摘 要：本文結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及LabVIEW的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了交流接觸器動(dòng)作可靠性的檢測平臺，介紹并探討了其軟硬件系統(tǒng)的基本原理、設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法以及虛擬儀器開發(fā)的相關(guān)技術(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試表明，所研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能對交流接觸器觸頭實(shí)際動(dòng)作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣及數(shù)據(jù)分析，提出了以觸頭接觸時(shí)的彈跳變化及各觸頭接通時(shí)的時(shí)間差為檢驗(yàn)接觸器動(dòng)作可靠性的技術(shù)指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：交流接觸器;數(shù)據(jù)采集;計(jì)算機(jī)總線;虛擬儀器;動(dòng)態(tài)鏈接庫 1 引言 　　交流接觸器是一種量大、面廣的低壓電器產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，因此提高其質(zhì)量與可靠性至關(guān)重要。 　　接觸器的合閘力及分閘力除彈簧外還有電磁鐵吸力，合閘時(shí)電磁鐵的吸力與合閘相角有關(guān)，是隨機(jī)的;分閘時(shí)電磁鐵吸力與激磁電流相角有關(guān)，也是隨機(jī)的。在觸點(diǎn)接通的瞬間因機(jī)械原因產(chǎn)生一些彈跳，而因彈跳產(chǎn)生瞬間多次分合，導(dǎo)致接觸器實(shí)際工作情況惡劣。對控制電容器的專用接觸器，由于接通時(shí)觸頭運(yùn)動(dòng)速度的隨機(jī)性造成不同相觸頭接觸時(shí)間差的隨機(jī)性，導(dǎo)致無法控制接通電容器的沖擊電流大小，所以對這種接觸器在吸合時(shí)間一致性方面要求更為嚴(yán)格。 　　檢測接觸器觸頭分合過程時(shí)通常采用步進(jìn)電機(jī)來推動(dòng)觸頭動(dòng)作，觸頭的整個(gè)分合過程是靠步進(jìn)電機(jī)的推動(dòng)來完成;觸頭從分到合的位移也是靠對步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖計(jì)數(shù)得到的。這種檢測屬于靜態(tài)檢測，無法真實(shí)反應(yīng)接觸器的整個(gè)吸合過程，更無法檢測觸頭在實(shí)際工作時(shí)的彈跳變化及各個(gè)觸頭的實(shí)際吸和時(shí)間差。為了保證接觸器的工作可靠性，有必要開發(fā)一種記錄接觸器實(shí)際工作時(shí)的觸頭吸合釋放過程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以此來評價(jià)接觸器的性能。 2 系統(tǒng)硬件及工作原理 　　為了實(shí)現(xiàn)對高速瞬變信號的采樣以便于分辨交流接觸器觸點(diǎn)接通時(shí)的彈跳過程及觸頭的接通順序，在原有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于PC機(jī)ISA總線、同步時(shí)鐘、用硬件電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)同步采集、高速尋址以及實(shí)時(shí)存儲的技術(shù)方案。該方案主要由四部分組成：PC機(jī)總線接口電路、高速數(shù)字信號采集存儲電路、I/O接口電路、接觸器供電回路。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　2.1 PC機(jī)總線接口電路 　　本系統(tǒng)采用研華的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用其ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）總線對外部尋址。ISA總線采用8位模式，它的最大數(shù)據(jù)傳輸率為8MBps，便于與外部硬件接口，其性能足夠滿足數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求，而且技術(shù)成熟、便于開發(fā)。ISA總線共分五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、輔助與電源線。前256個(gè)I/O端口地址（0x00H-0xFFH）既可以被固定I/O指令，也可以被可變I/O指令訪問，但處于0x0100H-0xFFFFH的任何I/O地址都只能被可變I/O地址訪問。在PC機(jī)中，所有的16位地址總線被譯為在0x0000H-0x03XXH中的地址用于ISA總線的PC機(jī)內(nèi)部I/O地址。 　　PC機(jī)的ISA總線經(jīng)過了總線收發(fā)及地址譯碼電路，提供給數(shù)據(jù)采集設(shè)備的尋址范圍為0x300H—0x31BH。PC機(jī)總線接口電路如圖2所示，當(dāng)PC機(jī)要訪問某一地址時(shí)，由兩片GAL16V8譯碼讀寫、使能信號，選通總線收發(fā)器74HC245以流通8位數(shù)據(jù)位。 [align=center] 圖2 PC機(jī)總線接口電路[/align] 　　2.2 高速數(shù)字信號采集存儲電路 　　高速數(shù)字信號采集存儲電路的原理如圖3所示，它由數(shù)據(jù)收發(fā)及控制電路、頻率發(fā)生器、地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)讀寫信號譯碼、采樣邏輯切換、地址鎖存、數(shù)據(jù)存儲、存儲采樣數(shù)據(jù)邏輯切換等幾部分組成。主要技術(shù)指標(biāo)有：16通道數(shù)字信號采集、采樣率625KHz、存儲深度64Ksa/CH、最大采樣點(diǎn)數(shù)65536、最大采樣存儲時(shí)間100ms。 　　數(shù)據(jù)收發(fā)及控制電路由總線收發(fā)器、GAL譯碼器和并行接口芯片8255組成，完成SRAM中的數(shù)據(jù)讀取及電路控制功能。 　　頻率發(fā)生器由晶振、可予制四位二進(jìn)制異步清除計(jì)數(shù)器74HC161組成，采樣率由計(jì)數(shù)器74HC16將10MHz振蕩源16倍頻后得到，即系統(tǒng)采樣頻率為625KHz。它的輸出由采樣邏輯切換電路控制，輸出時(shí)鐘分別送往地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)讀寫信號譯碼器。 　　16位地址發(fā)生器由4片74HC161級聯(lián)成16位同步記數(shù)器產(chǎn)生，記數(shù)器每接收一個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)地址。產(chǎn)生的地址送往地址鎖存電路中用于數(shù)據(jù)寫入SRAM中的地址位，還被送往采樣邏輯切換電路中用于控制采樣存儲深度。 [align=center] 圖3 高速數(shù)字信號采集存儲電路原理圖[/align] 　　數(shù)據(jù)讀寫信號譯碼用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲芯片SRAM的讀寫及片選信號、存儲采樣數(shù)據(jù)邏輯切換電路的控制信號，它由GAL16V8 譯碼得到。 　　采樣邏輯切換電路由雙D觸發(fā)器74HC74、8位數(shù)據(jù)比較器74HC688、鎖存器74HC374組成，用于控制采樣啟動(dòng)、停止。由74LS688比較器比較預(yù)設(shè)地址和地址發(fā)生器的地址位，如果比較器比較地址位相等，則輸出停止信號，啟動(dòng)信號由控制雙D觸發(fā)器產(chǎn)生。 　　地址鎖存電路主要是用于鎖存存儲器SRAM在讀和寫兩個(gè)不同的狀態(tài)下的地址。在寫SRAM時(shí)鎖存地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址，在讀SRAM時(shí)鎖存數(shù)據(jù)收發(fā)及控制電路中8255產(chǎn)生的地址位。 　　數(shù)據(jù)存儲采用兩片存儲容量為1MB的SRAM HM628128，構(gòu)成16通道數(shù)字信號采集。SRAM的寫信號產(chǎn)生是一個(gè)難點(diǎn)，圖4中給出了產(chǎn)生寫信號的時(shí)序邏輯圖，其中CLK信號為晶振源，Q1、Q2、Q3為晶振源的4倍頻、8倍頻、16倍頻信號，TC為16位地址發(fā)生器的記數(shù)脈沖，MWR為數(shù)據(jù)采樣的請求信號，RAMWR為SRAM的寫信號。邏輯表達(dá)式為：!RAMWR = （!Q3 & Q2） & !MWR。 [align=center] 圖4 SRAM寫信號時(shí)序邏輯圖[/align] 　　存儲采樣數(shù)據(jù)邏輯切換電路主要完成讀寫SRAM的數(shù)據(jù)總線切換功能，在采集數(shù)據(jù)時(shí)用總線收發(fā)器切換到數(shù)據(jù)輸入端，讀取SRAM的數(shù)據(jù)時(shí)切換給數(shù)據(jù)收發(fā)及控制電路的數(shù)據(jù)總線端，以供計(jì)算機(jī)讀入存儲器中的采樣數(shù)據(jù)。 　　2.3 I/O接口電路和接觸器供電回路 　　數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)對交流接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸合過程實(shí)驗(yàn)、吸合實(shí)驗(yàn)、釋放實(shí)驗(yàn)過程中，需要為交流接觸器線圈提供額定電壓范圍內(nèi)的各種電壓值，并在自動(dòng)檢測時(shí)依據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行電壓切換。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集存儲電路中引出的I/O信號，經(jīng)過光電隔離電路后作為接觸器供電回路的控制信號。 3 系統(tǒng)軟件及設(shè)計(jì)概述 　　系統(tǒng)軟件的主要功能是為用戶提供一個(gè)良好的操作環(huán)境，及時(shí)響應(yīng)用戶的命令。整個(gè)軟件構(gòu)成如圖5所示，它由用戶操作界面、硬件驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)管理三部分組成。 [align=center] 圖5 軟件系統(tǒng)構(gòu)成[/align] 　　LabVIEW（Laboratory of Virtual Instruments Engineering Workbench）是美國國家儀器公司NI（National Instruments）推出的32位標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器開發(fā)平臺。它是一套專門為數(shù)據(jù)與儀器控制、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程環(huán)境，同時(shí)是基于圖形化編程語言（G-Language）的全新編程方法。其具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、儀器控制、數(shù)據(jù)分析、信號處理、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能，并且提供強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析庫，涵蓋統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，因此在包括航空、航天、通信、汽車和醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域里已得到了廣泛的應(yīng)用。 　　在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中正是利用LabVIEW功能強(qiáng)大的圖形化編程，快速建立了用戶操作界面及測試、測量和控制應(yīng)用程序。但LabVIEW也存在不足，如不擅長處理大量數(shù)據(jù)的任務(wù)、實(shí)現(xiàn)底層操作能力不強(qiáng)等。為此采用在Visual C++環(huán)境下編寫對硬件設(shè)備訪問的驅(qū)動(dòng)程序，匯編成動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL函數(shù)供LabVIEW圖形化編程語言調(diào)用。在數(shù)據(jù)管理方面由數(shù)據(jù)庫專業(yè)軟件SQL SERVER與LabVIEW編程互相接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)存儲、查詢、調(diào)用、報(bào)表生成及打印等功能。 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 　　數(shù)據(jù)采集檢測設(shè)備對交流接觸器設(shè)置了動(dòng)態(tài)吸合過程實(shí)驗(yàn)、吸合實(shí)驗(yàn)、釋放實(shí)驗(yàn)等，軟件的分項(xiàng)測試界面如圖6所示，本界面中可以自行設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。 [align=center] 圖6 數(shù)據(jù)采集分項(xiàng)測試界面[/align] 　　動(dòng)態(tài)吸合過程實(shí)驗(yàn)檢測接觸器各觸頭的接通順序，在接觸器通電吸合時(shí)同步采樣觸點(diǎn)狀態(tài)，分析比較各觸點(diǎn)的實(shí)際彈跳、接通時(shí)間，在作為生產(chǎn)檢測設(shè)備時(shí)可設(shè)定各觸頭的接通順序及最小時(shí)間差來判定接觸器是否合格。接觸器吸和、釋放實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)在不同接觸器線圈供電電壓下的工作狀態(tài)。 　　利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、顯示功能，在用戶界面上設(shè)計(jì)了接觸器觸點(diǎn)波形顯示，圖7給出了動(dòng)態(tài)吸合過程實(shí)驗(yàn)的一組數(shù)據(jù)波形。在此波形中可以明顯觀察出觸點(diǎn)的接通順序及彈跳過程。 [align=center] 圖7 動(dòng)態(tài)吸和過程實(shí)驗(yàn)波形[/align] 5 結(jié)語 　　基于總線的數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，具有可靠而易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)與探索設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡與現(xiàn)有的ISA總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成低成本的硬件平臺，并利用LabVIEW這一強(qiáng)大的圖形化開發(fā)環(huán)境及VC++環(huán)境下編寫的硬件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)了軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速瞬變信號的實(shí)時(shí)采樣，并對交流接觸器觸頭吸合過程進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析處理。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了以觸頭接觸時(shí)的彈跳變化及各觸頭接通時(shí)的時(shí)間差為檢驗(yàn)接觸器動(dòng)作可靠性的技術(shù)指標(biāo)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 費(fèi)鴻俊,張冠生.電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993. 　　[2] 李興文,陳德桂,孫志強(qiáng),李志鵬,紐春萍. 交流接觸器動(dòng)態(tài)過程及觸頭彈跳的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) ,2004,（09） . 　　[3] 周偉林,李清峰,楊華勇. 基于LabVIEW的AC1077數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng). 微計(jì)算機(jī)信息 ,2006,（01） 　　[4] 張麗平,繆希仁,林蘇斌. 基于LabVIEW的電器虛擬測試技術(shù). 福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ,2005,（04）