劉雷強(qiáng)，鄭 賓，趙小龍

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030051）

0 引言

繼電器是高校實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上都廣泛使用的一種電子控制器件，主要被應(yīng)用在自動(dòng)控制、遙控、遙測(cè)、電力系統(tǒng)中，起著控制、檢測(cè)保護(hù)的作用，實(shí)際上就是用受控的小電流去控制或者保護(hù)目標(biāo)電路的電流，可以說是一種“自動(dòng)開關(guān)”。（電磁）繼電器一般由電磁鐵、銜鐵、彈簧片、觸點(diǎn)等組成的，它是利用電磁效應(yīng)，通過電流來控制觸點(diǎn)的開與合，從而實(shí)現(xiàn)控制電路導(dǎo)通或者切斷的功能。

繼電器的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系著自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在電力系統(tǒng)中，如果繼電器出現(xiàn)故障，在沒有更多備份的情況下，很可能會(huì)釀成大禍；而在遠(yuǎn)程控制和遙測(cè)遙控系統(tǒng)中，繼電器的作用同樣重要。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的繼電器來說，主要是使用比較頻繁，型號(hào)類型繁雜，疲勞程度較高，而在工業(yè)應(yīng)用上，主要是工作環(huán)境不一，很有可能工作在惡劣的環(huán)境中。

所以定期對(duì)繼電器進(jìn)行性能測(cè)試是必不可少的。

1 測(cè)試方法

傳統(tǒng)的測(cè)試方法存在諸多不便和弊端。如：傳統(tǒng)方法多采用手動(dòng)測(cè)試、人工讀表等落后方式；分立元件較多，誤差偏大；接線復(fù)雜，測(cè)試效率低。亟待一種新的測(cè)試方法來改善這種局面。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，一種新的測(cè)試技術(shù)理念日趨成熟，被廣泛的應(yīng)用在自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，那就是虛擬儀器技術(shù)。

虛擬儀器（VI）技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是儀器儀表技術(shù)發(fā)展的重要方向。它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算控制能力，通過編寫軟件程序，再結(jié)合數(shù)據(jù)采集板卡對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)試。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：硬件部分和軟件部分。

硬件部分：工控機(jī)、NI高精度數(shù)據(jù)采集卡、Agilent 33210a信號(hào)發(fā)生器、伺服電機(jī)、自耦合變壓器，Agilent電源；軟件部分： Labwindows/CV應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)，VISA。

在硬件當(dāng)中的自耦變壓器用來為測(cè)試?yán)^電器提供連續(xù)可變的電壓，是繼電器的電源，其輸出電壓由伺服電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)；Agilent電源則用來為自耦變壓器提供電能，也就是說自耦變壓器所調(diào)節(jié)的電壓來自于Agilent電源的提供。

圖1 系統(tǒng)組成圖

3 系統(tǒng)工作原理

開始測(cè)試后，系統(tǒng)接通電源，軟件判斷電源電壓值，如異常，斷電檢查；如正常，則繼續(xù)測(cè)試流程。系統(tǒng)上電，然后讀取I/O的狀態(tài)，判斷繼電器所處狀態(tài)，最初的默認(rèn)狀態(tài)為觸點(diǎn)常開。

被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路送入NI高速數(shù)據(jù)采集卡（AD），在軟件面板上實(shí)時(shí)顯示。接下來要發(fā)出控制命令，使信號(hào)發(fā)生器發(fā)出伺服電機(jī)控制指令，電機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下勻速單向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使變壓器上的輸出電壓穩(wěn)定增大，直至觸點(diǎn)吸合。在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送的同時(shí)，啟動(dòng)多線程采集程序。此時(shí)通過I/O讀取觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)，一旦確定觸點(diǎn)吸合，立即停止控制信號(hào)發(fā)送，并完成此時(shí)輸入電壓的采樣，所采電壓信號(hào)經(jīng)處理后顯示在前面板的對(duì)應(yīng)顯示框中，這個(gè)數(shù)值即為繼電器的吸合電壓。

在以上步驟完成之后，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，開始發(fā)送第二次控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)除了方向與第一次的不同，其他的參數(shù)一致。這時(shí)電機(jī)開始向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加在繼電器上的電壓開始穩(wěn)定減小，直至觸點(diǎn)釋放，此時(shí)再次讀取I/O狀態(tài)值，并讀取返回電壓，計(jì)數(shù)器也停止計(jì)數(shù)。最終將返回電壓和計(jì)數(shù)器的值顯示在前面板上。

在啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集子線程的同時(shí)，開啟一個(gè)異步定時(shí)器，為的是測(cè)量吸合（釋放）時(shí)間，當(dāng)?shù)谝淮蜪/O狀態(tài)輸入時(shí)，啟動(dòng)這個(gè)脈沖測(cè)量線程，直到第二次I/O狀態(tài)值的輸入結(jié)束，在這個(gè)過程中計(jì)數(shù)器累計(jì)的數(shù)值即為吸合（釋放）時(shí)間。

4 多線程技術(shù)

所謂多線程技術(shù)是取代中斷技術(shù)進(jìn)行同時(shí)處理多個(gè)事件的一種方法，多個(gè)任務(wù)進(jìn)行分割時(shí)，這些任務(wù)中的一個(gè)或多個(gè)是對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的而且易被其他任務(wù)的運(yùn)行所干涉。例如，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并顯示用戶界面的程序就很適合使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在這種類型的程序中，數(shù)據(jù)采集是時(shí)間要求嚴(yán)格的任務(wù)，它很可能被用戶界面的任務(wù)打斷。那么就可以將數(shù)據(jù)采集這一部分設(shè)為子線程，這樣就保證各個(gè)任務(wù)順利完成，互不影響，這樣運(yùn)行的速度也比中斷運(yùn)行要快一些。

異步定時(shí)器是在輔助進(jìn)程中運(yùn)行代碼的一種高級(jí)機(jī)制，另一種是線程池。我們?cè)谶@個(gè)程序中使用了兩種方法，采集電壓用線程池技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而計(jì)數(shù)時(shí)用到了異步定時(shí)器。

5 測(cè)試系統(tǒng)軟件

圖2為測(cè)試軟件流程圖。

圖2 軟件流程圖

(1) 軟件前面板設(shè)計(jì)實(shí)圖如圖3所示。

前面板示意如圖3所示：Graph控件用來顯示繼電器的性能參數(shù)，這些參數(shù)是基于測(cè)試時(shí)所采集的數(shù)據(jù)而來的；右面的二值開關(guān)用來控制觸點(diǎn)模式選擇和電壓類型選擇，具有一定的應(yīng)用拓展性；面板下方的數(shù)值顯示控件用來即時(shí)顯示采集卡所采集到的電壓值、計(jì)數(shù)器所采集到的數(shù)值以及串口控制數(shù)據(jù)；右下方的控制信號(hào)設(shè)置按鈕用來進(jìn)行控制信號(hào)的即時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)不同的測(cè)試任務(wù)。

圖3 軟件前面板視圖

(2) 關(guān)鍵程序代碼：

1) 數(shù)據(jù)采集：

DAQmxErrChk(DAQmxCreateTask("",&gTaskHand le));

DAQmxErrChk(DAQmxCreateAIVoltageChan(gTaskH andle,chan,"",DAQmx_Val_Cfg_Default,min,max,DAQmx_Val_Volts,NULL));

DAQmxErrChk (DAQmxStartTask(gTaskHandle));

2)電機(jī)控制信號(hào)：

viPrintf(Instrument, "FUNCtion SIN ");

viPrintf(Instrument, "VOLTage 10 ");

viPrintf(Instrument, "FREQuency 0.02 ");

viPrintf(Instrument, "BURSt:NCYCles 2 ");

電機(jī)控制信號(hào)是一個(gè)很低頻率的正弦信號(hào)脈沖信號(hào)，可以保證電機(jī)以緩慢的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然是正弦波，但是不會(huì)存在中途換向動(dòng)作的可能，因?yàn)榻?jīng)過估算，可以確定電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，這樣可以通過設(shè)置較低的信號(hào)頻率來保證在正弦波換向運(yùn)動(dòng)之前繼電器觸點(diǎn)吸合完畢。接著發(fā)送反向控制信號(hào)。

3)吸合時(shí)間測(cè)試：

DAQmxErrChk(DAQmxCreateTask("",&taskHandle));

DAQmxErrChk(DAQmxCreateCITwoEdgeSepChan(ta skHandle,chan,"",min,max,DAQmx_Val_Seconds,firstEdge,s econdEdge,""));

DAQmxErrChk (DAQmxStartTask(taskHandle));

DAQmxErrChk(DAQmxReadCounterScalarF64(taskHandle, 10, &data, 0));

4) I/O操作函數(shù)：

DAQmxErrChk(DAQmxCreateTask("",&taskHandle));

DAQmxErrChk(DAQmxCreateDIChan(taskHandle,

chan,"",DAQmx_Val_ChanForAllLines));

DAQmxErrChk (DAQmxStartTask(taskHandle));

DAQmxErrChk(DAQmxReadDigitalLines(taskHandle,1,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,100,&read,&byte sPerSamp,NULL));

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文選用的測(cè)試對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室常見的固態(tài)繼電器，歐姆龍G6E-134P，它的額定工作電壓為5 V，一般來說，額定工作電壓是吸合電壓的1.3～1.5倍。也就是說，繼電器吸合動(dòng)作電壓要小于額定電壓，一旦吸合，則可以工作在較小電壓下。而釋放電壓為吸合動(dòng)作電壓的10%～50%不等。

額定電壓/V 動(dòng)作電壓/V 返回電壓/V第一組 5.061 3.614 1.266第二組 4.992 3.566 1.248第三組 5.002 3.573 1.251第四組 4.99 3.567 1.249第五組 5.021 3.586 1.256

以下是基于上面測(cè)試數(shù)據(jù)的分析：額定電壓為5 V，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，測(cè)試的相對(duì)誤差為0.26%，準(zhǔn)確度滿足最初設(shè)計(jì)要求。而且最大相對(duì)誤差為1.22%，最小只有0.02%，完全可以滿足一般使用的要求。

7 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，伺服電機(jī)的控制是有效穩(wěn)定的，可以精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度；在數(shù)據(jù)采集方面，由于使用了NI高性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定，即便對(duì)不同測(cè)試產(chǎn)品輸出的不同量級(jí)的信號(hào)也能及時(shí)抓取，不遺漏數(shù)據(jù)點(diǎn)；數(shù)據(jù)曲線顯示清晰，存儲(chǔ)迅速穩(wěn)定，而且方便打印數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，以便后續(xù)分析。

[1]NI.LabWindowsTM/CVI中的多線程技術(shù) [DB/OL],http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/6943#toc3,2011-4-18.

[2]趙會(huì)兵.虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3]宋宇峰.LabWindows/CVI逐步深入與開發(fā)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[5]李明輝,劉連生,曲培樹.基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究[J].電子測(cè)試, 2008(3):15-17.

[6]沈華.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010(10).

[7]王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[8]鄭艷玲.工程測(cè)試技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.