基于PIC单片机的铁路继电器寿命试验系统_王鑫.pdf

2023 年 2 月第 59 卷 第 2 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationFebruary 2023Vol.59 No.2基于PIC单片机的铁路继电器寿命试验系统王鑫，赵兴海，姚旺，孙海东摘 要：继电器的使用寿命是继电器能否长时间可靠、安全运行的关键技术指标。通过对该指标的试验和分析，可以有效发现继电器潜在的失效模式，消除安全隐患。以PIC18F45K80单片机为核心，对铁路继电器的寿命试验进行技术研究，提出一种新的寿命试验系统。通过监测继电器接点的工作状态，识别出接点接触不良、接点熔焊、接点桥接等故障。相比于传统的寿命试验只进行终检判断的模式，该技术能够实时获取接点实际功能状态，有助于更准确地评估继电器可靠性与安全性水平，及时发现潜在风险，为铁路继电器的研发、生产及全生命周期管理提供必要的技术依据。关键词：铁路；继电器；寿命试验；可靠性；PIC单片机；状态码中图分类号：U284.71 文献标识码：A Railway Relay Life Test System Based on PIC Single Chip MicrocomputerWANG Xin,ZHAO Xinghai,YAO Wang,SUN HaidongAbstract：The service life of the relay is the key technical index of whether the relay can operate reliably and safely for a long time.Through the test and analysis of this indicator,the potential failure mode of the relay can be effectively found and the potential safety hazard can be eliminated.This paper takes PIC18F45K80 single chip microcomputer as the core,carries out technical research on the life test of railway relay,and puts forward a new life test technology.Through monitoring the working state of relay contacts during the test,it can identify the reliability faults such as poor contact and the safety faults such as contact fusion welding and contact bridging.Compared with the traditional life test mode of only final inspection and judgment,this technology can obtain the actual functional state of the contact in real time,which is conducive to more accurate evaluation of the reliability and safety level of the relay,timely discovery of potential risks,and 王鑫：沈阳铁路信号有限责任公司 高级工程师 110025 沈阳赵兴海：沈阳铁路信号有限责任公司 高级工程师 110025 沈阳姚旺：沈阳铁路信号有限责任公司 工程师 110025 沈阳孙海东：沈阳铁路信号有限责任公司 高级工程师 110025 沈阳基金项目：辽宁省揭榜挂帅科技攻关项目（2021JH1/10400061）收稿日期：2022-09-22DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-02.22322扫码浏览下载86Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 2023provides the necessary technical basis for the development,production and life-cycle management of railway relays.Key words：Railway；Relay；Life test；Reliability；PIC single chip microcomputer；Status code继电器是铁路信号系统中关键的控制设备，对铁路信号系统的安全性与可靠性有至关重要的影响1。随着中国高铁的飞速发展，铁路信号继电器的应用范围也不断拓展，高强度的运量对继电器的可靠性和安全性提出了更高的要求。作为判断继电器能否长时间可靠运行的关键技术指标，其使用寿命越来越受到关注。目前的寿命试验方法是对比试验前/后工作值、释放值、接触电阻等关键指标，判断寿命是否达到要求，而未对试验过程中的接点状态进行监测，无法判断在试验过程中是否出现接点失效2。为此，本文提出一种基于单片机的继电器寿命试验新技术，能够在试验过程中监测继电器接点的工作状态，识别出接点接触不良、接点熔焊、接点桥接等故障，与既有方法相结合，可以更全面地评估继电器的使用寿命，为继电器的研发、生产制造及全生命周期管理提供必要的技术依据。1系统设计以单片机为核心，利用其高速稳定的运算、控制和采集的性能特点，设计可以进行继电器寿命试验，并在试验过程中实现继电器接点工作状态监测的新型寿命试验系统。1.1机械寿命试验设计继电器的机械寿命通常是指在不带负载的条件下，基于机械结构完整的继电器所能够完成的操作次数3。试验时先将接点接入接点状态采集电路，有效地检测继电器每一次的动作状态，满足测试继电器失效次数、状态等需求；在评估继电器机械磨损对接点可靠性造成影响的同时，通过在接点状态采集电路中串入微小负载电阻，可以模拟继电器接点在10 mA以下微小负载应用场景的可靠性。1.2电气寿命试验设计继电器的电气寿命是能够正常开闭规定接点负载的次数4。将所有的接点分别接入单独的接点负载回路中，通过霍尔传感器和单片机的A/D转换，可以实现电流监测。通过对比监测的电流值与标准值，反映电气寿命试验过程中接点的状态。系统可以自动计算实际监测电流值与标准值的偏差，并根据预设参数，判断并形成状态码发送给上位机。2技术实现2.1硬件选型采用基于 nanoWatt XLP 技术、带 ECAN 的40引脚增强型闪存PIC18F45K80单片机，工作电压为1.85.5 V，工作频率最高可达64 MHz，具有35个独立可编程的复用通用输入/输出引脚、最大64 KB的片上闪存程序存储器，及1024字节的数据EEPROM。有最多3种可选的工作模式，5个CCP/ECCP 模块，5 个 8/16 位定时器/计数器模块，最多4个外部中断，2个增强型可寻址USART模块，选用PIC18F45K80作为系统的 CPU，可以工作于-40 125 的温度范围内5-6。该单片机的主要优点为：指令单字节化，精简指令集技术，寻址方式简单，代码压缩率高，运行速度高，功耗低，驱动能力强，外接电路简单，支持 C语言编程，开发方便，完全满足测试台设计需求。2.2系统架构整个系统主要由上位机（人机界面）、下位机（单片机）、RS-232通信电路、接点状态采集电路、逻辑切换驱动电路、负载电流采集电路，以及继电器接口电路等硬件构成。系统架构见图1。1）上位机（人机界面）：计算机和显示器构成的人机界面显示操作单元，与下位机通过 RS-232通信电路进行数据的交互与传输，负责提供操控界面并显示测试数据。2）下位机：主要由PIC18F45K80单片机及其外围电路构成，按程序指令采集I/O口和A/D口图1 系统架构87铁道通信信号 2023年第59卷第2期的数字量和模拟量数据信息。接收上位机指令，通过驱动电路驱动待测继电器，实现继电器寿命试验的基础动作功能；通过输入口继电器寿命试验过程中接点的电压变化，实现接点状态的监控；通过采集的接点状态进行数据格式化转换，将二进制格式转换成十六进制，并通过通信协议传送给上位机7。3）RS-232通信电路：将单片机的TTL电平转换为RS-232电平，使单片机和计算机之间实现全双工通信。4）接点状态采集电路：将待测继电器的接点连接到单片机的I/O口，监测输入状态；通过I/O口电平的变化，达到监测接点状态，判断接点通断的目的。5）负载电流采集电路：采集继电器接点负载回路中的电流，通过霍尔传感器把电流转换为05 V模拟信号，输入到单片机的A/D端口，单片机通过 A/D 转换后，分析接点负载回路的通电状态，判断接点是否通断8。6）逻辑切换驱动电路：通过单片机的I/O口和达林顿管组成驱动电路，驱动逻辑切换继电器。根据程序的控制，可将待测继电器的接点接入到机械寿命或者电气寿命的测试回路中，以满足不同的测试需求。2.3软件状态码设计新 型 寿 命 试 验 系 统 主 要 涉 及 4NO-2NC、3NO-3NC和5NO-1NC型号继电器，分别对应的是4常开2常闭、3常开3常闭、5常开1常闭继电器，3种继电器都是由6组接点组成。机械寿命测试时，6组接点分别对应单片机的6个I/O输入口，在试验过程中反复在0和1之间变化，反映接点的通断状态；电气寿命测试时，6组接点分别对应单片机的6个A/D采集口，把电流采集的数据转换成接点的通断状态，同样反复在0和1之间变化，反映接点的通断状态。把线圈通电和接点通断的状态以0和1的形式对应到一个8位二进制数据的每一位，并转换成十六进制数据，通过串口传送给上位机进行解析显示。在设计状态码时考虑到通用性，机械寿命和电气寿命采用同样的设计规则，详见表1。其中Bit0到Bit5对应的是继电器6个接点状态，1为断开，0为闭合；Bit6对应线圈通电状态，即单片机输出线圈通电控制驱动信号的状态，1为通电，0为断电；Bit7为空位置0。根据继电器通/断电时各个接点的正常状态算出对应的十六进制状态码。单片机通过实时采集的接点状态，将计算出的状态码跟正常的状态码进行对比，如果不一致，就生成故障码，通过串口通信发送给上位机进行解析，分析具体的故障点位，并进行实时显示。通过这种方式，可以在试验过程中更直接地显示继电器故障状态9。2.4软件测试流程整个系统程序需对6路I/0输入及6路A/D进行采集，对1路I/O进行输出。其中6路I/0输入对应的是机械寿命测试，6路A/D采集对应的是电气寿命的测试，1路I/O输出是对被测样品进行的动作控制。在控制继电器动作的同时，监测继电器的动作次数、失效次数及失效故障等信息。上位机和下位机通过RS-232实现全双工通信，共同配合完成各种试验数据的人机界面显示。实现上述功能需要一个合理的逻辑安排和控制流程。主要流程包含参数设置、主程序启动、状态码信息采集判断、故障码发送等。整个软件采用模块化设计10，主要包括主程序、机械寿命子程序和电气寿命子程序，见图2。3系统特点1）结 构 简 单。整 个 系 统 流 程 主 要 依 靠PIC18F45K80单片机自身的特性和功能，利用简表1继电器状态码序号123456继电器型号4NO-2NC4NO-2NC3NO-3NC3NO-3NC5NO-1NC5NO-1NC状态码(16H)700F7807502FBit7/空位000000Bit6/线圈101010Bit5/接点1101001Bit4/接点2101010Bit3/接点3011001Bit2/接点4010101Bit1/接点5010101Bit0/接点601010188Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 2023单的外围电路，实