基于單片機(jī)的繼電器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柳楊，賴寶鵬，陳俊杰，潘思琪

（國(guó)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(yùn)輸信號(hào)控制的安全基礎(chǔ)元件，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)控制領(lǐng)域，如航天航空系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)、以及自動(dòng)化機(jī)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(duì)各項(xiàng)的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)在對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置中，指標(biāo)過(guò)于單一，無(wú)法對(duì)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(yùn)行狀態(tài)，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文以此為基礎(chǔ)，研究單片機(jī)的繼電器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在其出廠時(shí)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)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(jī)的繼電器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建二級(jí)模式集散控制框架

控制框架分為三個(gè)部分：一是繼電器參數(shù)的顯示模塊，在連接好需要監(jiān)測(cè)的繼電器后，對(duì)其觸點(diǎn)的回調(diào)和解除時(shí)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完成測(cè)試。二是繼電器超限值檢測(cè)模塊，當(dāng)參數(shù)超過(guò)一定限制時(shí)，保證本測(cè)試系統(tǒng)在時(shí)間限制內(nèi)完成超額參數(shù)的檢測(cè)[1]。三是斷電保護(hù)模塊，在對(duì)繼電器參數(shù)測(cè)試過(guò)程中，若超出判斷區(qū)間檢測(cè)限制，能夠通過(guò)斷電保護(hù)對(duì)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(shí)間內(nèi)對(duì)繼電器參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二級(jí)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(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為完成數(shù)據(jù)的有效管理，通過(guò)上下重疊機(jī)進(jìn)行處理，上位機(jī)采用工控機(jī)，對(duì)繼電器的參數(shù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，下位機(jī)采用單片機(jī)與FPGA相結(jié)合，對(duì)數(shù)據(jù)采集格式和處理方式進(jìn)行控制[2]。框架的整體設(shè)計(jì)主要為測(cè)試系統(tǒng)作出基礎(chǔ)，需要滿足測(cè)試速度和準(zhǔn)確度等多個(gè)性能要求，因此在上位機(jī)和下位機(jī)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(duì)繼電器的參數(shù)測(cè)試要求。

1.2 設(shè)計(jì)雙極性輸出電路

在對(duì)繼電器參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(hào)，上傳至單片機(jī)中進(jìn)行處理，保證在有效時(shí)間內(nèi)完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)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]。基極電壓為普通數(shù)據(jù)的運(yùn)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(guò)雙極性反向比例的兩通路設(shè)計(jì)，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(guò)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(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器裝置進(jìn)行電大增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)繼電器的集電電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)測(cè)試到突變電路電流后，記錄下此時(shí)繼電器輸出的電壓數(shù)值，即可得到所對(duì)應(yīng)的繼電器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[4]。在此階段繼電器的電流會(huì)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(guò)對(duì)反向飽和電流的基礎(chǔ)設(shè)定，在對(duì)每一次電壓采集過(guò)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(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于單片機(jī)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(jī)設(shè)置一個(gè)異步通信模塊，以此編寫相應(yīng)的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)通路的繼電器列陣切換。根據(jù)此次安置的上下位機(jī)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(duì)每個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并整合出多個(gè)數(shù)據(jù)集合從而判斷斷電器的合格性。由于單片機(jī)是主要控制下位機(jī)裝置結(jié)構(gòu)，因此對(duì)上位機(jī)的各個(gè)參數(shù)測(cè)量，只需要按照同樣的動(dòng)作順序進(jìn)行連接即可，通過(guò)計(jì)算機(jī)通訊協(xié)議來(lái)控制USB接口，通過(guò)集線控制器完成對(duì)多臺(tái)斷電器的接口監(jiān)測(cè)。以此確定后上位機(jī)后無(wú)需再作出更改，直接對(duì)單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置即可，通過(guò)單片機(jī)的技術(shù)原理和工作原則，以單片機(jī)的引腳功能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(jì)算高速波特頻率測(cè)試?yán)^電器參數(shù)

根據(jù)單片機(jī)的通信頻率不同，在兩個(gè)寄存器端口處產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中，不會(huì)占用其他定時(shí)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(gè)類型引腳進(jìn)行工作時(shí)，單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的工作振蕩頻率，此時(shí)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(jì)算，表達(dá)式為：

公式中：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作的振蕩頻率用dcvb來(lái)表示；當(dāng)產(chǎn)生的波特率fgh小于1時(shí)，則表示會(huì)產(chǎn)生高速波特頻率，反之不會(huì)產(chǎn)生，基本處于低速波特頻率范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中選定的波特率，也能夠反推出設(shè)置好寄存器時(shí)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(shí)，可以直接對(duì)選定的寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)出單片機(jī)的實(shí)時(shí)工作振蕩頻率。設(shè)定過(guò)程中需要注意，在選用標(biāo)準(zhǔn)的波特頻率時(shí)，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(dòng)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的功能要求自行選擇。至此在重新組織測(cè)試架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳導(dǎo)電路組建硬件結(jié)構(gòu)，利用單片機(jī)完成異步通訊模塊，計(jì)算高速波特頻率測(cè)試斷電器參數(shù)，完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

本次選擇直流電繼電器為樣本，對(duì)某個(gè)型號(hào)的繼電器的線圈電流和接觸點(diǎn)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(duì)比，驗(yàn)證本文系統(tǒng)與真實(shí)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，在測(cè)試誤差符合容許范圍，則表示本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效。對(duì)選擇的兩個(gè)類型繼電器裝置進(jìn)行以此連接，將真實(shí)數(shù)據(jù)波形檢測(cè)儀器與之相連，對(duì)接此次設(shè)計(jì)的測(cè)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(guò)直流電的線圈獲取吸合電壓數(shù)據(jù)，利用接觸點(diǎn)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(shí)性，分別對(duì)兩組繼電器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按照每次運(yùn)行2小時(shí)為監(jiān)測(cè)隔斷，對(duì)測(cè)試參數(shù)記性4組數(shù)據(jù)獲取，實(shí)際獲取值如表1所示。

表1 繼電器參數(shù)獲取實(shí)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(guò)接觸點(diǎn)的放大通路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(shí)，通過(guò)繼電器的接觸點(diǎn)碰撞，采集即時(shí)電壓，將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入至MATLAB測(cè)試平臺(tái)中，選擇一組傳統(tǒng)系統(tǒng)作為對(duì)照，對(duì)實(shí)際運(yùn)行8小時(shí)的繼電器進(jìn)行測(cè)試，對(duì)照以上數(shù)據(jù)作為參照，利用同步信號(hào)中兩端電壓，分別對(duì)應(yīng)線圈電阻和電流數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 繼電器運(yùn)行時(shí)間的參數(shù)采集結(jié)果對(duì)比

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

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確度更高，能夠使繼電器的參數(shù)測(cè)評(píng)結(jié)果誤差減少，選擇運(yùn)行最后的時(shí)段參數(shù)為樣本，進(jìn)行多輪測(cè)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(shí)采集，以此獲取更準(zhǔn)確的參數(shù)值，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析單片機(jī)的功能和性能基礎(chǔ)上，對(duì)斷電器的參數(shù)測(cè)試同進(jìn)行設(shè)計(jì)，以重新擬定數(shù)據(jù)的測(cè)試架構(gòu)為主，分別對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)的異位通訊模塊，計(jì)算高速波特頻率完成對(duì)斷電器的參數(shù)測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知：在選擇兩組不同類型的斷電器中，運(yùn)用本文系統(tǒng)能夠得出與實(shí)際值相一致的參數(shù)結(jié)果，具有實(shí)際應(yīng)用意義。但由于本人的時(shí)間有限，在測(cè)試過(guò)程中不能對(duì)所有運(yùn)行時(shí)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(huì)全面的測(cè)試該系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，將斷電器的運(yùn)行全周期安置在系統(tǒng)中，為其測(cè)量和檢修提供理論支持。