基于ARM的電磁繼電器參數(shù)檢測儀

摘要：針對目前市場上存在的一些電磁繼電器參數(shù)檢測儀器的缺點，為了能夠精確采集電磁繼電器的吸合電壓等主要參數(shù)，采用ARM技術和上、下位機方法，設計了一款基于ARM Correx—M3芯片STM32F103ZET6單片機控制的電磁繼電器綜合參數(shù)檢測儀。該儀器可完成對動斷、動合、轉換型直流繼電器的線圈電阻、觸點接觸電阻、最小吸合電壓、最大釋放電壓、吸合時間、釋放時間等參數(shù)的測試。

0 引言

產(chǎn)品檢測是生產(chǎn)廠家和用戶都關心的問題。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，檢測是必不可少的一部分，有的還是工藝過程的一道工序。電磁繼電器是電力系統(tǒng)以及其他電氣控制系統(tǒng)中常用的開關元件，它們的可靠性是電力系統(tǒng)和其他電氣控制系統(tǒng)可靠運行的重要保證，因此，必須對繼電器的特性參數(shù)進行準確的測試。電磁繼電器的電氣參數(shù)主要有線圈電阻、觸點接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓、吸合時間、釋放時間等。這些參數(shù)對研究繼電器可靠性、動態(tài)性能具有重要意義，是保證其質量特性的重要參數(shù)。

1 系統(tǒng)總體架構

1.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件主要包括UART串口通信模塊、JTAG接口模塊、測試結果顯示模塊、檢測程序存儲模塊FLASH、檢測電路模塊以及SRAM模塊。系統(tǒng)總體硬件結構框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)微處理器

本系統(tǒng)主要由檢測部分和顯示控制部分組成。在本設計中，采用了高性能的ARM Cortex芯片STM32F103ZET6。該芯片內部采用哈佛結構，其中集成有64 KB的RAM和512 KB FLASH，并且具有運算速度快、體積小和低功耗的特點，完全能滿足本設計的要求。Cortex—M3是一個32位的核，它采用的是Tail—Chaining中斷技術，最多可減少12個時鐘周期數(shù)，基于硬件進行中斷處理，通?？蓽p少70%的中斷。Cortex-M3還采用了新型的單線調試(Single Wire)技術，可對獨立的引腳進行調試。

1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后，首先完成對各個寄存器的初始化工作，然后等待開始檢測命令;單擊上位機界面上的START命令，然后上位機給單片機發(fā)送開始檢測命令;單片機接到開始命令后開始向檢測電路發(fā)送檢測命令，然后單片機處理檢測電路發(fā)回的數(shù)據(jù)，得出繼電器的各個參數(shù)，通過串口把這些參數(shù)顯示在上位機的界面上。

2 檢測電路設計

2.1 驅動電壓的設計

為了準確測出繼電器的吸合電壓，必須得到一個從0開始按照一定量增大的電壓源，每次增大的電壓量越小，測試的結果越準確，但是所要求的電路也越復雜，所以我們必須根據(jù)實際的要求在這中間找到一個平衡點。圖2所示為系統(tǒng)驅動電壓電路。

圖2中，TL431用于給TLC5615提供2.5 V的基準電壓源，DA DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端，DA CS是低電平有效的片選信號輸入端，DA SCK是串行時鐘輸入端，DOUT是用于級聯(lián)的串行數(shù)據(jù)輸出端，OUT是DAC模擬電壓輸出端，輸出模擬信號。由于從TLC5615輸出的模擬信號很小，不能驅動繼電器，所以，本設計在后面又加上了放大電壓電路和放大電流電路。

2.2 集成切換網(wǎng)絡的設計

本系統(tǒng)的集成切換網(wǎng)絡是利用繼電器的開關工作原理完成的，利用單片機發(fā)出的不同指令控制繼電器的閉合，從而切換到不同的測試電路模塊。在測試吸合/釋放電壓時，首先ARM Cortex發(fā)出測試參數(shù)為吸合/釋放電壓的指令。集成切換網(wǎng)絡根據(jù)指令，切換到Prog_v一側，XQ1I連接所測繼電器觸點一端，具體電路如圖3所示。

為了解決單片機的I/O驅動能力不足的問題，選用ULN2003作為繼電器的驅動芯片。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，它具有工作地電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA，并且能夠在關態(tài)時承受50 V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。它采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器。ULN2003的每一對達林頓管都串聯(lián)一個2.7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。通常單片機驅動ULN2003時，上拉2 kΩ的電阻，同時，COM引腳應該懸空或接電源。

2. 3 數(shù)據(jù)處理及與上位機的通信

接收到的數(shù)據(jù)通過異步串口管腳與3.3 V轉換芯片MAX232相連，外接串口線同PC機進行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，STM32作為下位機負責接收上位機的指令以及控制各部分電路并處理數(shù)據(jù)，然后向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，PC機接收數(shù)據(jù)，并通過VC編程把接收的數(shù)據(jù)通過界面顯示出來。這里PC機的VC通過串口發(fā)送命令給STM32，主控芯片接收命令并判斷有效，即可開始控制電路進行工作。由于篇幅所限，本文未對STM32的最小系統(tǒng)硬件部分作詳細說明。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分主要包括STM32微處理器控制程序和上位機程序兩部分。由于下位機軟件使用C語言來開發(fā)，所以選擇了一款支持C語言編程的開發(fā)環(huán)境。由于使用的是J—LINK接口調試方式，選擇用IAR SYSTEM作為下位機的控制平臺開發(fā)工具。

3.1 微處理器控制程序

圖4所示是本系統(tǒng)的微處理器控制程序。本程序的核心部分是線圈電阻子程序、觸點電阻子程序、吸合/釋放電壓子程序、吸合/釋放時間子程序。

3.2 吸合電壓算法設計

對于吸合/釋放電壓的測試，這里將對比三種測試算法：二分算法、步進自適應中值算法和差異比較算法。