基于ARM的電磁繼電器參數(shù)檢測(cè)儀

摘要：針對(duì)目前市場(chǎng)上存在的一些電磁繼電器參數(shù)檢測(cè)儀器的缺點(diǎn)，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(shù)和上、下位機(jī)方法，設(shè)計(jì)了一款基于ARM Correx—M3芯片STM32F103ZET6單片機(jī)控制的電磁繼電器綜合參數(shù)檢測(cè)儀。該儀器可完成對(duì)動(dòng)斷、動(dòng)合、轉(zhuǎn)換型直流繼電器的線圈電阻、觸點(diǎn)接觸電阻、最小吸合電壓、最大釋放電壓、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間等參數(shù)的測(cè)試。

0 引言

產(chǎn)品檢測(cè)是生產(chǎn)廠家和用戶都關(guān)心的問(wèn)題。在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，檢測(cè)是必不可少的一部分，有的還是工藝過(guò)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(kāi)關(guān)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(yùn)行的重要保證，因此，必須對(duì)繼電器的特性參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試。電磁繼電器的電氣參數(shù)主要有線圈電阻、觸點(diǎn)接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間等。這些參數(shù)對(duì)研究繼電器可靠性、動(dòng)態(tài)性能具有重要意義，是保證其質(zhì)量特性的重要參數(shù)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括UART串口通信模塊、JTAG接口模塊、測(cè)試結(jié)果顯示模塊、檢測(cè)程序存儲(chǔ)模塊FLASH、檢測(cè)電路模塊以及SRAM模塊。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)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(cè)部分和顯示控制部分組成。在本設(shè)計(jì)中，采用了高性能的ARM Cortex芯片STM32F103ZET6。該芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，其中集成有64 KB的RAM和512 KB FLASH，并且具有運(yùn)算速度快、體積小和低功耗的特點(diǎn)，完全能滿足本設(shè)計(jì)的要求。Cortex—M3是一個(gè)32位的核，它采用的是Tail—Chaining中斷技術(shù)，最多可減少12個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，基于硬件進(jìn)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(diào)試(Single Wire)技術(shù)，可對(duì)獨(dú)立的引腳進(jìn)行調(diào)試。

1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后，首先完成對(duì)各個(gè)寄存器的初始化工作，然后等待開(kāi)始檢測(cè)命令;單擊上位機(jī)界面上的START命令，然后上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送開(kāi)始檢測(cè)命令;單片機(jī)接到開(kāi)始命令后開(kāi)始向檢測(cè)電路發(fā)送檢測(cè)命令，然后單片機(jī)處理檢測(cè)電路發(fā)回的數(shù)據(jù)，得出繼電器的各個(gè)參數(shù)，通過(guò)串口把這些參數(shù)顯示在上位機(jī)的界面上。

2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確測(cè)出繼電器的吸合電壓，必須得到一個(gè)從0開(kāi)始按照一定量增大的電壓源，每次增大的電壓量越小，測(cè)試的結(jié)果越準(zhǔn)確，但是所要求的電路也越復(fù)雜，所以我們必須根據(jù)實(shí)際的要求在這中間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。圖2所示為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電壓電路。

圖2中，TL431用于給TLC5615提供2.5 V的基準(zhǔn)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(hào)輸入端，DA SCK是串行時(shí)鐘輸入端，DOUT是用于級(jí)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(hào)。由于從TLC5615輸出的模擬信號(hào)很小，不能驅(qū)動(dòng)繼電器，所以，本設(shè)計(jì)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(luò)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的集成切換網(wǎng)絡(luò)是利用繼電器的開(kāi)關(guān)工作原理完成的，利用單片機(jī)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(cè)試電路模塊。在測(cè)試吸合/釋放電壓時(shí)，首先ARM Cortex發(fā)出測(cè)試參數(shù)為吸合/釋放電壓的指令。集成切換網(wǎng)絡(luò)根據(jù)指令，切換到Prog_v一側(cè)，XQ1I連接所測(cè)繼電器觸點(diǎn)一端，具體電路如圖3所示。

為了解決單片機(jī)的I/O驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題，選用ULN2003作為繼電器的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003是高壓大電流達(dá)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(dá)500 mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。它采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器。ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓管都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2 kΩ的電阻，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。

2. 3 數(shù)據(jù)處理及與上位機(jī)的通信

接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)異步串口管腳與3.3 V轉(zhuǎn)換芯片MAX232相連，外接串口線同PC機(jī)進(jìn)行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，STM32作為下位機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，PC機(jī)接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)VC編程把接收的數(shù)據(jù)通過(guò)界面顯示出來(lái)。這里PC機(jī)的VC通過(guò)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(kāi)始控制電路進(jìn)行工作。由于篇幅所限，本文未對(duì)STM32的最小系統(tǒng)硬件部分作詳細(xì)說(shuō)明。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括STM32微處理器控制程序和上位機(jī)程序兩部分。由于下位機(jī)軟件使用C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)，所以選擇了一款支持C語(yǔ)言編程的開(kāi)發(fā)環(huán)境。由于使用的是J—LINK接口調(diào)試方式，選擇用IAR SYSTEM作為下位機(jī)的控制平臺(tái)開(kāi)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(diǎn)電阻子程序、吸合/釋放電壓子程序、吸合/釋放時(shí)間子程序。

3.2 吸合電壓算法設(shè)計(jì)

對(duì)于吸合/釋放電壓的測(cè)試，這里將對(duì)比三種測(cè)試算法：二分算法、步進(jìn)自適應(yīng)中值算法和差異比較算法。