周 律，朱金龍，周昱明，汪 亮

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

電子鎮(zhèn)流器憑借著體積小、質(zhì)量小、無頻閃、光效高和壽命長等優(yōu)勢己經(jīng)在家居、商用以及工業(yè)照明等場合逐步取代傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，成為近些年來市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。大力推廣并普及這種產(chǎn)品是當(dāng)前節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的大形勢下的必然趨勢。隨著電子鎮(zhèn)流器要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快，對測試系統(tǒng)的要求也隨之提高，以此提高電子鎮(zhèn)流器的質(zhì)量和可靠性以及縮短研發(fā)、生產(chǎn)周期[1]。

電子鎮(zhèn)流器的測試項(xiàng)目眾多，且系統(tǒng)要求高可靠性和高柔性。傳統(tǒng)的人工測試需要重復(fù)接線，造成勞動強(qiáng)度大、測試效率和精度都較低[2]。隨著計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，所以依托計(jì)算機(jī)自動檢測電子鎮(zhèn)流器成為照明企業(yè)研制和生產(chǎn)單位的首選。在工控機(jī)為硬件核心的電子自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中引人虛擬儀器技術(shù)，利用其提供的圖形化編程環(huán)境針對不同的測試要求編寫測試虛擬面板，可以快速搭建一套功能豐富人機(jī)界面友好的測試系統(tǒng)。因此，本文提出研制開發(fā)一種基于虛擬儀器技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器自動化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種型號、多系列、多個(gè)測試項(xiàng)目的鎮(zhèn)流器測試要求，同時(shí)測試過程自動完成，自動生成測試報(bào)告，不需要重復(fù)接線，測試精度和效率提高，實(shí)現(xiàn)無人看守，安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自動測試系統(tǒng)的工作概述：將被測電子鎮(zhèn)流器放入溫箱內(nèi)，穩(wěn)定一段時(shí)間后，烘箱按照一定溫度曲線不斷升溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，燈管置于長度可調(diào)的燈架上，按照實(shí)驗(yàn)要求通過繼電器開關(guān)矩陣對被測鎮(zhèn)流器輸入輸出端分別進(jìn)行各種開關(guān)動作，包括輸入端通斷，輸出端通斷，燈頭轉(zhuǎn)換。交流電源輸出端連接在3通道功率分析儀的3個(gè)輸入端，這樣使用功率計(jì)對所有被測樣品掃描，測量輸入電參數(shù)并記錄到測試報(bào)告中[3]。該測試系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、可編程電源、功率分析儀、溫度控制器、NI USB-6501采集卡、通用接口總線(GPIB)連接線、繼電器開關(guān)箱和被測對象組成。

系統(tǒng)的硬件原理層次圖如圖1所示。其中，電源采用美國Pacific ASX單項(xiàng)三相交流源，可編程控制，具有程控儀器(可編程儀器)標(biāo)準(zhǔn)命令集(SCPI)的GPIB(IEEE-488.2)界面，頻率為15～1 200 Hz，電壓為0～354 V。高精度功率分析儀為橫河WT1803，在PC上通過GPIB通信方式，可讀取高精度功率分析儀測得的數(shù)值數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行保存[4]。溫控器采用歐姆龍數(shù)字溫控器E5EZ，通過J型熱電偶輸入溫度，同時(shí)配備通信功能?？赏ㄟ^RS485串口線與電腦通信，進(jìn)行設(shè)定溫度，讀取溫度。NI USB-6501可提供24個(gè)單端數(shù)字通道，即組成3個(gè)DI/O端口的24個(gè)引腳 (P0.＜0..7＞、P1.＜0..7＞和P2.＜0..7＞)，作為驅(qū)動繼電器動作的信號。圖2所示為可USB-6501控制的繼電器驅(qū)動電路圖。其中24和5 V電源的地是分開的，再配合使用光偶U1、U2，可以實(shí)現(xiàn)隔離，防止干擾。PA0、PA1為與USB-6501連接的端口。二極管D1、D2起反向續(xù)流作用，抑制浪涌，一般選用IN4004。在線圈兩端接發(fā)光二極管VD1、VD2，當(dāng)光耦導(dǎo)通，繼電器吸合，同時(shí)發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，表明繼電器線圈已經(jīng)加上電源。

圖1 系統(tǒng)硬件原理層次圖

圖2 繼電器驅(qū)動電路圖

2 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

所謂虛擬儀器就是基于工控機(jī)的測試系統(tǒng)，以虛擬軟件開發(fā)為平臺，利用PC機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示[4]。用戶可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求在計(jì)算機(jī)上制作虛擬操作面板，使得這種系統(tǒng)既具有很大的靈活性和易操作性，又可以節(jié)省大量的費(fèi)用[5-6]。

本系統(tǒng)應(yīng)用Labview軟件實(shí)現(xiàn)了測試的自動控制，數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、顯示及輸出。測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，用戶通過控制界面對系統(tǒng)進(jìn)行操作，測試系統(tǒng)主要完成兩個(gè)功能：一是對儀器的控制，完成邏輯關(guān)系；二是完成對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄及處理。儀器控制包括通過GPIB對程控電源的模式以及電壓、頻率的設(shè)定；對功率儀表的量程設(shè)定，數(shù)據(jù)讀取等；通過RS485對溫控表設(shè)定溫度值，讀取當(dāng)前溫度。數(shù)據(jù)的記錄及處理主要是每隔一段時(shí)間將數(shù)據(jù)保存在Excel中，部分實(shí)驗(yàn)要利用數(shù)據(jù)生成更加直觀的圖表，最終生成正規(guī)的報(bào)告。報(bào)告不僅包括實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，還要有表頭、記錄時(shí)間、實(shí)驗(yàn)是否通過的判斷。同時(shí)，軟件系統(tǒng)設(shè)置了安全保護(hù)，當(dāng)溫箱溫度超過上限或者發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行自動保護(hù)操作，發(fā)出停止運(yùn)行的命令。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

系統(tǒng)軟件的編寫基于Labview的數(shù)據(jù)流編程思想設(shè)計(jì)，采用模塊化編程方法，根據(jù)不同功能組建各種模塊，最后將各個(gè)模塊整合為一套系統(tǒng)?；緺顟B(tài)機(jī)模式能夠滿足主程序結(jié)構(gòu)的需要。該模式能夠很好地使應(yīng)用程序的各個(gè)功能以狀態(tài)的方式有順序地執(zhí)行，并且保證了程序的可讀性(以狀態(tài)圖的方式顯示清晰明了)和擴(kuò)展性(日后只需要擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)即可擴(kuò)展相應(yīng)的功能)。如圖4所示，狀態(tài)機(jī)是由一個(gè)While循環(huán)、一個(gè)條件結(jié)構(gòu)和一個(gè)移位寄存器組成的，其中While循環(huán)用來保證程序可以連續(xù)地運(yùn)行；條件結(jié)構(gòu)的各種分支中的代碼用來描述狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)，以及下一狀態(tài)的選擇；移位寄存器用來將之前狀態(tài)所做出的選擇傳遞到下一次循環(huán)的選擇端子。

圖4 主程序的狀態(tài)機(jī)模式

本測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都只需要測試輸入端參數(shù)，鎮(zhèn)流器輸入端可以通過程控電源來快速通斷，而輸出端的通斷需要USB-6501控制繼電器來實(shí)現(xiàn)。繼電器控制程序的編寫如圖5所示。

圖5 USB-6501控制繼電器程序框圖

系統(tǒng)包含的實(shí)驗(yàn)較多，但大致的流程是一致的?，F(xiàn)在以快速開關(guān)實(shí)驗(yàn)為例介紹其流程。在每一個(gè)測試之前都上電穩(wěn)定一段時(shí)間，然后測試鎮(zhèn)流器的電壓、電流、功率等參數(shù)，將這些數(shù)據(jù)與開始設(shè)定的參數(shù)比較，如果測量值超過一定范圍判定實(shí)驗(yàn)樣品失效。如果測量值在允許的范圍內(nèi)，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，主要是控制電源使得鎮(zhèn)流器一段時(shí)間得到電壓，一段時(shí)間斷開電源，同時(shí)這個(gè)時(shí)間是不斷增加的，直到到達(dá)設(shè)定的數(shù)值為止，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，再次測量，與參考值比較，用來判定實(shí)驗(yàn)是否通過，同時(shí)將判斷結(jié)果寫入報(bào)告，繼續(xù)下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 快速開關(guān)實(shí)驗(yàn)流程圖

程控電源和功率儀表的驅(qū)動程序官方已經(jīng)提供，功能齊全，也可以自己編寫常用功能，更方便在應(yīng)用程序中使用。所謂的驅(qū)動程序，實(shí)際上就是一組VI，每個(gè)VI包含了硬件設(shè)備最常用的功能。一個(gè)驅(qū)動程序的VI也是由一個(gè)或者多個(gè)VISA函數(shù)構(gòu)成。圖7是功率儀表一個(gè)VI程序框圖[7]。例如，Reading?告訴需要從功率儀表中讀取的測量值，通過VISA寫入命令，然后VISA讀取字節(jié)數(shù)，返回測量值。

圖7 功率儀表VI程序框圖

3 設(shè)備測試實(shí)驗(yàn)

虛擬儀器技術(shù)的理念就是利用軟件代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬件，降低儀器開發(fā)成本，提高儀器性能[8]。圖8所示為系統(tǒng)軟件界面，本測試系統(tǒng)的人機(jī)界面友好，操作者可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并且實(shí)時(shí)觀察到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)操作按鈕與實(shí)際按鈕相似，溫度的顯示也很直觀。此外，該系統(tǒng)包括多個(gè)測試實(shí)驗(yàn)，每個(gè)測試要有獨(dú)自的Excel類型測試報(bào)告，實(shí)驗(yàn)是否合格都有判斷并記錄。同時(shí)虛擬面板上也顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)如實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)是否有異常，若有異常，則在此實(shí)驗(yàn)的界面顯示報(bào)警燈亮，繼續(xù)另一個(gè)實(shí)驗(yàn)[9]。

圖8 系統(tǒng)軟件界面圖

多個(gè)型號鎮(zhèn)流器在使用本測試系統(tǒng)后，與人工測試結(jié)果對比，測試的結(jié)果準(zhǔn)確無誤，效率更高，節(jié)省大量人力，同時(shí)避免了重復(fù)接線帶來的誤差。

4 結(jié)論

由于采用了虛擬儀器開發(fā)技術(shù)，本系統(tǒng)的開發(fā)周期短，自動化程度高，檢測準(zhǔn)確，穩(wěn)定，具有實(shí)用性和先進(jìn)性。抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)現(xiàn)場測試使用。

通過測試比較和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)的性能滿足實(shí)驗(yàn)需要。與人工測試相比，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，測試可重復(fù)性，穩(wěn)定性，方便性都有很大的優(yōu)勢，還可以進(jìn)一步擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)?zāi)K，發(fā)揮更大的功能[10]。

基于虛擬儀器技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器綜合實(shí)驗(yàn)自動化測試系統(tǒng)可以充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件資源，發(fā)揮出更高的開發(fā)效率。用該測控系統(tǒng)對電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行了多項(xiàng)性能測試，證明了使用該系統(tǒng)測定的參數(shù)準(zhǔn)確，降低了測試工人的勞動強(qiáng)度，提高了測試精度和效率，能夠完成對不同型號的電子鎮(zhèn)流器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測試。該測試系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于新產(chǎn)品研發(fā)測試以及實(shí)際生產(chǎn)檢測中，對于照明行業(yè)的發(fā)展都起著積極的推動作用。

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