黃鮮鴿，景占榮

(1.西北工業(yè)大學(xué)軟件與微電子學(xué)院，西安 710072;2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710072)

1 引言

繼電器電壽命實(shí)驗(yàn)是獲得繼電器電壽命指標(biāo)的重要途徑。通過(guò)繼電器的電壽命實(shí)驗(yàn)，不但可以獲得電壽命等重要指標(biāo)，還有助于分析繼電器失效的原因，為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。因此，繼電器電壽命實(shí)驗(yàn)方法，標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)裝置的研究一直是國(guó)內(nèi)外電器學(xué)術(shù)界的重要領(lǐng)域［1］。

該檢測(cè)系統(tǒng)介紹基于LabVIEW的繼電器電壽命測(cè)試控制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上研制了以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的采集老練系統(tǒng)，測(cè)試?yán)^電器觸點(diǎn)的工作性能，以滿足和提高工業(yè)上對(duì)繼電器質(zhì)量的要求。

2 繼電器測(cè)控系統(tǒng)功能需求和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)當(dāng)前電壽命試驗(yàn)裝置的發(fā)展趨勢(shì)，提高設(shè)備的通用性，該繼電器壽命檢測(cè)系統(tǒng)可滿足對(duì)不同使用類型的繼電器進(jìn)行電壽命試驗(yàn)，檢測(cè)系統(tǒng)具有以下功能:①系統(tǒng)能應(yīng)用于各種常用繼電器的不同工作方式，設(shè)置相應(yīng)的接通與分?jǐn)嗟呢?fù)載條件;②按照一定的頻率和通斷比對(duì)繼電器進(jìn)行通斷控制，使繼電器在規(guī)定時(shí)間或規(guī)定次數(shù)內(nèi)完成檢測(cè)循環(huán);③對(duì)繼電器在不同老練階段的時(shí)間參數(shù)和觸點(diǎn)電壓實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并保存測(cè)量數(shù)據(jù);④分析采集到的數(shù)據(jù)，判斷繼電器的失效情況，顯示故障繼電器，報(bào)警或干預(yù)老練進(jìn)程;⑤依據(jù)失效情況將檢測(cè)數(shù)據(jù)和故障信息生成報(bào)表，檢測(cè)結(jié)束后打印輸出;⑥檢測(cè)系統(tǒng)在時(shí)間允許的條件下，應(yīng)能同時(shí)對(duì)100 路繼電器進(jìn)行檢測(cè)，增加了其使用性能。主要技術(shù)參數(shù):

·工作頻率:100KHz

·粘靈敏度:分別為80%、90%、95%的開路電壓，誤差為±2%，分辨率為0.01V

·斷靈敏度:有四檔0.01V～5.00V、0.01V～0.1V，誤差為±10%;0.11V～0.49V 誤差為±5%;0.5V～5V 誤差為±2%;分辨率為0.01V

·定時(shí)循環(huán)時(shí)間精度:±0.5%～30%;分辨率為0.1%

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)主要采取上位機(jī)、下位機(jī)主從式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件框架如圖1 所示。

下位機(jī)主要是對(duì)繼電器測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)硬件采集和緩存預(yù)處理，為了滿足這樣的要求，系統(tǒng)采集板由精密分壓電阻、限幅/分壓器、低通濾波器、100 路同步A/D 及控制、存儲(chǔ)電路、100 路定時(shí)/延時(shí)信號(hào)的雙穩(wěn)及門限和基于FIFO的緩存及FPGA控制電路組成。100 路的繼電器預(yù)處理電壓和時(shí)間信號(hào)經(jīng)精密電阻分壓來(lái)適應(yīng)28V 和50v的繼電器電壓轉(zhuǎn)換，采集的信號(hào)經(jīng)低通濾波器用作濾波、外推抗干擾預(yù)處理，以采樣率250KS/S 經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換之后，存入FIFO 緩存區(qū)，并從不同的通道傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的地板上后，接口轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配，并轉(zhuǎn)接PCI_RIO 接口轉(zhuǎn)接板和標(biāo)準(zhǔn)地板之間的信號(hào)通信。為了保護(hù)AD 芯片，在低通濾波器和AD 芯片之間接入限幅/分壓器。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

上位機(jī)包括臺(tái)灣研華610 型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和NI PCI_RIO 接口板。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的輸入和輸出接口，并通過(guò)主機(jī)軟件與用戶交流，控制整個(gè)檢測(cè)試驗(yàn)的運(yùn)行。在上位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，配置PCI_7811R的160 路數(shù)字IO 口實(shí)現(xiàn)PCI－局域總線之間的傳輸控制和采集控制，其內(nèi)部PCI 接口配置的DMA 數(shù)字讀寫模式，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的高速雙向數(shù)據(jù)傳輸。

4 軟件設(shè)計(jì)

該繼電器電壽命檢測(cè)系統(tǒng)的軟件包括主機(jī)程序和FPGA 程序。

主機(jī)程序是繼電器電壽命檢測(cè)系統(tǒng)的核心［2］，它控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，并與用戶進(jìn)行信息交互。通過(guò)軟件接口，用戶可向程序輸入測(cè)試參數(shù)，而主機(jī)程序向用戶返回檢測(cè)結(jié)果，故障警報(bào)等。主機(jī)軟件完成的任務(wù)主要有:①參數(shù)設(shè)置;②時(shí)序生成;③老練過(guò)程;④自檢/自校正;⑤實(shí)驗(yàn)報(bào)表查閱與打印。

FPGA 程序在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)響應(yīng)上位機(jī)的狀態(tài)控制信號(hào)完成對(duì)自身程序入口的接入。主要完成的任務(wù)有:①相關(guān)信號(hào)和數(shù)據(jù)的初始化;②通道選擇;③用于自檢的一次檢測(cè)窗寬度的數(shù)據(jù)采集;④觸點(diǎn)電壓量和測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù)采集;⑤驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成等。

4.1 FPGA 數(shù)據(jù)采集的軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集［3－4］(Data Acquisition)是所有測(cè)試測(cè)量的首要工作，試驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)生的物理信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或者電流一類的電信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將電信號(hào)采集傳入PC 機(jī)，借助軟件控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理。LabVIEW 以其簡(jiǎn)便的程序編寫、不同數(shù)據(jù)采集卡的支持、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、友好的人機(jī)界面使其成為控制、開發(fā)數(shù)據(jù)采集卡的最佳軟件。

數(shù)據(jù)采集DAQ 模塊以讀寫控制框直接讀寫FPGA vi 變量，實(shí)現(xiàn)主機(jī)的FPGA 控制。采用8 通道同步采集AD 芯片，采樣率250ks/s，采集抽樣間隔為10us，系統(tǒng)要求每0.1ms 采16 點(diǎn)或者0.5ms 采64 點(diǎn)，8 路信號(hào)共采集128 或者512 點(diǎn)，F(xiàn)IFO 容量為16K，緩存每周期的采集數(shù)據(jù)0.8k/4k。每周期結(jié)束，預(yù)留死驅(qū)時(shí)間小于10ms，用于傳輸數(shù)據(jù)，并選擇下一次采集通道和故障模式。數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，共4個(gè)幀框架，每個(gè)幀框架采用元素I/O 節(jié)點(diǎn).vi，在I/O 節(jié)點(diǎn).vi當(dāng)中添加各輸入輸出信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)讀取和寫入操作，控制采集流程控制。

在檢測(cè)系統(tǒng)中，DAQ 連續(xù)采集數(shù)據(jù)并保存，間隔8個(gè)時(shí)鐘，才會(huì)將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)處理。要滿足數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)之前，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)被新的數(shù)據(jù)覆蓋的要求，可以采用FIFO 緩沖區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。FIFO 緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，在指定的采樣頻率下，連續(xù)采樣點(diǎn)數(shù)是固定的，F(xiàn)IFO 緩沖區(qū)能保證A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，依次填充到FIFO 緩沖區(qū)的各個(gè)單元格，不會(huì)造成采集周期內(nèi)數(shù)據(jù)的覆蓋。但是在DAQ 采集任務(wù)開始時(shí)，必須將FIFO 緩沖區(qū)復(fù)位，清零。

數(shù)據(jù)采集LabVIEW 設(shè)計(jì)分為兩部分:采集驅(qū)動(dòng)信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)。

(1)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)程序如圖2。在產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)or 循環(huán)次數(shù)依據(jù)采集點(diǎn)64/16 而定。啟動(dòng)AD_START 信號(hào)，將13 塊采集板AD_END1…AD_END13 信號(hào)，即AD 轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)接入FIFO Write.vi的DAQ_DMA_FIFO 屬性，作為FIFO 緩沖區(qū)的輸入信號(hào)。并依據(jù)I/O 節(jié)點(diǎn)中添加的AD_CS 片選信號(hào)，F(xiàn)IFO_WEN 讀使能，F(xiàn)IFO_WCLK 寫時(shí)鐘，F(xiàn)IFO_RCLK 讀時(shí)鐘，AD_RD 讀信號(hào)的邏輯真假邏輯順序產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。繼續(xù)片選，啟動(dòng)FIFO 寫使能。

圖2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)程序框圖

(2)嵌套兩個(gè)for 循環(huán)內(nèi)和順序結(jié)構(gòu)，依據(jù)片選信號(hào)AD_CS 選擇狀態(tài)跳變的繼電器，AD_CS/FIFO_WEN，保持0.5us的低電平，在FIFO_RCLK 高電平，F(xiàn)IFO_WCLK 低電平時(shí)，讀取AD 輸入信號(hào);FIF0_WCLK 高電平，F(xiàn)IFO_RCLK 低電平，F(xiàn)IFO REN/OEN1…FIFO REN/OEN13，即FIFO 讀使能/輸出使能，保持0.5us 高電平，元素I/O 節(jié)點(diǎn)中D0…D13連接至DAQ_DMA_FIFO 屬性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出至FIFO 緩沖區(qū)。為了滿足將FIFO 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸至7811R 采集卡的設(shè)計(jì)要求，將FIFO REN/OEN1…FIFO REN/OEN13 在每老練周期結(jié)束后拉低5個(gè)0.1/0.5us 低電平的檢測(cè)窗口，在每個(gè)FIFO_RCLK的上升沿，將FIFO 中的數(shù)據(jù)D1…D13 傳輸至7811R 板卡上。

4.2 主機(jī)老練的軟件設(shè)計(jì)

老練過(guò)程如圖3 所示。老練過(guò)程是主機(jī)軟件的核心，通過(guò)對(duì)傳輸至主機(jī)的數(shù)據(jù)分析和處理，檢測(cè)繼電器的觸點(diǎn)電壓和測(cè)量時(shí)間的正常與否。在檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中，繼電器［5］觸點(diǎn)間的電壓高于(低于)閉合(分?jǐn)?時(shí)的電壓門限，認(rèn)為繼電器發(fā)生斷故障(粘故障)。繼電器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有閉合或者斷開，則認(rèn)定繼電器發(fā)生延遲故障。

1)測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù)分析處理。主機(jī)在一個(gè)檢測(cè)周期結(jié)束時(shí)，讀取當(dāng)前的FPGA的時(shí)間，獲取檢測(cè)路號(hào)，在一個(gè)檢測(cè)周期結(jié)束時(shí)，提取該路號(hào)的時(shí)間數(shù)據(jù)，并和計(jì)算定時(shí)循環(huán)精度得到的時(shí)間閾值比較分析，達(dá)到故障限的條件下，系統(tǒng)報(bào)出延時(shí)故障，在結(jié)束按鈕有效或本次循環(huán)次數(shù)到的條件下，刷新報(bào)表并發(fā)出系統(tǒng)警報(bào)。

圖3 老練過(guò)程流圖

測(cè)量時(shí)間算法步驟如下:

(1)檢測(cè)歷史故障。繼電器前一次定時(shí)故障結(jié)果采用邏輯非VI 函數(shù)與開啟繼電器路號(hào)邏輯與，檢測(cè)歷史故障信息，若無(wú)遍歷下一檢測(cè)路號(hào)，否則開啟本次定時(shí)檢測(cè)。

(2)計(jì)算檢測(cè)時(shí)間。當(dāng)前FPGA時(shí)間數(shù)據(jù)t－t0檢測(cè)路號(hào)起始時(shí)間小于0為真，返回值T 隨機(jī)數(shù)，否則T為0。

(3)計(jì)算時(shí)間閾值。(t1 +1)× T1 和(－ t1 +1)×T1。t1為定時(shí)循環(huán)精度。T1為定時(shí)循環(huán)時(shí)間。

(4)比較分析。{T－［(t1 +1)×T1］}≥0 真假返回值與{T－［(－t1 +1)×T1］}≤0 真假返回值采用邏輯或，VI 函數(shù)為真則繼電器延遲故障，否則無(wú)故障。

2)觸點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)分析處理。在檢測(cè)周期時(shí)間之內(nèi)，啟動(dòng)AD 轉(zhuǎn)換，檢測(cè)點(diǎn)為64/16 位，提取傳輸至主機(jī)的檢測(cè)路號(hào)觸點(diǎn)壓降之和，減去最大值和最小值，平均剩余數(shù)據(jù)，平均值和粘故障閾值Vz≤{95%，90%，80%}*u(電源電壓)、斷故障閾值Vd≥(0.01V～5V)比較，滿足其一，達(dá)到故障限，則為粘故障或斷故障，等待結(jié)束按鈕響應(yīng)或者本次循環(huán)結(jié)束，刷新報(bào)表同時(shí)發(fā)出故障警報(bào)。

算法步驟如下:

(1)拆分?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)組。將觸點(diǎn)數(shù)據(jù)采用拆分一維數(shù)組VI 函數(shù)在索引位置64/16 分為兩個(gè)子數(shù)組D1和D2。D1為64/16 位置之前的數(shù)據(jù)數(shù)組，D2為64/16 位置之后64/16個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)數(shù)組。并將D2依據(jù)抽取一維數(shù)組分為8個(gè)奇偶輸出數(shù)組m0…m8。

(2)求電壓平均值。采用for 循環(huán)結(jié)構(gòu)依次將m0…m8 數(shù)組數(shù)據(jù)輸出至數(shù)組子集VI 函數(shù)并求和為D，采用數(shù)組最大值和最小值VI 函數(shù)，提取數(shù)組子集VI 函數(shù)的最大值和最小值并求和D0，D－D0除以64/16 求取電壓的平均值D。

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和老練過(guò)程軟件設(shè)計(jì)，方式靈活，極大地降低了開發(fā)難度，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和算法執(zhí)行效率都比較理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹的這款基于繼電器電壽命測(cè)控系統(tǒng)，用戶通過(guò)設(shè)置工作方式，選擇繼電器路號(hào)，對(duì)繼電器閉合及分?jǐn)鄩航岛蜏y(cè)量時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。依據(jù)失效原理分析故障原因，為提高繼電器質(zhì)量，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。采用虛擬儀器LabVIEW 工具開發(fā)軟件，降低了開發(fā)難度，分級(jí)的模塊結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。

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