基于STM32的智能参数测试仪的设计方案 - 全文

　　0 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。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ARM Cortex 芯片STM32F103ZET6.

　　该芯片内部采用哈佛结构，其中集成有64 KB 的RAM 和512 KB FLASH，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（Single Wire） 技术，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 系统硬件设计

　　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2.5 V 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。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ARM Cortex 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。

　　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500 mA，并且能够在关态时承受50 V 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2.7 kΩ 的基极电阻，在5 V 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2 kΩ 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3.3 V 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［6］。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IAR SYSTEM 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［8］。

　　3.2.1 二分算法

　　函数f（x），对于一个实数a，当x=a 时，若f（a）=0，则把x=a 叫做函数f（x） 的零点。设f（x） 在区间（X，Y） 上连续，a、b 属于区间（x，y），且f（a），f（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，f（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f（x） 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，则在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X［9］，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。

　　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。

　　4 结语

　　本文是结合前人的研究成果基础上而提出的一种基于STM32 的智能参数测试仪的设计方案，该方案中所设计的测试仪由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。实验结果表明，本系统测试结果准确性高，工作稳定，总体性能令人满意。