基于ARM的电磁继电器参数检测仪

引言

产品检测是生产厂家和用户都关心的问题。在产品生产过程中，检测是必不可少的一部分，有的还是工艺过程的一道工序。电磁继电器是电力系统以及其他电气控制系统中常用的开关元件，它们的可靠性是电力系统和其他电气控制系统可靠运行的重要保证，因此，必须对继电器的特性参数进行准确的测试。电磁继电器的电气参数主要有线圈电阻、触点接触电阻、吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间等叫这些参数对研究继电器可靠性、动态性能具有重要意义，是保证其质量特性的重要参数。

1系统总体架构

1.1系统硬件结构

系统硬件主要包括UART串口通信模块、JTAG接口模块、测试结果显示模块、检测程序存储模块FLASH、检测电路模块以及SRAM模块。系统总体硬件结构框图如图1所示。

1.2系统微处理器

本系统主要由检测部分和显示控制部分组成。在本设计中，采用了高性能的ARMCortex芯片STM32F103ZET6。该芯片内部采用哈佛结构，其中集成有64KB的RAM和512KBFLASH，并且具有运算速度快、体积小和低功耗的特点，完全能满足本设计的要求。Cortex-M3是一个32位的核，它采用的是Tail-Chaining中断技术，最多可减少12个时钟周期数，基于硬件进行中断处理，通常可减少70%的中断。Cortex-M3还采用了新型的单线调试(SingleWire)技术团,可对独立的引脚进行调试。

1.3系统工作流程

系统上电后，首先完成对各个寄存器的初始化工作，然后等待开始检测命令;单击上位机界面上的START命令，然后上位机给单片机发送开始检测命令；单片机接到开始命令后开始向检测电路发送检测命令，然后单片机处理检测电路发回的数据，得出继电器的各个参数，通过串口把这些参数显示在上位机的界面上。

2检测电路设计

2.1驱动电压的设计

为了准确测出继电器的吸合电压，必须得到一个从0开始按照一定量增大的电压源，每次增大的电压量越小，测试的结果越准确，但是所要求的电路也越复杂，所以我们必须根据实际的要求在这中间找到一个平衡点。图2所示为系统驱动电压电路。

图2中,TL431用于给TLC5615提供2.5V的基准电压源,DA_DIN是串行数据输入端，DA_CS是低电平有效的片选信号输入端，DA_SCK是串行时钟输入端，DOUT是用于级联的串行数据输出端，OUT是DAC模拟电压输出端，输出模拟信号叫由于从TLC5615输出的模拟信号很小，不能驱动继电器，所以，本设计在后面又加上了放大电压电路和放大电流电路。

2.2集成切换网络的设计

本系统的集成切换网络是利用继电器的开关工作原理完成的，利用单片机发出的不同指令控制继电器的闭合，从而切换到不同的测试电路模块。在测试吸合/释放电压时，首先ARMCortex发出测试参数为吸合/释放电压的指令。集成切换网络根据指令，切换到Prog_v一侧，XQ1I连接所测继电器触点一端，具体电路如图3所示［5］。

为了解决单片机的I/O驱动能力不足的问题，选用ULN2003作为继电器的驱动芯片。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，它具有工作地电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。它采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器。ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7kQ的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。通常单片机驱动ULN2003时,上拉2kQ的电阻，同时，COM引脚应该悬空或接电源。

2.3数据处理及与上位机的通信

接收到的数据通过异步串口管脚与3.3V转换芯片MAX232相连，外接串口线同PC机进行通信，接收和发送数据，STM32作为下位机负责接收上位机的指令以及控制各部分电路并处理数据，然后向上位机发送数据，PC机接收数据，并通过VC编程把接收的数据通过界面显示出来。这里PC机的VC通过串口发送命令给STM32,主控芯片接收命令并判断有效，即可开始控制电路进行工作E由于篇幅所限,本文未对STM32的最小系统硬件部分作详细说明。

3系统软件设计

系统软件部分主要包括STM32微处理器控制程序和上位机程序两部分。由于下位机软件使用C语言来开发，所以选择了一款支持C语言编程的开发环境。由于使用的是J-LINK接口调试方式［7］,选择用IARSYSTEM作为下位机的控制平台开发工具。

3.1微处理器控制程序

图4所示是本系统的微处理器控制程序。本程序的核心部分是线圈电阻子程序、触点电阻子程序、吸合/释放电压子程序、吸合/释放时间子程序。

3.2吸合电压算法设计

对于吸合/释放电压的测试，这里将对比三种测试算法：二分算法、步进自适应中值算法和差异比较算法[叫

3.2.1二分算法

函数f(x),对于一个实数a,当x=a时，若fa)=0,则把x=a叫做函数fx)的零点。设fx)在区间(X,Y)上连续,a、b属于区间(x,y),且f(a),,b)异号，则在区间(a,b)内一定存在至少一个零点，然后求f[(a+b)/2]。假定a<b,,a)<0,f(b)>0,那么：

如果f[(a+b)/2]=0,则x=(a+b)/2就是零点。

如果f[(a+b)/2]<0,说明区间((a+b)/2,b)内有零点，再次对新区间((a+b)/2,b)取中值代入函数，进行中点函数值判断。

如果f[(a+b)/2]>0,说明区间(a,(a+b)/2)内有零点，再次对新区间(a,(a+b)/2)取中值代入函数，进行中点函数值判断。通过以上反复的区间取值，可以把fx)的零点所在小区间收缩一半，使区间的两个端点逐步迫近函数的零点，最终以求得零点的近似值。

这就是二分算法的基本原理。

3.2.2步进自适应中值算法

同简单二分算法一样，确定A.B两个电压值，其中A无法使触点吸合，B保证发生触点吸合。然后求得A、B的平均值C,如果C小于触点的阈值电压，贝恠B电压量的基础上步进式地减小一定幅度的电压X,得到电压量D；如果C大于触点的触发电压，那么在A电压量的基础上，步进式地增加一定幅度的电压X191,然后重复以上步骤。如果发生某一步进增加时，触点发生吸合，则继电器的吸合电压介于触点触发的前后两个电压平均数值之间。

3.2.3差异比较算法

差异比较算法是通过比较输入值和输出值的大小，将发生差异型变化的数值进行筛选并记录。选择这个算法主要是针对二次发生的吸合释放过程。

三种算法中，二分算法有可能让程序进入死循环，差异比较算法相对前两者速度较慢，所以本系统最终采用步进自适应中值算法。

3.3上位机程序设计

本系统的上位机界面程序采用C++程序编写，它主要包括参数设置区域、参数显示区域、继电器类型选择和控制按键等几部分。参数设置区域是完成对所测继电器的相关参数上下限参数的设置，比如吸合电压上下限的设置。参数显示区域是显示所测参数大小的，这里还包括了一个参数选择复选框，如果选上则表示需要对此参数进行检测，如果不选则系统不对此部分参数进行检测。图5所示为其上位机界面。

图5上位机界面

3.4实验结果

在调试好的样机上分别可对吸合电压等六个参数进行测试，为了减少一次测试数据的偶然性，每个参数均测试了八组数据进行处理，实验结果如表1所示。从表1中的数据可以发现，其测试数据变化范围小，系统性能较稳定，总体性能能够令人满意。

表1额定电压12V电磁继电器测试数据

4 结 语

本文是结合前人的研究成果提出的一种基于STM32的智能参数测试仪，该测试仪由STM32作为主控芯片，并结合先进的电子测量线路来对继电器的主要电气参数进行测量。测量结果表明，本系统测试结果准确性高，工作稳定，总体性能令人满意。

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