基于單片機的繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

柳楊，賴寶鵬，陳俊杰，潘思琪

（國網(wǎng)福建電力有限公司漳州供電公司，福建漳州，363000）

0 引言

繼電器作為運輸信號控制的安全基礎(chǔ)元件，被廣泛應(yīng)用于多個控制領(lǐng)域，如航天航空系統(tǒng)、鐵路運輸系統(tǒng)、以及自動化機械生產(chǎn)系統(tǒng)等。由于大部分繼電器在生產(chǎn)完畢后，均處于密封狀態(tài)，而在繼電器裝配組成完成以后，便很難對各項的性能參數(shù)進(jìn)行測試。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)在對各項參數(shù)的設(shè)置中，指標(biāo)過于單一，無法對產(chǎn)生故障的器件元件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致配電系統(tǒng)常常處于異常運行狀態(tài)，帶來巨大的經(jīng)濟損失。本文以此為基礎(chǔ)，研究單片機的繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計，在其出廠時對其進(jìn)行測試，檢驗是否能夠滿足可靠性要求，為分析電磁繼電器的質(zhì)量提供理論支持。

1 基于單片機的繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 構(gòu)建二級模式集散控制框架

控制框架分為三個部分：一是繼電器參數(shù)的顯示模塊，在連接好需要監(jiān)測的繼電器后，對其觸點的回調(diào)和解除時差進(jìn)行統(tǒng)計，完成測試。二是繼電器超限值檢測模塊，當(dāng)參數(shù)超過一定限制時，保證本測試系統(tǒng)在時間限制內(nèi)完成超額參數(shù)的檢測[1]。三是斷電保護(hù)模塊，在對繼電器參數(shù)測試過程中，若超出判斷區(qū)間檢測限制，能夠通過斷電保護(hù)對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，在不丟失的狀況中，收集單位時間內(nèi)對繼電器參數(shù)的測試結(jié)果，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二級模式集散控制框架示意圖

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，在此次繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計過程中，為完成數(shù)據(jù)的有效管理，通過上下重疊機進(jìn)行處理，上位機采用工控機，對繼電器的參數(shù)測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，下位機采用單片機與FPGA相結(jié)合，對數(shù)據(jù)采集格式和處理方式進(jìn)行控制[2]?？蚣艿恼w設(shè)計主要為測試系統(tǒng)作出基礎(chǔ)，需要滿足測試速度和準(zhǔn)確度等多個性能要求，因此在上位機和下位機的數(shù)據(jù)采集電路上，必須進(jìn)行同步采樣控制，選擇A/D9822轉(zhuǎn)換器進(jìn)行速度控制，以FPGA為邏輯控制單元進(jìn)行同步控制，滿足對繼電器的參數(shù)測試要求。

1.2 設(shè)計雙極性輸出電路

在對繼電器參數(shù)進(jìn)行測試中，其核心部分為A/D轉(zhuǎn)換器，可以將采集數(shù)據(jù)的模擬量轉(zhuǎn)為信號，上傳至單片機中進(jìn)行處理，保證在有效時間內(nèi)完成對數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。設(shè)計過程中為滿足轉(zhuǎn)換速度和精度，選用14路14位的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試，在雙通路的采集電路中，分別以基極電壓和發(fā)射極電壓為采樣形式，形成雙極性輸出電路結(jié)構(gòu)[3]?；鶚O電壓為普通數(shù)據(jù)的運行轉(zhuǎn)換，即完成同向放大數(shù)據(jù)比例后，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入至轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)化。發(fā)射極電壓利用電阻兩端，在完成反向比例后轉(zhuǎn)化成正電壓，以此滿足轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集訴求。通過雙極性反向比例的兩通路設(shè)計，使得在電路中獲取的電壓能夠進(jìn)行有序調(diào)節(jié)，保證其能夠在0-120V的范圍內(nèi)完成連續(xù)輸出，具體電路如圖2所示。

圖2 雙極性輸出A/D轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，在經(jīng)過倍壓電路的逐步調(diào)節(jié)后，能夠得到調(diào)高后的數(shù)據(jù)信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器裝置進(jìn)行電大增強，同時對繼電器的集電電路進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)測試到突變電路電流后，記錄下此時繼電器輸出的電壓數(shù)值，即可得到所對應(yīng)的繼電器實時數(shù)據(jù)[4]。在此階段繼電器的電流會產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，造成較大的電流數(shù)據(jù)誤差，通過對反向飽和電流的基礎(chǔ)設(shè)定，在對每一次電壓采集過程中，需要逐漸增加基極電壓進(jìn)行記錄，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，顯示在電路終端的顯示器中，描繪出特性曲線即可。

2 繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于單片機設(shè)置異步通信工作模塊

在電路集成度不斷增加的前提下，繼電器的元件引腳數(shù)量逐漸增加，為準(zhǔn)確獲取繼電器的參數(shù)數(shù)據(jù)，基于單片機設(shè)置一個異步通信模塊，以此編寫相應(yīng)的控制程序，從而實現(xiàn)多個通路的繼電器列陣切換。根據(jù)此次安置的上下位機的控制接口所示，在不同引腳功能的控制程序下，能夠直接對每個時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并整合出多個數(shù)據(jù)集合從而判斷斷電器的合格性[5]。由于單片機是主要控制下位機裝置結(jié)構(gòu)，因此對上位機的各個參數(shù)測量，只需要按照同樣的動作順序進(jìn)行連接即可，通過計算機通訊協(xié)議來控制USB接口，通過集線控制器完成對多臺斷電器的接口監(jiān)測[6]。以此確定后上位機后無需再作出更改，直接對單片機進(jìn)行設(shè)置即可，通過單片機的技術(shù)原理和工作原則，以單片機的引腳功能進(jìn)行驅(qū)動裝置的控制，模擬單片器的通訊協(xié)議并完成調(diào)試。

2.2 計算高速波特頻率測試?yán)^電器參數(shù)

根據(jù)單片機的通信頻率不同，在兩個寄存器端口處產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中，不會占用其他定時資源，狀態(tài)寄存器的引腳設(shè)置為riu，控制寄存器的引腳設(shè)置為tiu，在兩個類型引腳進(jìn)行工作時，單片機會產(chǎn)生對應(yīng)的工作振蕩頻率，此時設(shè)定寄存器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集合為z，利用高速波特頻率計算，表達(dá)式為：

公式中：單片機工作的振蕩頻率用dcvb來表示；當(dāng)產(chǎn)生的波特率fgh小于1時，則表示會產(chǎn)生高速波特頻率，反之不會產(chǎn)生，基本處于低速波特頻率范圍。根據(jù)設(shè)計過程中選定的波特率，也能夠反推出設(shè)置好寄存器時段數(shù)據(jù)定值，表達(dá)式為：

公式中：在只有產(chǎn)生高速波特頻率時，可以直接對選定的寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，對應(yīng)出單片機的實時工作振蕩頻率。設(shè)定過程中需要注意，在選用標(biāo)準(zhǔn)的波特頻率時，偏差在1.5%的范圍內(nèi)均可以保證通信的正產(chǎn)進(jìn)行，因此在8400的基礎(chǔ)上可以上下進(jìn)行浮動，可以根據(jù)設(shè)計的功能要求自行選擇。至此在重新組織測試架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計數(shù)據(jù)傳導(dǎo)電路組建硬件結(jié)構(gòu)，利用單片機完成異步通訊模塊，計算高速波特頻率測試斷電器參數(shù)，完成系統(tǒng)的整體設(shè)計。

3 測試與結(jié)果分析

本次選擇直流電繼電器為樣本，對某個型號的繼電器的線圈電流和接觸點電壓波形，分別進(jìn)行有效數(shù)據(jù)采集，利用標(biāo)準(zhǔn)顯示波器DS42204B進(jìn)行校正和對比，驗證本文系統(tǒng)與真實數(shù)據(jù)的相對誤差，在測試誤差符合容許范圍，則表示本文系統(tǒng)設(shè)計有效。對選擇的兩個類型繼電器裝置進(jìn)行以此連接，將真實數(shù)據(jù)波形檢測儀器與之相連，對接此次設(shè)計的測試系統(tǒng)，以獲取不同類型繼電器特性參數(shù)。

將兩組繼電器裝置和顯示器進(jìn)行連接，通過直流電的線圈獲取吸合電壓數(shù)據(jù)，利用接觸點電壓波形獲取釋放電壓數(shù)據(jù)。在線圈內(nèi)放置高壓電阻裝置，保證極高電壓下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有真實性，分別對兩組繼電器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按照每次運行2小時為監(jiān)測隔斷，對測試參數(shù)記性4組數(shù)據(jù)獲取，實際獲取值如表1所示。

表1 繼電器參數(shù)獲取實際值（V）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，繼電器的吸合電壓為輸出后的放大值，通過接觸點的放大通路進(jìn)行驅(qū)動增壓，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量值后，能夠使得兩種類型繼電器進(jìn)行工作。

在處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，通過繼電器的接觸點碰撞，采集即時電壓，將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入至MATLAB測試平臺中，選擇一組傳統(tǒng)系統(tǒng)作為對照，對實際運行8小時的繼電器進(jìn)行測試，對照以上數(shù)據(jù)作為參照，利用同步信號中兩端電壓，分別對應(yīng)線圈電阻和電流數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 繼電器運行時間的參數(shù)采集結(jié)果對比

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，說明本文測試系統(tǒng)的采集功能有效，能夠在參數(shù)測試中獲取較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，具有實際應(yīng)用效果。

為進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確度更高，能夠使繼電器的參數(shù)測評結(jié)果誤差減少，選擇運行最后的時段參數(shù)為樣本，進(jìn)行多輪測試，具體結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)繼電器參數(shù)獲取值（V）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在本文系統(tǒng)的應(yīng)用下，能夠?qū)^電器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行真實采集，以此獲取更準(zhǔn)確的參數(shù)值，具有實際應(yīng)用意義。

4 結(jié)束語

本文在分析單片機的功能和性能基礎(chǔ)上，對斷電器的參數(shù)測試同進(jìn)行設(shè)計，以重新擬定數(shù)據(jù)的測試架構(gòu)為主，分別對上位機和下位機的電路進(jìn)行設(shè)計，利用單片機的異位通訊模塊，計算高速波特頻率完成對斷電器的參數(shù)測試。通過實驗測試結(jié)果可知：在選擇兩組不同類型的斷電器中，運用本文系統(tǒng)能夠得出與實際值相一致的參數(shù)結(jié)果，具有實際應(yīng)用意義。但由于本人的時間有限，在測試過程中不能對所有運行時段進(jìn)行論證，所得結(jié)果具有一定偏差性。后續(xù)研究中會全面的測試該系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，將斷電器的運行全周期安置在系統(tǒng)中，為其測量和檢修提供理論支持。