基于STM32的智能參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案

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 系統(tǒng)硬件設(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[6].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[7],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[8].

3.2.1 二分算法

函數(shù)f(x)，對(duì)于一個(gè)實(shí)數(shù)a,當(dāng)x=a 時(shí)，若f(a)=0,則把x=a 叫做函數(shù)f(x) 的零點(diǎn)。設(shè)f(x) 在區(qū)間(X,Y) 上連續(xù)，a、b 屬于區(qū)間(x,y)，且f(a)，f(b) 異號(hào)，則在區(qū)間(a,b) 內(nèi)一定存在至少一個(gè)零點(diǎn)，然后求f[(a+b)/2].假定a0,那么：

如果f[(a+b)/2]=0,則x=(a+b)/2 就是零點(diǎn)。

如果f[(a+b)/2]<0,說(shuō)明區(qū)間((a+b)/2,b) 內(nèi)有零點(diǎn)，再次對(duì)新區(qū)間((a+b)/2,b) 取中值代入函數(shù)，進(jìn)行中點(diǎn)函數(shù)值判斷。

如果f[(a+b)/2]>0,說(shuō)明區(qū)間(a,(a+b)/2) 內(nèi)有零點(diǎn)，再次對(duì)新區(qū)間(a,(a+b)/2) 取中值代入函數(shù)，進(jìn)行中點(diǎn)函數(shù)值判斷。

通過(guò)以上反復(fù)的區(qū)間取值，可以把f(x) 的零點(diǎn)所在小區(qū)間收縮一半，使區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn)逐步迫近函數(shù)的零點(diǎn)，最終以求得零點(diǎn)的近似值。

這就是二分算法的基本原理。

3.2.2 步進(jìn)自適應(yīng)中值算法

同簡(jiǎn)單二分算法一樣，確定A、B 兩個(gè)電壓值，其中A 無(wú)法使觸點(diǎn)吸合，B 保證發(fā)生觸點(diǎn)吸合。然后求得A、B 的平均值C,如果C 小于觸點(diǎn)的閾值電壓，則在B 電壓量的基礎(chǔ)上步進(jìn)式地減小一定幅度的電壓X,得到電壓量D ;如果C 大于觸點(diǎn)的觸發(fā)電壓，那么在A 電壓量的基礎(chǔ)上，步進(jìn)式地增加一定幅度的電壓X[9],然后重復(fù)以上步驟。如果發(fā)生某一步進(jìn)增加時(shí)，觸點(diǎn)發(fā)生吸合，則繼電器的吸合電壓介于觸點(diǎn)觸發(fā)的前后兩個(gè)電壓平均數(shù)值之間。

3.2.3 差異比較算法

差異比較算法是通過(guò)比較輸入值和輸出值的大小，將發(fā)生差異型變化的數(shù)值進(jìn)行篩選并記錄。選擇這個(gè)算法主要是針對(duì)二次發(fā)生的吸合釋放過(guò)程。

三種算法中，二分算法有可能讓程序進(jìn)入死循環(huán)，差異比較算法相對(duì)前兩者速度較慢，所以本系統(tǒng)最終采用步進(jìn)自適應(yīng)中值算法。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)界面程序采用C++ 程序編寫，它主要包括參數(shù)設(shè)置區(qū)域、參數(shù)顯示區(qū)域、繼電器類型選擇和控制按鍵等幾部分。參數(shù)設(shè)置區(qū)域是完成對(duì)所測(cè)繼電器的相關(guān)參數(shù)上下限參數(shù)的設(shè)置，比如吸合電壓上下限的設(shè)置。參數(shù)顯示區(qū)域是顯示所測(cè)參數(shù)大小的，這里還包括了一個(gè)參數(shù)選擇復(fù)選框，如果選上則表示需要對(duì)此參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果不選則系統(tǒng)不對(duì)此部分參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。圖5 所示為其上位機(jī)界面。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在調(diào)試好的樣機(jī)上分別可對(duì)吸合電壓等六個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，為了減少一次測(cè)試數(shù)據(jù)的偶然性，每個(gè)參數(shù)均測(cè)試了八組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從表1 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其測(cè)試數(shù)據(jù)變化范圍小，系統(tǒng)性能較穩(wěn)定，總體性能能夠令人滿意。

4 結(jié)語(yǔ)

本文是結(jié)合前人的研究成果基礎(chǔ)上而提出的一種基于STM32 的智能參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案，該方案中所設(shè)計(jì)的測(cè)試儀由STM32 作為主控芯片，并結(jié)合先進(jìn)的電子測(cè)量線路來(lái)對(duì)繼電器的主要電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性高，工作穩(wěn)定，總體性能令人滿意。