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

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1.8～5.5 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。

图1 系统架构

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0～5 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］。

表1 继电器状态码

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。

图2 软件流程

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，利用简单的外围电路，实现了驱动、控制、采集和通信的功能，不需要专用的采集卡就可以完成多点位的数字量和模拟量的采集、转换、判断和数据上传，提供了便捷的解决方案。

2）测试流程清晰。整个测试流程没有采用复杂的逻辑判断，程序步骤模块化便于调试和维护，为后期的程序升级、优化、移植提供了便利的条件。

3）稳定性高。继电器寿命试验通常需要几个月时间连续开机，因此系统稳定性是保证试验效果重要因素。系统采用的PIC18F45K80单片机及经典外围电路都经过长期的实践检验，能够保证整个系统稳定运行。

4 功能验证

采用真实的试验过程及案例，对整个系统的性能进行了验证。以3NO-3NC型继电器试验为例，模拟指定点位的故障，与上位机显示的失效信息进行对比，验证系统的判断结果。

4.1 接点接通故障

接点接通故障多为接触不良导致。首先进行单点故障的模拟，第6组是常开接点，当继电器吸起时，系统所采集接点的正常状态应为闭合，当拔掉第6组接点的连接端子后，系统所采集的接点状态为断开，这时会向上位机发送十六进制状态码“79”，上位机通过解析识别出失效信息是“接点6失效”。除了以上信息外，上位机还会显示每次失效对应的动作次数和第几次失效，以及对应的测试工位。

用同样的方法模拟多点故障。先拔掉第4组、第6组对应的端子，这时系统会向上位机发送十六进制状态码“7D”，上位机通过解析识别出失效信息是“接点4失效”“接点6失效”。继续再把第5组对应的端子拔掉，这时系统会向上位机发送16进制状态码“7F”，上位机通过解析识别出失效信息是“接点4失效”“接点5失效”“接点6失效”。

4.2 接点断开故障

接点断开故障多为接点熔焊导致，一般是因为负载电流超过触头容量。模拟测试时先把第5组接点的连接端子拔掉，然后用导线短接。第5组是常开接点，这样当继电器落下时，系统所采集的接点正常状态应为断开，由于端子被短接，系统采集的接点状态为闭合，这时系统会向上位机发送状态码“05”，上位机通过解析识别出失效信息是“接点5失效”，结合继电器的工作状态为落下，一般可以分析出该点可能存在接点熔焊的问题。

4.3 接点桥接故障

接点桥接故障是指常开接点和常闭接点同时接通，一般是机械特性指标不合格导致。模拟测试时，先把第2组接点的连接端子拔掉，然后用导线短接。第2组是常闭接点，当继电器吸起时系统所采集的接点正常状态应为断开，由于端子被短接，系统采集的接点状态为闭合，它会和常开接点同时处于接通状态，形成桥接，这时系统会向上位机发送状态码“68”，上位机通过解析识别出失效信息是“接点2失效”，结合继电器的工作状态为吸起，一般可以分析出该点可能存在接点桥接故障。

4.4 试验总结

通过上述试验，系统可以准确地判断出继电器在寿命试验过程中所发生的故障，并通过状态码发送给上位机进行解析显示，用最直观的方式在寿命实验过程中了解继电器的故障信息，可以更好地对继电器的设计进行改进和优化，给设计研发过程提供了重要数据依据。

5 结论

基于单片机的新型继电器寿命试验系统，经过试验的方式对其功能进行验证后，在沈阳铁路信号有限责任公司新产品研制过程中进行了应用，并已连续开展超过1亿次继电器动作的机械寿命试验，1 000万次继电器动作的电气寿命试验。结果表明：该系统能够在试验过程中监测继电器接点的工作状态，快速识别并记录接点在试验过程中发生的各种故障，可以进一步提高继电器的使用可靠性，发现产品存在的安全风险，为产品的优化及质量控制提供技术依据。