基于CPLD的繼電器測試系統設計

高同輝， 王 鍵

(平頂山工業職業技術學院 自動化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

0 引 言

電磁繼電器是一種廣泛應用于自動控制系統的控制器件。繼電器性能的好壞直接影響統能否正常運行，同時繼電器的研制與改進都需要對其參數進行準確的測試[1]。但目前繼電器測試產品造價昂貴且測試過程復雜，因此需要設計出具有操作方便、界面友好、處理精度較高的電磁繼電器自動測試系統。

1 系統設計方案

繼電器測試系統是針對繼電器的動作電壓、時間參數以及觸點電阻等參數進行測試，測試系統原理結構框圖如圖1所示，共分為六個部分[2-4]：CPLD芯片、A/D轉換、D/A轉換、LCD顯示、故障指示、電源模塊等。

圖1 系統原理結構框圖

2 硬件設計

2.1 電源模塊電路

本設計采用LM7815和LM7915產生±15 V電壓，LM7815輸出的+15 V又經過LM7805后輸出5 V，LM7805輸出的5 V又輸入到AMS1117-2.5 V和AMS1117-3.3 V芯片[5]，產生2.5 V和3.3 V電壓提供給CPLD芯片。

2.2 A/D采集電路

本設計采用ADC0809芯片構成A/D信號采集電路。在測量待測繼電器觸點電阻時候，施加了一個1 A恒流源，通過ADC0809采集觸點兩端的電壓來計算觸點接觸電阻。通過一個繼電器開關允許觸點的電壓信號進入A/D轉換器的模擬通道IN0。ADC0809時鐘來源于50 MHz晶振分頻，采用500 kHz的采樣頻率；CPLD采集ADC0809的EOC信號來判斷A/D采集是否已經結束[6-7]，A/D采集電路原理圖如圖2所示。

圖2 A/D采集電路原理圖

2.3 D/A數據轉換電路

采用DAC0832構成D/A轉換電路，單極性輸出。FPGA直接輸出二進制數送到DAC0832上，經過直通方式直接轉換成模擬量并通過MAX4016運算放大器[8-9]放大后，施加到待測繼電器的線圈上，以達到控制待測繼電器的功能，D/A數據轉換電路原理圖如圖3所示。

圖3 D/A數據轉換電路原理圖

2.4 觸點電阻測量電路

在測量觸點電阻時，通過外部電源箱的5 V和一個5 Ω/20 W的電阻構成一個接近1 A的恒流源，通過一個繼電器開關來控制這個1 A電流是否允許施加到觸點上。并通過74HC240緩沖放大器[10]作用，連接至CPLD芯片88腳，待測繼電器觸點電阻測量電路如圖4所示。

2.5 CPLD核心電路

采用Altera公司的CPLD芯片EPM1270T144C5[11]作為核心控制芯片。芯片與外圍器件的連接關系見圖5所示。繼電器各個參數測量原理如下：

測量吸合電壓和釋放電壓時，通過CPLD直接輸出0～5 V和5～0 V連續變化的電壓數字量，并通過D/A轉換電路及放大電路后施加到線圈上，一旦檢測到觸點閉合或者釋放后，CPLD將鎖存此時的電壓數字值，即相對應的吸合電壓和釋放電壓。

測量吸合時間時，CPLD直接輸出12 V電壓數字量，經D/A轉換及放大電路后直接施加到線圈上，使繼電器觸點閉合，CPLD記錄從輸出12 V電平數字量到檢測到繼電器觸點閉合的時間，就是吸合時間。

測量釋放時間時，在測量吸合時間后，CPLD則直接輸出0 V電壓數字量，經D/A和放大電路后施加到線圈上，使繼電器觸點直接斷開。CPLD將記錄從送出0 V電平數字量到檢測到觸點斷開的時間，即釋放時間。

圖4 待測繼電器觸點電阻測量電路

測量觸點接觸電阻時，通過外部5 V電源及5 Ω/20 W水泥電阻模擬一個接近1 A的恒流源。CPLD直接輸出12 V電壓數字量經D/A電路和放大電路后直接施加到線圈上，使繼電器觸點閉合。一旦CPLD檢測到繼電器閉合后，分別允許1 A電流進入觸點和允許A/D采集觸點的電壓。采集電壓時候，由于觸點電壓在mV級，需要放大后再進入A/D通道。最后將采集到的電壓數字值直接送給CPLD處理計算[12]。

2.6 LCD1602顯示電路

LCD1602主要實現電磁繼電器的動作電壓、時間參數以及觸點電阻的顯示[13]，LCD1602的第15引腳用于控制背光源電源的，設計中是通過CPLD直接控制的，控制電路如圖5所示，其中Cont引腳直接接到CPLD上控制其背景亮度。

圖5 LCD1602顯示電路

3 系統軟件設計

CPLD軟件設計采用Verilog HDL[14]硬件描述語言進行設計，程序主要包括系統時鐘分頻模塊、A/D數據采集和處理、D/A數字量輸出、LCD1602顯示以及按鍵處理。本設計的RTL級(寄存器傳輸級)功能模塊圖[15]如圖6所示。

圖6 RTL級功能模塊圖

測試狀態仿真圖如圖7所示，mode_num=0表示正在測量繼電器的釋放時間，此狀態下CPLD直接先輸出8 bit全1的數字量，后又輸出8 bit全0的數字量送給DAC0832。mode_num=1表示正在測量繼電器的吸合時間，此時CPLD直接輸出8位全1的數字量給DAC0832。mode_num=5時，CPLD輸出一個從0V到12V變化的電壓數字量給DAC0832，用于測量吸合電壓。mode_num=6時，CPLD輸出一個從12～0 V變化的電壓量給DAC0832，用于測量釋放電壓。

4 實驗測試

首先依據硬件電路設計繪制PCB四層電路板，組裝焊接調試，本設計的硬件實物如圖8所示。其次在QuartusII環境下編譯Verilog HDL語言源程序[16]，先對EPM1270T144C5進行引腳分配，再進行綜合生成可以下載到CPLD的*.pof文件，通過JTAG口將程序下載到芯片中。

圖7 測試狀態仿真圖

圖8 硬件實物圖

本系統測量的繼電器型號為943-1C-12DS。表1是該繼電器datasheet上所列出的參數范圍。

表1 繼電器標稱參數

使用本系統測量三個943-1C-12DS型號的繼電器的參數如表2所示。

表2 繼電器測試參數

測量觸點電阻時，PCB板本身回路的電阻為4.1 mΩ。以上數據已經減去了PCB板本身回路電阻。

5 結 語

本文設計的繼電器參數測試系統以CPLD芯片為核心，實現整個參數測試儀的信號控制、數據處理、人性化顯示功能。對實際測量的參數結果表明，本設計的單刀繼電器參數測量儀所測量出的數據完全符合所測繼電器的參數指標。

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