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摘要：针对传统的高流表在测量交流泄漏电流时，存在多路测量读数困难、无高压过流分断保护、功能单一、抗干扰能力差的不适应问题，采用ZigBee无线传感器网络、精密整流、电磁脱扣和可编程增益仪表放大器等技术设计，并实现了一种无线高压泄漏测量和脱扣控制系统。智能高压无线毫安表与PLC智能耐压试验装置构成辅助安全工器具综合试验成套装置，精确测量多路高压泄漏电流，同时，一次可以同时进行10只试品的试验，为避免重复试验，试验过程中可以将击穿的试品脱离高压试验系统，没有击穿的试品继续试验直到完成试验，极大提高试验工作的效率。
关键词：智能高压毫安表；无线ZigBee；高压脱扣；CC2530
智能高压毫安表（简称：智能高流表）是测量高压电器或绝缘材料等被试品的高压泄漏电流不可缺少的高流表。主要为工频耐压试验配套使用的仪表，是对交流高压泄漏电流测试的最理想的仪表工具。在工频耐压试验中，被试品的泄漏电流是一项重要的测量项目，而传统的高流表在测量交流泄漏电流时，存在多路测量读数困难、无高压过流分断保护、功能单一、抗干扰能力差的不适应问题。智能高流表具有使用可靠、精度高、抗干扰和抗放电冲击等优点，并补充了上述功能缺点，满足多路测量的使用场合，具备智能多表组网功能，能实现泄漏电流、击穿电流、电池电量、通信链路状态等无线数据传输功能；具备高压过流分断保护功能，能实现保护电流值无线设定和保护电流超限报警脱扣功能，是替代传统的高流表的理想产品。
1.智能高流表网络拓扑结构
智能高流表采用的ZigBee协议，是一种短距离无线传感器网络与控制协议，主要用于传输控制信息，数据量相对来说较小，特别适合高流表的电池供电系统，并且ZigBee协议更容易实现。IEEE802.15.4/ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构有星型结构（Star）、簇树结构（Cluster Tree）和网状结构（Mesh），如图1所示。
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图1.ZigBee网络拓扑结构
智能高流表的网络系统设计上，采用星型拓扑结构，层次化路由协议。若干个智能高流表作为无线终端节点，一个智能耐压试验装置作为协调器节点。终端节点以点播的方式向协调器节点上传实时泄漏电流、击穿电流、电池电量、通信链路状态等无线数据，协调器节点以组播的方式向终端节点下发高压保护电流值，终端节点闪烁屏幕响应。网络中的终端节点的MAC层都拥有一个64位的IEEE地址，设计使用16位短地址来描述和区分不同的智能高流表。
2.系统硬件设计
本方案采用STC15F2K60S2单片机作为MCU，采用了24位CS5532AS作为ADC。CS5532AS是Cirrus Logic公司推出的一款是高集成度的ΔΣ模数转换器, 该系列ADC非常适合测量称重仪表、过程控制、科学和医疗等应用领域的单/双极性小信号。线性误差 : ±0.0015 %FS，芯片内部有一个极低噪声的斩波稳定仪表放大器（6nV/Hz@ 0.1Hz ），其增益可选择为1X、2X、4X、8X、16X、32X及64X。2通道差动输入模数转换器，高动态范围、可编程输出字速率和灵活的电源配置选项。
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图2.智能高压毫安表硬件框图
2.1泄漏电流采集硬件电路
精密全波整流电路，利用集成运算放大器的放大作用和深度负反馈作用克服了二极管的非线性和门槛电压带来的信号失真，设计一种高精度、低损耗、价格便宜的精密整流滤波电路。可采集交流和直流电流信号，改变取样电阻阻值可以改变测量的量程，由高保真的音频运放将信号送至线性误差为±0.0015 %FS的24位ADC，ADC 输入端的最大直流信号为0～2.5V。
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图3.精密整流电路
2.2高压脱扣电路
直流吸盘式电磁铁采用高纯度的电工纯铁表面镀镍，吸盘不会有剩磁，加工平整的脱口片保证与电吸盘的吸合面完全接触贴合，通过单片机控制继电器实现对电吸盘供电电源的控制达到智能分断目的，这种将低压电器用于高压环境下的开关装置是一种技术上的突破。
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图4.脱扣驱动电路
2.3无线射频电路
射频电路采用基于ZigBee技术的无线2.4G的ISM频段，具有易实现、可靠的数据传输、低功耗以及各层次的安全性等特点。在设计中，选用TI公司的CC2530芯片，CC2530是一个System On Chip的系统芯片，它结合一个高性能2.4GHz DSSS9（直接序列扩频）视频收发器核心和集成工业级的8051微控制器。无线射频电路如图4所示，考虑到不需要长距离通信，试验距离一般是2~3米以内，射频电路中未采用功率放大电路设计。
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图5.无线射频电路
3.系统软件设计
本设计的软件是基于STC15F2K60S2单片机作为开发平台，开发集成环境采用KEIL3 V3.30，运用C语言进行编写代码。本方案设计中，采用段码式LCD屏实时显示采集信号。总体软件系统构架按照功能分为以下几个部分： A/D采集模块、显示部分和RS485通信功能。其总体软件件架构图如图6所示。
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图6.总体软件架构图
具体软件执行操作流程包括初始化操作、LCD自检、数据采集、数据处理、LCD显示、无线数据发送、无线数据接收、电池电量采集、分断功能等。
4.结束语
本智能高流表可与我公司GDYD-2型智能耐压试验装置配合，构成辅助安全工器具综合试验成套装置，精确测量多路高压泄漏电流，同时，一次可以同时进行10只试品的试验，为避免重复试验，独特采用高压分断技术，试验过程中可以将击穿的试品脱离高压试验系统，没有击穿的试品继续试验直到完成试验，极大提高试验工作的效率。