和电压信号前端模块；信号采集模块30依次与输入保护电路80、信号调理电路100、模数转换电路40、处理器10的输入端相连，处理器10的输出端与液晶显示模块70，通过信号采集模块30采集电压电流的模拟信号，经过信号调理电路100输出适合模数转换电路40处理的电压电流信号，经过模数转换电路40转换送给处理器10，处理器10对采集到的电压电流数据进行处理，计算出接地电阻及其相关参数，并通过液晶显示模块70进行显示；串口通信模块60与处理器10相连，可与各种带串行接口的设备进行双向通信，组成网络控制系统；正弦交流激励电路模块20一方面与处理器10相连，另一方面与输入保护电路80相连，通过正弦交流激励电路模块20自动调整激励源频率，避开地网最大干扰频率，进而提高接地电阻测量精度。

利用此测量系统测接地电阻时，首先关闭激励源，检测接地回路中原始的噪声信号，经数字信号处理模块系统内部做fft运算处理，确定出噪声频率，为变频测量的参数设定提供依据；然后，通过比较由数字信号处理模块系统设置激励源频率，避开最大噪声干扰频率，对接地回路进行激励。

处理器10采用选用adi公司的16位定点数字信号处理器adsp-bf504f，体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快，具有4mb可执行闪存，外设包括2个三相pwm单元、1个adc控制模块、2个spi接口、2个sport接口、1个can控制器、1个ppi、8个通用计数器及1个移动存储器接口。

如图11所示，正弦交流激励电路模块20包括74hc595芯片和bf504f芯片；采用直接数字式频率合成器(dds)来实现变频检测，将要输出的正弦波形取样数据预先顺序存放到bf504f芯片存储区，然后在时钟的控制下，顺序的从bf504f芯片存储区读出，再经d/a转换，低通滤波后就能得到预定频率的正弦波形信号。

工作过程：

(1)将存于数据表中的数字波形，经数模转换器d/a，形成模拟量波形；

(2)通过改变寻址的步长改变输出信号频率。步长为正弦查询表的相位增量，由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查询表地址；

(3)d/a输出的阶梯形波形，经低通滤波后，得到符合要求的模拟波形。变频激励模块是由dsp设置激励频率，避开噪声频率，对接地回路进行激励。系统正弦发生电路是由bf504f的ph0、ph1和ph2引脚分别与74hc595的srclk、ser、rclk相连接，经74hc595(74hc595构成了一个8位的dac)转换成一定频率的模拟正弦波信号，经过一阶低通滤波衰减后送给功放电路。

如图7所示，串口通信模块60包括usb接口、cp2102芯片、光耦开关；采用带全双工usb通讯接口，可与各种带串行接口的设备进行双向通信，组成网络控制系统。usb通讯电路为光耦隔离全双工usb通信，由两只光耦实现uart信号的隔离，避免输入/输出的相互干扰。cp2102为uart转usb的单芯片桥接器。cp2102的uart接口处理所有的rs232信号包括控制和握手信号。

usb接口的第1引脚接电源，usb接口的第4引脚接地，usb接口的第2引脚通过连接电感与cp2102芯片的第5引脚相连，usb接口的第3引脚通过连接电感与cp2102芯片的第4引脚相连，cp2102芯片的第26引脚通过连接电感与光耦开关ⅰ相连，cp2102芯片的第25引脚与光耦开关ⅱ相连。

如图15所示，钳形电流传感器是该测试系统重要的信号检测环节，该部分按照结构分为钳头部分和后端调理电路。

(1)钳头部分设计

设计中钳头采用三层屏蔽来避开电磁干扰及其敏感的电流互感。用铜材料对电场进行屏蔽；采用高导磁材料铁和坡莫合金对磁场进行屏蔽。因此，屏蔽层的整体结构分为铜、铁和坡莫合金三层，且各层之间互相独立。各屏蔽层之间用聚四氟乙烯绝缘为了防止静电累积，适用于恶劣的室外工作环境，线路板部分的屏蔽采用了不锈钢材料。钳形电流传感器是由穿心式电流互感器铁心制成活动开口，且成钳形。对于交流穿心式电流互感器，缠绕在铁芯上的副边绕组为检测器件，与后端调理电路相连。穿过互感器中心的被测导线是它的原边绕组。系统设计采用磁敏元件对电流信号进行检测，即使用霍尔器件放置在铁芯回路中作为电流传感器。

霍尔电流传感器在测量电流时，将被测载流导线贯穿于电流互感器中间。当被测导线中有电流通过时，在导线周围会产生磁场，使导磁体铁芯被磁化成一个暂时性磁铁，在环形气隙中就会形成一个磁场。通电导线中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越强，霍尔元件输出的霍尔电压就越高，根据霍尔电压的大小，就可得到通电导线中电流的大小。此方法具有较高的测量精度。

此系统可以采用两片霍尔器件，它们上下互相对称，且磁场检测面互相平行。当传感器测量被测对象产生的磁场与外界磁场相互叠加时，会产生与之相对应的待测电势和外界干扰电势的叠加。假设霍尔元件a和b分别放置在相对固定的铁芯上，它们正面朝外。被测电流产生的磁场分别穿过它们。产生的磁场方向相对于霍尔元件a，向外，相对于霍尔元件b则是向里，也就是霍尔传感器件a、b产生的霍尔电压相位正好相反，因此输出信号需反向并联连接，这样被测对象产生的磁场的感应电流是相互叠加的。然而对于外界干扰信号磁场，两只霍尔元件将产生同相位信号，经反向并联后相互抵消。这样可有效降低传感器采集信号信噪比，减少外界干扰。

(2)传感器后端调理电路设计

在应用测量时，为了使输入的钳口电流信号适合a/d的输入标准，必须对输入的钳口电流信号进行放大、衰减或滤波等处理。输入的钳口电流信号经过霍尔元件将磁通大小转换为相对应的电压信号，通过后端的信号调理电路进行调零、衰减、放大、滤波等处理后送出。同时通过区分外界干扰磁场和被测对象产生磁场的方向差来避免外界磁场和由测量对象产生的磁场的混叠。

霍尔放大处理电路如图15所示。它以两个op291放大器作为放大核心对霍尔感应电势进行放大。图中的差分放大电路是标准的3倍放大电路，利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定了静态工作点。该电路由两个差分电路构成。霍尔传感器输出有用的电压信号经过两个差分电路进行叠加，信号增强，而经过霍尔传感器输出的干扰电压却相位相反相互抵消，这样可以有效提高仪器的抗噪声能力，使得输出更加的准确，无限的逼近于真实值。输出的信号经过两个低通滤波，再次滤除干扰信号的高频分量，进一步的提高测量精度。

两个差分放大电路分别把输入输出信号，放大3倍，再加载在调零电阻rt1上。当未加测量信号时，由于干扰线号的存在或者测量电路电阻的温漂的原因，当输入为0，输出不一定为0，因此加上调零电阻，可在测量未开始时先对其进行校准，使得输入为0时输出也为0，这样测得有用信号才能更加的真实准确。c49是相位补偿电容，补偿高频干扰信号引起的相位漂移，使放大器工作在线性工作区。c121是退偶电容，滤除供电电源的纹波，使得放大器的供电更加的稳定，从而排除了电源的不稳定，给测量结果带来的误差。

(3)钳电流前端处理

由于钳电流采集到的是一个微弱的交流电流信号，因此为达到a/d转换所需的范围，需要对该信号进行放大处理。该信号的放大单元是由两个双运算放大器tlc2272来实现的。该器件提供相当好的ac性能，且具有比现在cmos运放更低的噪声、输入失调电压和功耗性能。具有高输入阻抗和低噪声的tlc2272，对于处理像压电传感器之类的小信号条件高阻抗源是极其优良的。因此，在此用来处理钳电流信号是比较合适的选择。钳电流信号前端处理电路如图5所示。在该电路中，首先对采集的钳电流进行了一阶rc低通滤波，接着由tlc2272对钳电流信号进行两级放大。

继续参照图5所示，钳电流通道第一级增益通过sw6开关来选择一级放大倍数；当sw6开关处在端子3上时，实现30倍的放大；当sw6开关处在端子5上时，实现3倍的放大；钳电流通道第二级增益通过sw7开关来选择二级放大倍数；当sw7开关处在端子2上时，实现100倍的放大；当sw7开关处在端子1上时，实现10倍的放大；这两级放大能够实现30、300、3000倍放大，根据实际不同的电流等级输入，选择不同的放大倍数；当钳电流输入25ma时，选择3000倍放大，当输入250ma时，选择30倍放大。

如图16所示，传感器的作用是将被测信号量转换为容易测量的电信号。要对接地电阻在线测量时，测量仪的传感器必须是非接触式的，同时我们测量过程中所给的激励电压信号和电流传感器钳口采集到的信号均为交流信号，所以我们采用钳口式电压传感器和电流传感器分别作为激励电压信号和电流信号的发生和接收传感器。非接触测量法也称为钳口法，钳口法测量接地电阻原理同钳形电流表的测量原理类似。

图16中ng为绕在仪器钳口内的发生器线圈，nr为绕在钳口内的接收线圈。两线圈之间具有良好的电磁屏蔽。测量时钳口闭合，测量仪的发生器线圈在被测接地回路内发生一个已知的恒定的交流电压e。

e＝e/ng(3.1)

式(3.1)中，e为发生器发生的内部电压。为提高抗干扰能力,交流电压的频率为不同于干扰频率的某一高频。

线圈1产生的磁场，根据电磁感应原理闭合金属环内将产生感应电流i：

i＝e/r(3.2)

通过电磁感应，电流i被置于仪器钳口内的电流信号感应线圈nr转换为：

i＝i/ng(3.3)

电流i经电流电压转换及放大滤波，通过adc采样计算得到电流值，计算下式既可以得到回路电阻：

r＝e/i＝e/(ngnri)＝k·e/i(k比例系数)(3.4)。

如图6所示，电压信号前端模块包括ad8821芯片和多个4052型数字控制模拟开关，ad8821芯片将测量系统的电压测量端子与被测线路以并联方式连接，测得的电压信号经前端调理电路经过衰减或放大后，传送到模数转换电路。

首先通过4052型数字控制模拟开关对电压信号的进行衰减，当4052型数字控制模拟开关的x1导通电压缩小10倍；当4052型数字控制模拟开关的x2导通电压缩小100倍，然后对采集的电压信号进行了一阶rc低通滤波，通过ad8221芯片对电压信号进行放大，当sw8开关处在端子12时，增益g的值为1.494；当sw8开关处在端子13时，增益g的值为1.988，电压信号通过衰减、低通滤波、放大，最终输出符合ad7942芯片的信号输入标准。

如图9、图10所示，人机交互模块包括独立式按键和液晶显示模块70，通过按键来实现所有的参数修改和功能切换等操作。通过定时扫描方式来判断系统定时器产生的中断申请信号。dsp响应中断申请后读取8位并行输入/串行输出移位寄存器cd4021输出的键值，进而确定是否进入相应的键功能处理程序；液晶显示模块采用内藏t6963c控制器的液晶显示器。

如图2、图3、图4所示，为防止系统的模拟器件与数字器件相互间互相干扰，把电源模块50分成模拟和数字两大系统，用零欧姆电阻隔离两大系统的地，然后设计相应电路将电压分为所需要的各种电源：数字部分供电主要是对dsp处理器的供电，和i/o供电。核心电压为1.8v，i/o电压为3.3v。系统设计采用线性稳压器；模拟部分的供电主要是给功放供电，以及一些期间供电。输入电压8～13v，输出电压主要有+5v、-5v。

如图8所示，模数转换电路40，选用两片adi公司生产的带有采样保持功能的14位高速adc芯片ad7942来完成对电压电流的ad转换。该芯片能将模拟信号转换成14位数字信号，并且具有并行输出，精度高，速度快的特点。三线接口模式：cnv、sck和sdo。adc前端设计了一个通带为0～2500hz的一阶rc低通滤波器，滤除2500hz以上的信号。这样可有效避免adc以5khz采样输入信号时产生的信号混叠。电流转换电路与此相同。

如图12所示，存储模块90，采用两片i²c接口的24lc256作为存储器，一片用来存储开机画面和校准值，另一片用来存储测量数据。采用bf504f内部的twi接口来实现数据的传输。twi控制器兼容i²c总线标准，且能够支持多主多从的配置。bf504f的twi模块具有主/从两种工作方式，可以接受或发送16位数据，并且发送和接受均为双缓冲，所有数据寄存器均为16位数据格式。

如图13、图14所示，输入保护电路80，保证信号可以安全的进入系统。它有6个采集端口：4个检测端子，2个钳口输入端子。电压输入的保护电路，可以防止瞬间电压增大，静电等对后端电路的损坏。电流输入有过流保护。

由此可知，该系统无需打辅助地桩，无需断开设备电源，无需将接地体与设备隔离，可以在不需断开接地系统的条件下进行接地电阻的在线测量。能有效提高系统的测量精度，减小测试装备的体积，缩短测量时间，降低测试的劳动强度，提高装备保障效率。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。