高精度开关控制器的制造方法

高精度开关控制器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及工程自动控制领域，具体而言，涉及高精度开关控制器。该高精度开关控制器，包括：CPLD和继电器，继电器包括线圈、触点、电阻和电容；CPLD，根据预先获取的通断时间信息，控制线圈通电或断电；触点，用于根据线圈的通电或断电，控制设备电源的通断；电阻、电容和线圈串联形成第二回路，使电容吸收线圈所释放的浪涌。本发明提供的该高精度开关控制器，通过在继电器线圈的两端并联了由电容组成的浪涌吸收回路，进而使电容能够吸收浪涌，加快了继电器的动作稳定时间，从而较为快速的控制继电器线圈的通电和断电。
【专利说明】高精度开关控制器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程自动控制领域，具体而言，涉及高精度开关控制器。

【背景技术】
[0002] 工程系统（包括飞机、导弹、卫星、汽车等）在设计定型之前必须经过大量的测试， 期中包括对每个设备进行单独的掉电试验等健壮性测试（即用于测试系统在出现故障时， 是否能够自动恢复或者忽略故障继续运行。为了使系统具有良好的健壮性，要求设计人员 在做系统设计时必须周密细致，尤其要注意妥善地进行系统异常的处理；如，将系统/装置 的开关闭合后，断开一定时间后再闭合，掉电试验专门用于一些高可靠性的电气设备的测 试中，用于检测短时间掉电后对设备正常运行的影响，也就是控制设备电源的通断情况，例 如200ms掉电）。其中，掉电试验是指针对被测设备进行快速的通断电行为，如在5ms之内 进行一次通断电行为。
[0003] 目前，所有的掉电试验以及远程通断控制可以通过手工或者自动的方式进行。其 中，手动方式（即用户手动操作开关），由于关闭和开启动作是由人工来完成的，因此存在 通断时间不固定，无法精准测试等缺点。自动方式，则通过控制继电器进行通断，常规继电 器尽管可以完成电路自动控制通断行为，但由于继电器本身受到其物理结构的限制，一般 来说，是普通简单的继电器电路无法达到ms级乃至us级操作精度，即无法完成高精度的通 断行为，也无法完成ms级别的掉电试验。
[0004] 综上，现有的掉电实验中所使用的控制器无法精确的控制掉电的时间。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于提供高精度开关控制器，以解决上述的问题。
[0006] 在本发明的实施例中提供了高精度开关控制器，包括：CPLD和继电器，继电器包 括线圈、触点、电阻和电容；
[0007] CPLD，与线圈电连接形成第一回路，以根据预先获取的通断时间信息，控制线圈通 电或断电；
[0008] 触点，用于根据线圈的通电或断电，控制设备电源的通断；
[0009] 电阻、电容和线圈串联形成第二回路，使电容吸收线圈所释放的浪涌。
[0010] 优选的，还包括：控制器，控制器包括时间解析模块；
[0011] 时间解析模块，用于解析预先获取的控制指令，生成通断时间信息，通断时间信息 包括触点的开/关时间。
[0012] 优选的，继电器还包括：光耦开关；
[0013] 光耦开关与触点电连接，且用于根据触点的通断控制设备电源的通断。
[0014] 优选的，继电器为多个，每个继电器用于控制一个设备电源的通断。
[0015] 优选的，CPLD还包括：地址模块和显示模块；
[0016] 地址模块，用于设置每个继电器，或光耦开关的地址；
[0017] 显示模块，用于显示每个继电器，或光耦开关的地址。
[0018] 优选的，还包括：多个接口模块，且每个接口模块均与一个控制器相对应；
[0019] 接口模块，用于按照RS485总线协议接收控制指令，且将控制指令发送给与接口 模块相对应的控制器。
[0020] 优选的，CPLD包括保持寄存器。
[0021] 优选的，电阻的阻值为10-100欧姆，电容的电容值为0. 1-0. 47uF，继电器的最大 工作电流为10A。
[0022] 优选的，控制器还包括地址解析模块，地址解析模块用于解析预先获取的控制指 令，以获取待动作继电器的地址，待动作继电器用于根据通断时间信息控制设备电源的通 断。
[0023] 优选的，还包括封装外壳，封装外壳包括多组模块化设备电源接口，每组设备电源 接口通过一个继电器与设备电源电连接。
[0024] 本发明实施例提供的高精度开关控制器，与现有技术中的单纯通过继电器完成通 断，但由于继电器自身的物理特性，线圈会产生脉冲浪涌，进而使开关动作的稳定时间过 长，其通过在继电器线圈的两端并联了由电容组成的浪涌吸收回路，进而使电容能够吸收 浪涌，加快了继电器的动作稳定时间，并且通过限流电阻来保护电阻和电容的回路，使电容 和线圈不会受到浪涌的损坏，还通过CPLD实现了根据通断时间信息快速的控制线圈通电 和断电，使CPLD能够根据上位机的控制指令，较为快速的控制继电器线圈的通电和断电。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图1示出了本发明实施例的高精度开关控制器的基本模块图；
[0026] 图2示出了本发明实施例的高精度开关控制器的优化模块图；
[0027] 图3示出了本发明实施例的高精度开关控制器的使用示意图。

【具体实施方式】
[0028] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0029] 本发明实施例1提供了高精度开关控制器100,如图1所示，包括：CPLD101和继电 器107,继电器107包括线圈102、触点、电阻103和电容104 ;CPLD101，与线圈102电连接 形成第一回路，以根据预先获取的通断时间信息，控制线圈102通电或断电；触点，用于根 据线圈102的通电或断电，控制设备电源的通断；电阻103、电容104和线圈102串联形成 第二回路，使电容104吸收线圈102所释放的浪涌。
[0030] 一方面，PLD进行编程处理，使CPLD101能够对上位机所下达的指令（通断时间信 息）进行解析和读取，并且根据通断时间信息所携带的时间控制继电器107的线圈102,以 使继电器107的线圈102通电或者断电。进而都能够继电器107的线圈102通电，或者断电 的时候，来控制继电器107的触点进行动作，以控制设备电源的通断。设备电源通电时，会 使设备上电，继电器107线圈102断电时便会使设备断电（掉电）。由于CPLD101能够对上 位机的指令进行快速的解析和按照指令中所携带的时间信息来控制继电器107的通断。其 中，CPLD101的输出端发出的可以是控制信号，该控制信号不足以触发继电器107线圈102 带电，还可以通过加设放大器等器件，来使CPLD101的所下达的控制指令能够有效的使继 电器107的线圈102带电，以使触点进行动作。为了保证模块性能，可以采用高性能STM32 微控制器106结合CPLD101的方式来实现所需功能，其中STM32微控制器106完成控制命 令的解码（选用STM32处理器是由于该类芯片的低功耗、低成本以及高性能。
[0031] 另一方面，相关技术中，由于常规继电器107的吸合和关断过程都存在抖动现象， 该稳定时间一般在7ms左右。也就是说抖动现象将直接导致通断控制无法实现既定精度， 控制误差较大，无法满足高精度掉电测试。继电器107在通断电时，线圈102释放瞬间会产 生一个浪涌脉冲，这个浪涌电压对某些敏感电子装置会有干扰，造成电子装置误动作或故 障，也就是会使触点发生误动作，导致上位机做下达的指令没有准确、准时的完成（如触点 开关虚接，触点开关反复动作等），很大程度上，这会导致设备进行非常规，或者非预想的通 断电行为，也就是对测量设备鲁棒性实验（如掉电实验）带来不利的影响，使得出的设备测 量结果并不能有效的反应设备本身的特性。有鉴于此，为了克服浪涌脉冲所带来的负面影 响，可以通过在继电器107的线圈102两端并联上电容104,通过电容104的充电行为来吸 收掉，也就能够防止脉冲浪涌对设备产生影响，从而使高进度开关控制器下达的动作指令， 能够在规定的时间内完成。考虑到只通过电容104来吸收脉冲浪涌，当上电，或者电流波动 较大时，可能会损坏电容104,那么通过构建电容104保护电路便能够有效的阻止电容104 被击穿，或者损坏。如可以通过限流电阻103和电容104串联的方式起到保护作用，又如， 可以通过多个电阻103分别串联的方式来进一步降低电流量，以起到保护电容104的作用。
[0032] 上述内容能够表明，本申请所提供的高精度开关控制器100,通过CPLD101对上位 机所下达的指令进行解析和按照指令中所携带的时间信息对下位机（继电器107的线圈 102)进行通断电的控制，以使上位机的指令能够按时的执行（CPLD101对上位机的指令的 快速解析和通过与上位机进行时间同步，使CPLD101能够准确的按照上位机的时间，或者 网络时间准时的下达控制指令），并且通过带有电容104吸收回路的继电器107来防止继 电器107由于脉冲浪涌的原因而导致的误动作。从而能够更加精确按照上位机的指令进行 控制指令的下达和精准的完成开关动作，由此可以得出，本发明所提供的高精度开关控制 器100能够从这两方面解决相关技术中开关动作精度不够的问题（一是根据控制指令的影 响，二是指令下达后能否准时完成，即开关动作快慢）。
[0033] 考虑到兼容性问题，对继电器107线圈102的控制优选采用CPLD101。由于控制继 电器107的开关闭合指令需要有控制方下达，但是控制方需要和继电器107开关能够配合 密切，否则控制方选择不当则无法完成控制命令向继电器107的下发。选择CPLD101完成 控制方的功能的理由如下：
[0034] 1，因为CPLD可以和继电器模块配合良好，不存在指令下发到继电器的任何障碍；
[0035] 2, CPLD可以接受远程控制命令，并可以立即解释并执行，确保控制命令的及时 性；
[0036] 3，CPLD内部编程逻辑易于开发、实现灵活，可以随时针对不同需求，添加或修改相 应的逻辑功能。
[0037] 被测设备，也就是进行掉电实验的设备通常是通过高电压和高电流的，手动控制 设备的通断可能会遇到安全性问题，也就是可能会导致触电的现象。通过使用继电器，以较 小的电流控制大电流的设备，便能够解决该问题。并且，该种工作环境下，通过CPLD下达控 制指令，更有必要使用电容来吸收掉脉冲浪涌。如果不使用CPLD，则无法准确控制继电器实 现瞬间从闭合到断开再到闭合的过程，采用传统其他方式尽管可以完成该系列动作，但是 间隔时间无法控制，也就无法完成掉电实验。此外，瞬间的继电器开关闭合断开动作，势必 在大电流设备中产生电弧，因此还需要使用电容吸收电路，确保设备不被损坏的同时，还可 以完成掉电实验。
[0038] 进一步，高精度开关控制器100,还包括：控制器，控制器包括时间解析模块；
[0039] 时间解析模块，用于解析预先获取的控制指令，生成通断时间信息，通断时间信息 包括触点的开/关时间。
[0040] 使用的时候，上位机所下达的指令中，通常携带有时间信息，用以说明继电器107 在什么时间执行动作，继电器（继电器触点）动作可以是开，也可以是关。
[0041] 进一步，继电器107还包括：光耦开关108 ;
[0042] 光耦开关108与触点电连接，且用于根据触点的通断控制设备电源的通断。
[0043] 光耦开关108受继电器107触点的控制，根据继电器107的动作做出相应的动作。 并且光耦开关108具有隔离的作用，以保护本发明所提供的高精度开关控制器100的内部 元器件，不会因受到受控设备高电流高电压的影响，而损坏。
[0044] 为了便于控制多个设备，继电器107为多个，每个继电器107用于控制一个设备电 源的通断。
[0045] 需要说明的是，当继电器107为多个的时候，通过CPLD101能够下达针对每一个继 电器107的控制指令。如果继电器107没有设置地址，那么CPLD101所下达的指令是针对 全部继电器107的，也就是CPLD101向每一个继电器107所下达的指令均是相同的，继电器 107所执行的动作，控制设备的通断电的行为和时间也都是相同的。考虑到此，可以在每个 继电器107上均设置有地址，那么在CPLD101进行指令下达的时候，可以根据上位机的需 求，选择指定的一个继电器107进行同端行为，以控制多个受控设备中的指定的一个，或者 几个进行通断电的行为，进而完成掉电实验（雄壮性实验）。当然，可以在每个继电器107 上配置有地址判断单元，当CPLD101根据上位机所下达的指令，按时来控制继电器107的通 断时，地址判断单元能够判断CPLD101所下达的指令中的地址是否为本地继电器107的地 址，如果是本地继电器107的地址，那么在控制与该地址判断单元相对应的继电器107进行 通断动作，以控制设备进行通断行为。
[0046] 进一步，CPLD101还包括：地址模块和显示模块；
[0047] 地址模块，用于设置每个继电器107,或光耦开关108的地址；
[0048] 显示模块，用于显示每个继电器107,或光耦开关108的地址。
[0049] 地址模块能够给每个继电器107的地址，也可以说是向地址判断单元下达继电器 107的标准地址，用以在CPLD101下达控制指令的时候，来判断该指令是否是本地继电器 107 (该地址判断单元所对应的继电器107)应执行的动作。地址模块可以通过接受上位机 所下达的指令来向指定的继电器107赋予具体地址，也可以是人工通过拨码开关来将继电 器107来下达地址信息。同样，由于光耦开关108是受到继电器107的触点所控制的，因此 对光耦开关108下达地址同样能够起到控制指定设备通断的作用。但如果对光耦开关108 下达地址，则每个继电器107的触点均会进行动作，再通过光耦开关108来的判断该动作是 否是由本地所执行的，这样每次CPLD101下达动作指令的时候会触发每个继电器107进行 工作，能耗方面，相较于对继电器107设置地址判断单元相比，要高一些。
[0050] 相对应的，显示模块能够显示每个继电器107,或者光耦开关108的地址，为了避 免由于拨码机械故障而引起的模块地址配置错误现象，使使用者能够清楚的了解到每个继 电器107的地址信息，以便向指定的继电器107下达控制指令。还可以在此基础上，加设受 控设备的代码，或者受控设备的标识信息，以使使用者更加清楚每个继电器107,或光耦开 关108是控制的哪个设备。具体的，显示模块可以是LED指示灯。
[0051] 为了便于高精度开关控制器100应用，可以采用较为普遍的总线协议来传送控制 指令，也就是高精度开关控制器100还包括：多个接口模块105,且每个接口模块105均与 一个控制器相对应；
[0052] 接口模块105,用于按照RS485总线协议接收控制指令，且将控制指令发送给与接 口模块105相对应的控制器。
[0053] 通过RS485总线协议来传送控制指令，如采用modbus协议作为整个系统的通信协 议。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具 有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。使用接口模块 105,能够使上位机下达的控制指令，无损的传达给控制器。并且上位机可以通过RS485总 线向CPLD101下达控制时间精度的信息，以提高对继电器107的控制精度。
[0054] 接口模块105用于建立全局的通讯服务连接，地址通过用户主控计算机，直接配 置在微控制器106(STM32)中，等待远程主控计算机发送的通信指令（控制指令）；并按照 RS485通讯总线协议接收主控计算机发来的控制命令，和将接收到的控制信号无损传输给 主控模块；
[0055] 进一步，控制器中，除了包括由时间解析模块，还包括地址解析模块，地址解析模 块用于解析预先获取的控制指令，以获取待动作继电器107的地址，待动作继电器107用于 根据通断时间信息控制设备电源的通断。
[0056] 当继电器107的数量为多个的时候，在不设置继电器地址的情况下，是无法有效 的对每个继电器107进行单独控制的。由此在设置了继电器地址之后，相应的，还应在下达 的控制指令中携带有待动作继电器107的地址。也就是控制指令中携带有两个信息，一是 时间信息，二是继电器107 (或光耦开关108)的地址信息，以便CPLD101根据控制指令中的 信息来控制指定的继电器107,或者光耦开关108进行动作。
[0057] 为了便于指令的下达，CPLD101包括保持寄存器。
[0058] 保持寄存器内部可以预先设置好控制指令，上位机发送的控制指令中所携带的 信息可以只是调取保持寄存器中的预先储存的动作类型和动作开关，且保持寄存器掉电 之后，其储存的内容不会消失。如在具体的工作环境中通常对设备进行雄壮性实验的数 据是相类似的，如需要某继电器107,或某光耦开关108控制设备在正常工作的时候，掉电 200ms后再上电，或者有规律的执行上电和掉电的动作（上电200ms后，掉电100ms，再上电 200ms，再掉电200ms等等，如此反复多次）以规律性的测试设备的雄壮性。但此时，如果上 位机将其需要执行的代码进行输入，由于输入的控制指令较多，且较为繁琐，很有可能导致 输入的错误。由此可以先通过保持寄存器（也可以是其他同类型的，起到程序存储的器件） 将预先设置好的动作程序（包括继电器107的动作时间和动作的继电器地址）录入保持寄 存器内部，上位机所下达的控制指令只是选择动作的继电器107地址和动作类型（动作类 型也就是选择多个预先设置好的动作程序中的一个），这样减少上位机的输入量，便可以减 少出错的概率，以提1?测试的精准性。
[0059] 经过现场使用和实际测量，得出如下数据：电阻103的阻值为10-100欧姆，电容 104的电容104值为0. 1-0. 47uF，继电器107的最大工作电流为10A。电子元器件均有其正 常的工作参数范围，如果超过该范围，则会导致某元器件无法正常使用，由此，经过实际测 量得出的参数值能够有效的提高电子元器件的工作寿命和操控精准度。
[0060] 考虑到现场的工作环境，本申请所提供的高精度开关控制器100还包括封装外 壳，封装外壳包括多组模块化设备电源接口，每组设备电源接口通过一个继电器107与设 备电源电连接。
[0061] 需要说明的是，在工作现场使用的时候，被测的设备需要即时的许高精度开关控 制器100进行连接，如果还通过复杂的连接手段进行连接，则会大大降低使用效率。设备 电源接口是用于设备将其供电线缆插接在其上的，由于每组设备电源接口通过一个继电器 107与设备电源电连接，也就是能够通过继电器107来控制供电线缆是否通电，也就是控制 了设备的通断电情况。并且，采用模块化的设计能够快速的检测哪个供电线缆没有按照预 设的指令进行动作，也就是检修方便。
[0062] CPLD对解析后的控制指令内容进行输入控制参数分解，即获得控制地址（待动作 继电器地址）、控制内容（通断或者掉电）以及控制参数（通断时间）等字段值，并通过微 处理器芯片的脉冲计时计算相应控制指令的发送时刻，指令执行的时间单位为lus ;
[0063] 考虑到具体的使用环境，可以按照如下的方式进行设置：
[0064] 1，单个继电器路数为8-16路（路数太多将导致控制器成本大幅增加，尺寸增 加）；
[0065] 2,高精度开关控制器能在15°C?35°C下正常工作，超过35°C能正常工作15分钟， 以保证设备能够被正常关断（如果在极热或者极冷情况下，继电器工作将不正常，无法实 现快速准确通断）；
[0066] 3,模块功能：远程RS485总线控制模块内每个继电器的独立通断；
[0067] 4,继电器输入最大电流10A(超过最大电流，将影响继电器的开关通断效果）；
[0068] 5,优先采用modbus协议（可以采用其他私有协议，但是不如Modbus协议通用性 好）。
[0069] 下面列出了两个具体对高精度开关控制器进行控制的算法样例：
[0070] 第一种，单端口循环通断控制算法：主要用于针对某个端口的线路（某个继电器 所在的控制线路）进行通断控制或者掉电试验，而其它端口不受影响。
[0071] 输入参数：端口号，循环次数，通断时间，间隔时间；
[0072] 脉冲计数器1清零；
[0073] 如果脉冲计数器1不等于输入循环次数，则继续下一步，否则结束；
[0074] 如果时间脉冲计数器2等于通断时间，则向指定端口号发送通断命令，并对时间 脉冲计数器3清零后开始计数，否则等待；
[0075] 如果时间脉冲计数器3等于间隔时间，则向指定端口号发送通断命令，否则等待；
[0076] 脉冲计数器1增加1，执行前述的第C)步骤。
[0077] 以上三个脉冲计数器均在CPLD中定义实现，互相之间没有依赖关系，通过算法程 序分别控制读写，脉冲来源是微处理器的脉冲信号，因此间隔是以us为单位，非常精准。
[0078] 第二种，多端口轮询通断控制算法：主要用于针对当前控制器的所有端口（每个 继电器所在的控制线路）进行轮流通断控制或者掉电试验。
[0079] 输入参数：起始端口号，结束端口号，通断时间，间隔时间；
[0080] 脉冲计数器1赋值为起始端口号；
[0081] 如果脉冲计数器1不大于结束端口号（即继电器地址），则继续下一步，否则结 束；
[0082] 如果时间脉冲计数器2等于通断时间，则向指定端口号发送通断命令，并对时间 脉冲计数器3清零后开始计数，否则等待；
[0083] 如果时间脉冲计数器3等于间隔时间，则向指定端口号发送通断命令，否则等待；
[0084] 脉冲计数器1增加1，执行前述的第C)步骤。
[0085] 系统软件部分建议采用工业通用Modbus协议完成本系统，具体协议如下：
[0086] 设备地址：
[0087] 通讯模式：RTU模式
[0088] 寄存器起始地址：50 (0x32)
[0089] 寄存器结束地址：51 (0x33)
[0090] 寄存器类型：保持寄存器
[0091] 寄存器：2个16位寄存器。
[0092] 表 1
[0093]

【权利要求】
1. 高精度开关控制器，其特征在于，包括：CPLD和继电器，所述继电器包括线圈、触点、 电阻和电容； CPLD，与所述线圈电连接形成第一回路，以根据预先获取的通断时间信息，控制所述线 圈通电或断电； 触点，用于根据所述线圈的通电或断电，控制设备电源的通断； 所述电阻、所述电容和所述线圈串联形成第二回路，使所述电容吸收所述线圈所释放 的浪涌。
2. 根据权利要求1所述的高精度开关控制器，其特征在于，还包括：控制器，所述控制 器包括时间解析模块； 时间解析模块，用于解析预先获取的控制指令，生成所述通断时间信息，所述通断时间 信息包括所述触点的开/关时间。
3. 根据权利要求2所述的高精度开关控制器，其特征在于，所述继电器还包括：光耦开 关； 所述光耦开关与所述触点电连接，且用于根据所述触点的通断控制所述设备电源的通 断。
4. 根据权利要求3所述的高精度开关控制器，其特征在于，所述继电器为多个，每个所 述继电器用于控制一个所述设备电源的通断。
5. 根据权利要求4所述的高精度开关控制器，其特征在于，所述CPLD还包括：地址模 块和显示模块； 地址模块，用于设置每个所述继电器，或所述光耦开关的地址； 显示模块，用于显示每个所述继电器，或所述光耦开关的地址。
6. 根据权利要求2所述的高精度开关控制器，其特征在于，还包括：多个接口模块，且 每个所述接口模块均与一个所述控制器相对应； 接口模块，用于按照RS485总线协议接收所述控制指令，且将所述控制指令发送给与 所述接口模块相对应的所述控制器。
7. 根据权利要求1所述的高精度开关控制器，其特征在于，所述CPLD包括保持寄存器。
8. 根据权利要求1所述的高精度开关控制器，其特征在于，所述电阻的阻值为10-100 欧姆，所述电容的电容值为〇. 1-0. 47uF，所述继电器的最大工作电流为10A。
9. 根据权利要求4所述的高精度开关控制器，其特征在于，所述控制器还包括地址解 析模块，所述地址解析模块用于解析预先获取的控制指令，以获取待动作继电器的地址，所 述待动作继电器用于根据所述通断时间信息控制设备电源的通断。
10. 根据权利要求4所述的高精度开关控制器，其特征在于，还包括封装外壳，所述封 装外壳包括多组模块化设备电源接口，每组所述设备电源接口通过一个所述继电器与设备 电源电连接。
【文档编号】G05B19/04GK104155889SQ201410438872
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】王雁来, 吕良博 申请人:北京华力创通科技股份有限公司