时间继电器测试仪的研究

河南城建学院本科毕业设计（论文）概述11概述1.1本课题研究的目的和意义本课题的时间继电器测试仪的研究,用单片机作为系统的主要控制部件,实现对整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制液晶显示器(LCD)的显示输出等。选报这个课题，数字时间继电器是自动控制系统中常用的一种控制电器。由于其具有延时精度高、延时范围广、在延时过程中延时显示直观等诸多优点，是传统时间继电器所不能比拟的，故在当前自动控制领域里已基本取代传统的时间继电器。数显时间继电器是近年发展起来的新一代控制仪器，它采用八位微电脑核心芯片，为通电延时面板式继电器，上下两排数码管显示，并应用了独特的抗干扰技术应用于冶金、电子、机械、纺织等需要时间控制的场合。然而对时间继电器计时准确性的测试仪却没有得到同步发展，因而对时间继电器测试仪的研究就成为一项紧迫的任务。1.1.1时间继电器测试仪国内外现状早期在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。目前最常用的为大规模集成电路型的时间继电器，它是利用阻容原理来实现延时动作。虽然国内外时间控制器起步较晚，但在时间继电器领域也有了长足的发展，尤其是近几年来随着我国电子技术的不断发展和国内专用时间继电器芯片的大量研发及应用。然而在国内外对这些大量应用的数显时间继电器的及时准确性和自动测试仪的研究却没有得到同步发展，目前国内外大多数使用单位仍然在大量采用传统的机械式或者是模拟式时间检测仪器来测量时间电器的计时准确度，这种检测仪体积大‘精度低‘操作复杂对测试人员要求要。这严重的制约了时间继电器的推广应用，因而这就迫切的需要研究一款体积小、重量轻、操作简单的数显时间继电器测试仪。1.1.2时间继电器测试仪发展趋势测试仪的发展，最早是由机械装置来完成测量任务的，后来发展到采用分离电子器件来完成，到现在已开始向着采用专用的CMOS芯片来替代，尤其近几年可编程逻辑控制器以其通用性强、灵活性好、硬件配套齐全、编程方法简单易河南城建学院本科毕业设计（论文）概述2学及可靠性高，被广泛地应用于自动控制测量仪器领域。目前测试仪器仪表正在完成从模拟技术向数字技术的转变;正朝着数字化、微型化、智能化、网络化方、虚拟化等向发展。时间继电器智能测试仪也必将顺应这一趋势，将朝着性价比高、通用性强、体积小、功耗低、抗干扰能力强、良好的数据处理能力、测量范围宽、测量精度高、易于人机对话、能够进行远程控制测量并且测量方法简便以及易于升级等方向发展。随着电子技术与计算机技术的不断发展，以单片机为核心的智能测量控制系统层出不穷。在被测信号中，较多的是模拟信号和数字开关信号，而且还经常遇到以时间/频率为参数的被测信号，例如通信、雷达、卫星、导航及流量、转速、晶体压力传感器以及经过参变量—时间/频率转换后的信号等。对于以时间/频率为参数的被测信号，通常采用的是测频法或测周法。该测试仪系统的设计扬弃了传统的自下而上的数字电路设计方法，采用先进的技术及自上而下的设计，把资源丰富、控制灵活及良好人机对话功能的单片机和具有内部结构重组、现场可编程的芯片完美的结合起来，实现了对被测信号(时间/频率)的测量。由于具有编程方便、速度快、集成度高、价格低、可靠性好，从而使系统研制周期大大缩短，产品的性能价格比得到提高。FPGA芯片(ACEX1K30)采用VHDL语言编程，并在QuartusⅡ设计平台上实现了全部编程设计，单片机采用底层语言编程，可以精确地控制闸门的开启和关闭，从而进一步提高了测量精度。1.2本课题的主要研究内容1研究了时间继电器测量的基本原理及其误差分析；2单片机作为测试仪的主控部件实现了对仪器的管理、控制和显示；3基于QuartusⅡ和VHDL语言在FPGA芯片ACEX1K上采用自上而下的数字电子系统设计方法，实现了对时间继电器测试仪的硬件及软件设计；1.3时间/频率测量方法及其产生的误差分析时间/频率的测量是电子测量领域的最基本的测量之一。在数字化测量系统中对时间的测量通常都是转化为对频率的测量。由于频率信号抗干扰能力强、易于传输、可以获得较高的测量精度，所以对频率测量方法的研究越来越受到重视。目前许多非频率量的传感信号都要转化为频率信号来进行测量。而常用的时间/频率测量方法通常有以下两类:一类是模拟测量方法，另一类是数字测量方法。1.3.1模拟测量方法及其产生的误差分析时间/频率测量技术按工作原理可以分为直接法和比较法两类:河南城建学院本科毕业设计（论文）概述31直接法直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率值。在某电路中，输入被测频率Fx是电路和设备的已知参数a，b，c，.…，.的确定的函数关系。Fx=Ф(a,b,c…)（式1.1）式中由于a、b、c……是电路的已知参数，可根据a、b、c等的值求得Fx的值。这种测量方法简单，但是精度低。其测量误差主要来源于频率特性式的理论误差，各参数的测量误差以及判断误差。用这种方法测量频率的典型方法有电桥法和谐振法。前者用于低频段，后者主要用于高频段或微波段，随着数字电子技术的发展这种测量方法正逐渐被数字测量方法取代。2比较法比较法通过利用标准频率Fo和被测频率Fx进行比较来测量频率Fx的。其测量原理就是调整参数m、n使下式成立:nFx=mFo(m，n为正整数)(式1.2)则可求得Fx。利用比较法测量的精确度取决于标准频率Fo和判断上述等式成立的精确度。拍频法、示波器法和差频法等测量频率的方法都是属于此方法的测量范畴。前两种方法主要用于低频频率段的测量，差频法通常用于高频频率段的测量。但是随着数字电子技术的发展模拟测量方法正逐渐被数字测量方法取代，数字测量方法被越来越广泛的应用，下面就对其进行介绍。1.3.2数字测量方法及其产生的误差分析电子计数器也是一种利用比较法进行测量的最常见最基本的数字化仪器，是其它数字化测量仪器的基础，因而在时间/频率的测量中被广泛应用。计数器测量方法是其典型的应用。计数器测量方法是根据频率的定义，记下单位时间内周期信号重复的次数。目前该方法被广泛应用的是电子计数器。此方法的测量精度主要取决于基准时间和记数的量化误差，本次设计就是采用的电子计数器法，下面对其进行详细介绍。传统的电子计数器法测频方法通常有以下两种:一种是直接测频法，另一种是测周期法。近年来在传统测频方法的基础上人们又提出了等精度恒误差测频法。1直接测频法所谓直接测频法是根据频率的定义，把被测频率信号经信号调理电路后，加到闸门的输入端，只有在闸门打开时间T(以秒计)内，通过计数器计数被测信号的脉冲个数N，从而通过频率的定义计算出被测信号的频率。直接测频法的原理河南城建学院本科毕业设计（论文）概述4框图如图1-1所示。脉冲调理电路将被测信号①转变成脉冲信号②，其频率与被测信号频率Fx完全相同，将它送入闸门。闸门的开关时间由门控信号④控制。脉冲⑤为在开门时间内通过闸门的被测脉冲信号被送至计数器计数，时基信号发生器产生精确的开门时间，若在开门期间计数器计数值为N，则被测信号的频率为:Fx=N/T（式1.3）图1-1直接测频法原理框图2测周期法测周期法是通过测量被测信号的周期来计算频率的。其测量电路框图如图1-2所示。被测信号经信号调理电路变成方波信号后，加到门控电路形成门控信号Tx，控制闸门开关。在打开闸门期间，周期为To的时基信号通过闸门送到计数器计数。设电子计数器计得的时钟脉冲个数为N，则有:Tx=NToFx=l/Tx=l/NTo=Fo/N（式1.4）信号调理闸门计数器门控电路时基信号发生器⑤②①④③河南城建学院本科毕业设计（论文）概述5图1-2测量周期的原理框图3等精度恒误差测频法1）基本方法:为了保证测试精度，一般对于高频信号采用直接测频法;对于低频信号采用测周期法，这就使得测试很不方便，因此人们近年来提出等精度恒误差测频法(多周期同步测频法)。等精度恒误差测频法是在直接测频法的基础上发展起来的。它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，消除了对被测信号计数所产生“±1误差”，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。等精度恒误差测频法是一种测量精度与被测信号频率无关的测频电路，图1-3给出了该等精度恒误差计数器的测频原理框图。在测量时间内，被测信号Fx，经脉冲调理电路转换成脉冲信号后通过闸门A由计数器A计数，时基脉冲信号Fo通过闸门B由计数器B计数。闸门A和闸门B的开关可由单片机通过控制闸门时间预置电路和同步门控电路来完成的，从而得到完全相同的闸门开门时间。计数器A和计数器B在相同闸门时间T内对被测脉冲信号Fx和时基脉冲信号Fo分别计数Nx和No，且有:Fx=Nx/T，Fo=No/T;消去T有:Fx=NxFo/No（式1.5）FX时基信号K分频器闸门计数器信号调理电路门控电路TO门控信号Tx河南城建学院本科毕业设计（论文）概述6图1-3等精度测频法原理框图1.4时间继电器测试仪设计方案论证依据前面的时间/频率测量原理及其误差分析，我选择了直接测频方法来完成本次设计。对于前面提到的等精度恒误差测频方法由于是近几年才发展起来的所以没有在本设计中采用，但是如果将来要对系统进行改进或升级则需要优先考虑这种方法，这也是本设计下一步需要完善的地方。随着计算机技术、大规模集成电路技术、EDA技术的发展和可编程逻辑器件的广泛应用，传统的自下而上的数字电路设计方法、工具以及分离器件等已远远落后于当今技术的发展。基于EDA技术和硬件描述语言(VHDL)的自上而下的设计方法正在承担起越来越多的数字系统设计任务。本时间继电器智能测试仪的设计就采用了自上向下的设计方法，用单片机作为系统的主要控制部件，实现对整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制液晶显示器的显示输出等。以一块现场可编程逻辑器件FPGA芯片(ACEX1K30)，完成时基分频、时序逻辑控制、计数、输出等功能。基于QuartusII，用VHDL语言编程对FPGA进行设计、编译、调试、仿真和下载，实现了测试仪的模块化设计。这样相对于分离器件来说大大的缩小了体积、减轻了重量，提高了系统的集成度和可靠性。在AT89552单片机控制下，当打开闸门时，被测器件时间继电器的信号和时间基准信号被送入计数器的输入端开始计数，当闸门信号关闭时计数器停止计数，单片机将FPGA内的12位十进制计数器的计数值读入其内存进行处理后，并将计数结果送LCD显示。通过对本地键盘或远地可程控面板操作，可以分别对时间继电器和时基信号计数器的开启、停止计数功能进行控制，也可以对各个计数器进行初始化。该系统除了能脉冲信号闸门A可控计数器A闸门时间预置电路时基脉冲闸门B同步门控电路可控计数器B单片机被测信号FXFoT’T河南城建学院本科毕业设计（论文）概述7够测试我单位的时间继电器的准确性外，还可以用来测试数字信号的频率，对系统稍作改动还可以用于测量脉宽及占空比等。AT89552单片机内含256字节RAM和SK字节快闪存储器，因此全部控制程序可装入单片机。系统将单片机的控制灵活性及FPGA芯片(ACEX1K30)的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期、降低了设计成本，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性好、精度高、易于升级等优点。河南城建学院本科毕业设计（论文）时间继电器测试仪的硬件电路设计82时间继电器测试仪的硬件电路设计2.1时间继电器测试仪的组成及总体框图时间继电器测试仪的组成如图2-1所示，它主要由被测时间继电器组、继电器测试仪主机系统和测试仪显示控制面板三部分组成、其核心部分由时间继电器测试仪主机系统组成，它主要包括CPU(AT89S52单片机)、FPGA(现场可编程逻辑芯片ACEX1K30)、键盘、液晶显示等部分和其它各种接口等;其他部分还包括时间继电器组(可以同时最多测量8个不同规格的时间继电器)以及测试仪虚拟显示控制面板等组成。系统复位后，各部分都处于准备工作状态。在启动信号到来后，被测时间继电器的信号和基准频率信号在单片机的控制信号的控制下进入FPGA中的计