孙 丞

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

光电隔离SPI接口冲击分压器

孙 丞

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

冲击电压试验是电气设备尤其是电力设备必不可少的绝缘试验项目，冲击电压的测量方法有很多，冲击分压器是其中比较常见的一种。冲击分压器是否可靠关系到电力系统的安全与正常工作。同时，冲击分压器也在电机定子电气性能检验中有所应用，用于电机定子匝间绝缘项目的冲击电压峰值和波前时间的测量。本设计根据需要选定符合标准且具有经济性的数字电位器和光耦元件，设计出具有光电隔离SPI接口的冲击分压器。

冲击分压器 SPI STM32F103VET6 电路板设计

随着对电力系统稳定运行重视程度的日益提高，我国越来越重视冲击电压分压器的研究、设计和检测。随着电力行业标准《冲击分压器校准规范》的颁布，关于冲击分压器诸如适用范围、测量误差分析及校准条件解读等内容也给出了明确的规范[1]，从一个侧面提高了我国冲击分压器设计的规范性和安全性。邬昌峰等设计制作了一种电阻分压器。这种新型分压器使用CuSO4溶液，含有两级脉冲，CuSO4溶液作为第1级的高压臂，外屏蔽罩使用了特殊的模式[2]。郭晓阳等根据试验需要，研制了一种特殊的电阻分压器，该分压器基于无感玻璃釉电阻，在陶瓷管上涂抹了玻璃釉，具有较低的分布电感、功率容量大、可油侵及价格便宜等特点[3]。冲击电压产生的波形可以分为雷电冲击型和通断冲击型，有着1.2～250.0μs的标准波前时间和50～2 500μs的波尾时间。一个雷电冲击的间隔时间是1.67倍的波前时间，这个波形是在30%～90%最大值之间的一个通常波形[4]。波尾时间T2是当电压降到峰值一半时的时间与原始时间T0之间的间隔。波前时间和波尾时间的标准公差分别是20%和30%[4]。为了达到上述冲击电压的分压标准，笔者采用具有经济性和实用性特点的器材，借助自主设计的电路板和ARM开发板STM32F103VET6完成冲击变压器的整体设计。采用光电隔离SPI接口进行通信具有信息传递实时、准确、抗干扰能力强的特点。

1 硬件设计①

1.1 总体设计思路

由于本设计需要完成的目标为对输入的冲击电压进行分压处理，通过对数字电位器的电阻调整，从而改变低压臂的输出值，使输出值稳定在0.85～0.95V的区间内，而数字电位器的控制则通过开发板STM32F103VET6以SPI接口的形式实现。系统的总体设计思路如图1所示。

图1 系统总体设计

硬件系统需要实现的功能有：能够对高压臂输入的冲击电压进行分压；能够将低压臂的电压值正确输出；能够对STM32开发板输入的控制信号实现光电隔离，从而提高稳定性。

1.2开发环境与元器件选择

在进行电路图绘制和PCB板设计的过程中，采用了Altium Designer 10进行开发。

1.2.1数字电位器

选择使用了MCP41010芯片，其中存在一个SPI接口，这也是选择该芯片的重要考虑因素之一。同时MCP41010完整的控制逻辑和滑刷电位器也能满足本实验的需求[5]。

1.2.2光耦元件

本试验用到的是光耦的光电隔离作用。电子设备信号和电力传输线可经受电压浪涌、静电放电、射频传输诱导、开关脉冲(尖峰)和电源扰动。典型的光隔离器只能调节已发出输出端的能量流[6]。

光隔离器的物理布局主要取决于所期望的隔离电压。额定小于几千伏装置具有平面的(或夹层)结构[7]。传感器芯片被直接安装在封装的引线框架上(通常为六针或四脚双列直插式封装)并覆盖有玻璃或透明塑料的片材[8]。为了尽量减少光的损失，传感器的有用吸收光谱必须在LED上，这几乎总是与在近红外的输出频谱相匹配[9]。该光通道被制作的尽可能薄以达到期望的击穿电压。例如，额定为3.75kV电压和1kV/μs的瞬变，清聚酰亚胺片的Avago的ASSR-300系列厚度只有0.08mm。

1.3绘制电路图

为了达到在高压臂输入为2～5V的冲击电压条件下，能够将低压臂的输出控制在0.85～0.95V范围内的要求，需要将数字电位器与STM32开发板连接，通过开发板的SPI接口传输控制信号，从而使得数字电位器的电阻值根据需要而改变，进而完成分压功能。为此，便产生了如图2所示的电路绘制思路。

图2 电路绘制思路

整个绘制过程通过Altium Designer 10来完成。由于Altium Designer的固件库中并没有整合到MCP41010这一款芯片，在MICROCHIP公司的官网新增固件库中也没有找到这款芯片，笔者根据MCP41010的管脚设定，在新建的Schlib文件中自行绘制了这一个元件。

由于STM32 ADC模块的输入上限为3.3V，为了保证STM32的安全性，高压臂电阻选择了10kΩ，光耦电路的电阻选择中，根据输入输出特性，在发光二极管端和接收端分别采用了510Ω和2kΩ的电阻。各端口采用了Net Label的连接形式，使得同一个作用域的接口连接在一起。没有采用Port的原因是一般在多文档的系统中使用Port比较多，用于连接不同线路图的网络节点，一般用作global设定，控制多文档的连接。Net Label则多用于本地的local作用域间端口的连接，这样看起来较为清晰简明。

2 软件设计

利用STM32CubeMX工具建立程序设计的模型，并采用STM32CubeMX工具中的自动代码生成工具将基础程序生成为KEIL5.1工程，并在该工程上进行代码的修改和添加，从而编译生成可执行文件。

2.1STM32CubeMX工具

STM32CubeMX的重要特性包括引脚冲突的自动处理、时钟树的动态确认、外围设备的功能模式、参数限制的动态确认和功率序列消耗的计算。由该软件生成的C语言程序可以用于多种开发软件(如IAR、Keil和GCC)，并且该软件可以在多种系统平台上操作，如Windows、Linux和OS X。

2.2程序设计流程

程序设计流程如图3所示。在ADC数据处理过程中，由于笔者期望能够将电压输出值调整到0.85～0.95V的范围内，再加之数字电位器存在256个可调电阻值且初始值设定为最大电阻。那么新的SPI传输数据与旧SPI传输数据的比值应当与0.9和采样电压的比值相同，从而通过此关系来决定SPI新的传输数值。主要采用HAL_ADC_Start_DMA、HAL_SPI_Transmit_IT、HAL_UART_Transmit这3个函数对所需模块进行配置和初始化操作。

3 数据验证

3.1实验结果

3.1.1不固定SPI传输值的连续脉冲测试

通过信号发生器设置上升时间18ns，下降时间75ns，总宽度600ns，幅度在2～5V变化的连续脉冲。进行串口输出采集，希望将输出电压稳定在0.85～0.95V之间。

图3 程序设计流程

对于其中一部分连续的数据进行分析，发现结果是一组随机性较大的数据。因为输入是无限连续的脉冲波，原本期待一个比较具有周期性的结果，可是由于电脑对串口数据的接收速度不稳定且速度不高，再加上可能存在的ADC采样误差、SPI传输误差等多种误差，得到了如图4的输出结果。可以看到，输出结果有多个点都处在高于0.95V的位置，而且总体分布偏高。

图4 输出电压频率分布

为了定性地分析输出电压的特征，对输出电压中连续10 000个采样点的值进行了频率分布估计。如图4所示，以0.92V和0.96V电压为中心的采样点出现频率最高，所以这两处的电压值应该分别为理论冲击波形2V和5V时所转换出的电压。对于整个输出成因的分析，将主要在之后的误差分析中进行。

3.1.2不固定SPI传输值的追加测试

将2～5V的单次脉冲输入到高压臂中，脉冲的相关参数为上升时间18ns，下降时间75ns，总宽度600ns。希望将输出电压控制在0.85～0.95V之间。得到的输出电压值如图5所示。

图5 单次脉冲时的输出电压

在不固定SPI传输值的情况下，可以看到单次脉冲输出跟连续脉冲输出一样存在一定的误差，而相比而言，较低频率并且变化较为缓慢的正弦电压的输出结果则较为理想。

3.1.3固定SPI传输值的测试

为了进一步对该冲击分压器的特性进行分析，又进行了多种波形以及多种方式的测试。首先将SPI接口的传输值固定为十六进制的32，在高压臂输入0.0～3.3V的方波，通过ADC采样低压臂，并且将采样值通过UART串口输出至电脑端进行观察分析。

将SPI接口传输值固定为十六进制的32时，数字电位器的电阻为1.95kΩ，此时低压臂电压理论值为0.000 0～0.538 5V，与实际值0.536 802V很接近。

3.2误差分析

3.2.1ADC偏移误差

在ADC转换过程中，第一次转换实际值与理想的转换值有可能存在一定的偏差。ADC的数字输出由0改为1的话，就意味着转换的发生，所以理论情况下，当模拟信号在0.5最低有效位到1.5最低有效位的范围内时，就应该发生一次转换。然而在实际情况下，对于STM32F103VET6，在参考电压为3.3V的时候，最低有效位(LSB)的具体值为：3.3/4096=805.6μV。理论上当模拟信号达到402.8μV的时候，数字信号应该变成1。实际情况却有可能比402.8μV大时，才会发生数模变换，这时便产生了正的偏移误差。相反地，就会产生负向的偏移误差。

对于本系统来说，一旦存在负向的偏移误差，就会使得ADC的数字量输出偏大，从而促使系统增大SPI传输值以增大低压臂电阻，最终使得输出电压偏高。

3.2.2ADC增益误差

在ADC转换过程中，最后的数模转换可能在理想值与实际值之间存在偏差。同样对于STM32F103VET6，最后的数模转换，即FFEh与FFFh之间的变化可能存在偏差。理想状态下，在参考电压减去0.5倍的最低有效位时会产生此变换，即对于参考电压为3.3V的系统，该转换应该发生在3.299 597V时。如果在超过该值时才发生变换，则代表着一个正的增益误差。

3.2.3步长误差

在ADC转换过程中，实际的步长宽度有时会与理想情况不同。对于STM32F103VET6来说，实际中模拟信号在最低有效位处的改变并不一定会导致数字结果的变化。数字信号的变化在模拟信号不等于1LSB时发生的话，就会存在步长误差。对于本系统来说，如果存在负的步长误差，则会使得随着模拟信号的增加，数字输出的结果相对理论值偏大，从而促使系统增大SPI传输值以增大低压臂电阻，最终使得输出电压偏高。

4 结束语

该光电隔离SPI接口冲击分压器依照设计的连线进行了电路板的焊接，同时通过波形发生器产生了所需检测的冲击波形，并通过UART串口的方式将试验结果用电脑端显示出来。结果表明该SPI接口冲击分压器输出的结果符合要求，但是输出结果相对偏高，随后对产生该结果的原因进行了分析，验证了该分压器的可行性以及现存缺陷。在未来的研究中，可以减小电源噪声，把信号的最大值设置为ADC的参考电压，在ADC采样前采用外部前置放大器的方法。

[1] 包玉树,陈威,王乐仁，等.冲击电压分压器关键计量性能解析(上)[J].电测与仪表,2013,50(2):125～128.

[2] 邬昌峰,蒋全兴,何鹏，等.新型脉冲分压器的分析与误差补偿[J].高压电器,2008,44(2):168～171.

[3] 郭晓阳,张楠,程宝山.一种用于测量冲击高电压的电阻分压器的设计[J].电子制作,2015,(18):1.

[4] Gómez S, Buitrago M P, Roldán F A. Portable High Voltage Impulse Generator Generador Portátil de Impulsos de Tensión[J]. Ingeniería E Investigación, 1985,(12):30～39.

[5] 金贵,马显光,邓玲.数字电位器MCP41010在止鼾器中的应用[J].现代电子技术,2010,33(4):187～189.

[6] Hasse P. Overvoltage Protection of Low Voltage Systems[J]. Iee Review, 2000, 140(97):366.

[7] Christophe B. Dealing with Low-Current Optocouplers[J]. Energy Efficiency and Technology, 2009,(2):121.

[8] Forrest M. Mims Circuit Scrapbook[M].Oxford:Butterworth-HeinemannLtd,2000:71.

[9] Mataré H F. Light-Emitting Devices, Part II: Device Design and Applications [J]. Advances in Electronics & Electron Physics, 1978, 45:39～201.

SPIInterfaceImpulseVoltageDividerinPhotoelectricIsolation

SUN Cheng

(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

The impulse voltage test as an insulation test item is essential to electrical equipment, especially the power equipment. Of many ways for impulse voltage measurement, the impulse voltage divider is widely applied. Impulse voltage divider’s accurate operation affects the stable operation of power system greatly and can be applied to the testing of the motor stator’s electrical performance, i.e. the measurement of both impulse voltage peak and the time to crest of the motor stator’s turn-to-turn insulation. In the design, both economical digital potentiometer and optocouplers up to standards were selected to design a SPI interface voltage divider with photoelectric isolation.

impulse voltage divider,SPI, STM32F103VET6, circuit board design

TH89

A

1000-3932(2016)12-1310-04

2016-10-27(修改稿)