基于单片机的继电器参数测试系统设计

柳杨，赖宝鹏，陈俊杰，潘思琪

（国网福建电力有限公司漳州供电公司，福建漳州，363000）

0 引言

继电器作为运输信号控制的安全基础元件，被广泛应用于多个控制领域，如航天航空系统、铁路运输系统、以及自动化机械生产系统等。由于大部分继电器在生产完毕后，均处于密封状态，而在继电器装配组成完成以后，便很难对各项的性能参数进行测试。传统测试系统在对各项参数的设置中，指标过于单一，无法对产生故障的器件元件进行数据分析，导致配电系统常常处于异常运行状态，带来巨大的经济损失。本文以此为基础，研究单片机的继电器参数测试系统设计，在其出厂时对其进行测试，检验是否能够满足可靠性要求，为分析电磁继电器的质量提供理论支持。

1 基于单片机的继电器参数测试系统硬件设计

1.1 构建二级模式集散控制框架

控制框架分为三个部分：一是继电器参数的显示模块，在连接好需要监测的继电器后，对其触点的回调和解除时差进行统计，完成测试。二是继电器超限值检测模块，当参数超过一定限制时，保证本测试系统在时间限制内完成超额参数的检测[1]。三是断电保护模块，在对继电器参数测试过程中，若超出判断区间检测限制，能够通过断电保护对产生的数据进行维护，在不丢失的状况中，收集单位时间内对继电器参数的测试结果，具体结构如图1所示。

图1 二级模式集散控制框架示意图

根据图中内容所示，在此次继电器参数测试系统设计过程中，为完成数据的有效管理，通过上下重叠机进行处理，上位机采用工控机，对继电器的参数测试结果进行数据管理，下位机采用单片机与FPGA相结合，对数据采集格式和处理方式进行控制[2]。框架的整体设计主要为测试系统作出基础，需要满足测试速度和准确度等多个性能要求，因此在上位机和下位机的数据采集电路上，必须进行同步采样控制，选择A/D9822转换器进行速度控制，以FPGA为逻辑控制单元进行同步控制，满足对继电器的参数测试要求。

1.2 设计双极性输出电路

在对继电器参数进行测试中，其核心部分为A/D转换器，可以将采集数据的模拟量转为信号，上传至单片机中进行处理，保证在有效时间内完成对数据的传输和存储。设计过程中为满足转换速度和精度，选用14路14位的转换器进行测试，在双通路的采集电路中，分别以基极电压和发射极电压为采样形式，形成双极性输出电路结构[3]。基极电压为普通数据的运行转换，即完成同向放大数据比例后，将所得数据转入至转换器中进行转化。发射极电压利用电阻两端，在完成反向比例后转化成正电压，以此满足转换器的数据采集诉求。通过双极性反向比例的两通路设计，使得在电路中获取的电压能够进行有序调节，保证其能够在0-120V的范围内完成连续输出，具体电路如图2所示。

图2 双极性输出A/D转换电路

根据图中内容所示，在经过倍压电路的逐步调节后，能够得到调高后的数据信号，通过A/D转换器装置进行电大增强，同时对继电器的集电电路进行监测，当测试到突变电路电流后，记录下此时继电器输出的电压数值，即可得到所对应的继电器实时数据[4]。在此阶段继电器的电流会产生不稳定现象，造成较大的电流数据误差，通过对反向饱和电流的基础设定，在对每一次电压采集过程中，需要逐渐增加基极电压进行记录，并将采集到的数据进行归一化处理，显示在电路终端的显示器中，描绘出特性曲线即可。

2 继电器参数测试系统软件设计

2.1 基于单片机设置异步通信工作模块

在电路集成度不断增加的前提下，继电器的元件引脚数量逐渐增加，为准确获取继电器的参数数据，基于单片机设置一个异步通信模块，以此编写相应的控制程序，从而实现多个通路的继电器列阵切换。根据此次安置的上下位机的控制接口所示，在不同引脚功能的控制程序下，能够直接对每个时段的数据进行读取，并整合出多个数据集合从而判断断电器的合格性。由于单片机是主要控制下位机装置结构，因此对上位机的各个参数测量，只需要按照同样的动作顺序进行连接即可，通过计算机通讯协议来控制USB接口，通过集线控制器完成对多台断电器的接口监测。以此确定后上位机后无需再作出更改，直接对单片机进行设置即可，通过单片机的技术原理和工作原则，以单片机的引脚功能进行驱动装置的控制，模拟单片器的通讯协议并完成调试。

2.2 计算高速波特频率测试继电器参数

根据单片机的通信频率不同，在两个寄存器端口处产生的数据中，不会占用其他定时资源，状态寄存器的引脚设置为riu，控制寄存器的引脚设置为tiu，在两个类型引脚进行工作时，单片机会产生对应的工作振荡频率，此时设定寄存器产生的数据集合为z，利用高速波特频率计算，表达式为：

公式中：单片机工作的振荡频率用dcvb来表示；当产生的波特率fgh小于1时，则表示会产生高速波特频率，反之不会产生，基本处于低速波特频率范围。根据设计过程中选定的波特率，也能够反推出设置好寄存器时段数据定值，表达式为：

公式中：在只有产生高速波特频率时，可以直接对选定的寄存器数据进行计算，对应出单片机的实时工作振荡频率。设定过程中需要注意，在选用标准的波特频率时，偏差在1.5%的范围内均可以保证通信的正产进行，因此在8400的基础上可以上下进行浮动，可以根据设计的功能要求自行选择。至此在重新组织测试架构的基础上，设计数据传导电路组建硬件结构，利用单片机完成异步通讯模块，计算高速波特频率测试断电器参数，完成系统的整体设计。

3 测试与结果分析

本次选择直流电继电器为样本，对某个型号的继电器的线圈电流和接触点电压波形，分别进行有效数据采集，利用标准显示波器DS42204B进行校正和对比，验证本文系统与真实数据的相对误差，在测试误差符合容许范围，则表示本文系统设计有效。对选择的两个类型继电器装置进行以此连接，将真实数据波形检测仪器与之相连，对接此次设计的测试系统，以获取不同类型继电器特性参数。

将两组继电器装置和显示器进行连接，通过直流电的线圈获取吸合电压数据，利用接触点电压波形获取释放电压数据。在线圈内放置高压电阻装置，保证极高电压下产生的数据具有真实性，分别对两组继电器进行数据采集，按照每次运行2小时为监测隔断，对测试参数记性4组数据获取，实际获取值如表1所示。

表1 继电器参数获取实际值（V）

根据表中内容所示，继电器的吸合电压为输出后的放大值，通过接触点的放大通路进行驱动增压，当达到一定数量值后，能够使得两种类型继电器进行工作。

在处理器进行数据转换时，通过继电器的接触点碰撞，采集即时电压，将所得数据导入至MATLAB测试平台中，选择一组传统系统作为对照，对实际运行8小时的继电器进行测试，对照以上数据作为参照，利用同步信号中两端电压，分别对应线圈电阻和电流数据，如图3所示。

图3 继电器运行时间的参数采集结果对比

根据图中内容所示，说明本文测试系统的采集功能有效，能够在参数测试中获取较为准确的数据，具有实际应用效果。

为进一步验证本文系统的准确度更高，能够使继电器的参数测评结果误差减少，选择运行最后的时段参数为样本，进行多轮测试，具体结果如表2所示。

表2 不同系统继电器参数获取值（V）

根据表中内容所示，在本文系统的应用下，能够对继电器产生的数据进行真实采集，以此获取更准确的参数值，具有实际应用意义。

4 结束语

本文在分析单片机的功能和性能基础上，对断电器的参数测试同进行设计，以重新拟定数据的测试架构为主，分别对上位机和下位机的电路进行设计，利用单片机的异位通讯模块，计算高速波特频率完成对断电器的参数测试。通过实验测试结果可知：在选择两组不同类型的断电器中，运用本文系统能够得出与实际值相一致的参数结果，具有实际应用意义。但由于本人的时间有限，在测试过程中不能对所有运行时段进行论证，所得结果具有一定偏差性。后续研究中会全面的测试该系统的准确度，将断电器的运行全周期安置在系统中，为其测量和检修提供理论支持。