,
(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100144)
某軍用配電器在調(diào)試階段沒有配套的自動(dòng)化測(cè)試工裝,在應(yīng)力篩選工序中需要多臺(tái)抖動(dòng)儀器,連接器種類繁多,接線復(fù)雜,給人工測(cè)量增加了難度,工作量大的同時(shí)人工出錯(cuò)率的風(fēng)險(xiǎn)較高。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)逐漸占據(jù)測(cè)試領(lǐng)域的主導(dǎo)地位[1]。在測(cè)試系統(tǒng)中引入虛擬儀器技術(shù)作為軟件平臺(tái),利用其圖形化編程的特點(diǎn),針對(duì)不同的測(cè)試要求編寫虛擬測(cè)試面板,可以快速組建出一套具有良好人機(jī)交互界面的測(cè)試系統(tǒng)[2]。本文設(shè)計(jì)研發(fā)一種基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試效率較高,能夠完成配電器的多項(xiàng)測(cè)試要求以及振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)的監(jiān)測(cè),并具備時(shí)間測(cè)量、電阻測(cè)量、繼電器通斷檢查、供電及供電控制等功能,同時(shí)測(cè)試過程自動(dòng)完成,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、判讀,為配電器的生產(chǎn)提供調(diào)試、測(cè)試[3]。基于系統(tǒng)軟硬件的可擴(kuò)展功能,可以通過硬件機(jī)箱的板卡配置以及軟件的編寫來(lái)滿足未來(lái)同類型配電器的測(cè)試需求。所以該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制具有非常重要的意義,不需要重復(fù)接線,降低了工作人員的工作強(qiáng)度,減少人為的誤操作,提高了測(cè)試精度和勞動(dòng)效率,在測(cè)試過程中,操作更為簡(jiǎn)便,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更為清晰,實(shí)現(xiàn)了無(wú)人看守,安全穩(wěn)定的運(yùn)行,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)是基于PXI總線模塊集成開發(fā)的一套自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備?;谂潆娖鞯墓餐瑴y(cè)試特點(diǎn),以PXI總線技術(shù)和高性能測(cè)試板卡為平臺(tái),通過獨(dú)立的轉(zhuǎn)接機(jī)箱,來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量、電阻測(cè)量、繼電器通斷檢查、供電及供電控制等功能,并可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、判讀。根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和測(cè)試要求,測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能:
1)系統(tǒng)具備功能測(cè)試、調(diào)試和振動(dòng)試驗(yàn)中的抖動(dòng)監(jiān)測(cè)功能;
2)完成延遲時(shí)間測(cè)量、電阻測(cè)量、繼電器通斷檢查等;
3)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回訪,并可完成統(tǒng)計(jì)分析;
4)主控計(jì)算機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)控制和測(cè)試功能;
5)測(cè)試數(shù)據(jù)直接報(bào)表打印輸出;
6)系統(tǒng)具有自檢和故障提示功能;
7)系統(tǒng)人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)便;
8)軟件模塊獨(dú)立性好,測(cè)試流程可擴(kuò)展,易于維護(hù)。
用戶外部可通過鍵盤、鼠標(biāo)給設(shè)備中的嵌入式計(jì)算機(jī)主板輸入指令,計(jì)算機(jī)主板接受到外部的指令后,按照指令自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試流程,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試和分析。
測(cè)試系統(tǒng)是集成有嵌入式控制器、多種測(cè)試板卡、信號(hào)調(diào)理電路、系統(tǒng)軟件的綜合測(cè)試系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)分析處理功能,并且具有一定的通用性,系統(tǒng)可配置不同的信號(hào)轉(zhuǎn)接箱實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型配電器產(chǎn)品的綜合能力測(cè)試。信號(hào)轉(zhuǎn)接箱是針對(duì)產(chǎn)品測(cè)試需求設(shè)計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊,使用時(shí)通過測(cè)試電纜將被測(cè)產(chǎn)品與測(cè)試系統(tǒng)連接。
測(cè)試系統(tǒng)所需測(cè)試板卡集成在PXI機(jī)箱中,通過PXI總線和嵌入式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理。系統(tǒng)設(shè)備組成如圖1所示。
圖1 測(cè)試設(shè)備組成框圖
其中電源采用固緯PSU60-25程控直流電源,功率最高可達(dá)1520 W,額定電壓6~60 V可調(diào)。矩陣開關(guān)、數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)字I/O板卡通過PXI機(jī)箱背板總線與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和保存。信號(hào)調(diào)理板選用ULN2803驅(qū)動(dòng)繼電器,該器件具有集電極開路輸出和續(xù)流二極管,用于抑制躍變。在線圈兩端接發(fā)光二極管,通過數(shù)字I/O進(jìn)行選通,對(duì)應(yīng)繼電器吸合,同時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮,表明繼電器已經(jīng)上電。進(jìn)而控制產(chǎn)品內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)閉合,完成邏輯關(guān)系,同時(shí)采集節(jié)點(diǎn)電平,判斷產(chǎn)品功能是否正常。
1.3.1 數(shù)字萬(wàn)用表及矩陣開關(guān)
電阻以及常閉點(diǎn)測(cè)試需要數(shù)字萬(wàn)用表和矩陣開關(guān)共同完成。矩陣開關(guān)選用NI PXIe-2737,用于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的高密度矩陣開關(guān)模塊。模塊配置為一個(gè)4x64的雙線矩陣,可用于執(zhí)行即時(shí)開關(guān)操作。每個(gè)通道使用的繼電器可切換高達(dá)100 VDC/100 VAC的電壓和2 A的電流。
數(shù)字萬(wàn)用表選用NI PXI-4072,具有3種常見儀器功能:7位半萬(wàn)用表、LCR表和1.8 MS/s隔離數(shù)字化儀,它提供了各種通用的測(cè)量功能,包括電壓、電流、電容、電感、溫度和電阻等20種最常用的ATE測(cè)量。模塊集各種測(cè)量功能于一身,既降低了測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模和成本,又提高了系統(tǒng)的處理能力,縮短了測(cè)試的開發(fā)時(shí)間[5]。
1.3.2 數(shù)字I/O模塊
數(shù)字I/O模塊選用NI PXI-7811r提供多路可程控的數(shù)字輸入輸出信號(hào),具有高密度的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)多路控制的雙向操作。該模塊具有NI可重構(gòu)I/O技術(shù),能夠使用可重配置現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片和NI LabVIEW圖形開發(fā)工具定義自己的定制測(cè)量硬件電路。NI R系列多功能設(shè)備通過將該FPGA技術(shù)與8個(gè)模擬輸入,8個(gè)模擬輸出和96個(gè)數(shù)字I/O線集成在一起,提供了最佳的價(jià)值和性能組合。使用LabVIEW FPGA模塊,可以創(chuàng)建自己的硬件特性,用于自定義數(shù)據(jù)采集,高速控制,數(shù)字通信協(xié)議以及傳感器仿真。
信號(hào)調(diào)理板由ULN2803達(dá)林頓晶體管陣列、多個(gè)歐姆龍G6A繼電器構(gòu)成。電路如圖2所示。以繼電器K1,2為例,數(shù)字I/O端產(chǎn)生3.3 V電壓,連接達(dá)林頓管1腳輸入 ,18腳為輸出,驅(qū)動(dòng)繼電器,繼電器線圈一端接電源正,另一端接18腳。1腳加3.3 V高電平,微型繼電器吸合,程控電源輸出的28 V電壓加到產(chǎn)品內(nèi)部繼電器,使其觸點(diǎn)閉合,回采電平。
圖2 信號(hào)調(diào)理板原理圖
達(dá)林頓晶體管ULN2803具有八路NPN,適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求的接口,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和工業(yè)中的繼電器或其它類似負(fù)載中。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管,用于抑制躍變。ULN2803片內(nèi)有8路驅(qū)動(dòng)器,腳1-8分別是這8路驅(qū)動(dòng)器的輸入,ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容,而ULN2804最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。腳1-18分別是8路驅(qū)動(dòng)器輸出。輸出是OC門,集電極,VCE=50 V,驅(qū)動(dòng)電流500 MA??芍苯域?qū)動(dòng)感性負(fù)載繼電器等。片內(nèi)8路輸出都帶有續(xù)流二極管,從10腳并聯(lián)接出。使用時(shí)9腳接地,驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)10腳接繼電器驅(qū)動(dòng)正電源[6]。
G6A微型繼電器的型號(hào)是G6A-274P-ST-US,抗電磁干擾性能強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)高密度安裝??箾_擊耐壓1500 V·FCC規(guī)格標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)耐高壓。而且低接點(diǎn)振動(dòng),可以發(fā)揮高接觸可靠性,用途廣泛。其可供選擇的線圈額定電壓有3~24 V,這里選擇5 V作為繼電線圈的額定電壓。閉合微型繼電器,進(jìn)而控制產(chǎn)品內(nèi)對(duì)應(yīng)繼電器觸點(diǎn)的閉合,記錄數(shù)據(jù),完成測(cè)試。
信號(hào)轉(zhuǎn)接箱采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)箱,高度5 U,深480 mm。信號(hào)轉(zhuǎn)接箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通過信號(hào)調(diào)理板將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接、切換和顯示。對(duì)于電阻測(cè)試,采用四線連接,當(dāng)選擇100歐姆量程時(shí),四線電阻的測(cè)量精度可以達(dá)到0.010%讀數(shù)+0.004%FS。對(duì)于功能測(cè)試,采用數(shù)字I/O板卡采集測(cè)試節(jié)點(diǎn)電平,產(chǎn)品內(nèi)部繼電器由程控電源輸出28 V驅(qū)動(dòng),節(jié)點(diǎn)電壓通過10 K和1.2 K電阻分壓,當(dāng)采集電壓為3.0 V±3 V時(shí),視為繼電器功能正常。信號(hào)轉(zhuǎn)接箱的前面板設(shè)計(jì)以使用方便為原則,兼顧美觀。
系統(tǒng)的軟件部分基于Windows系統(tǒng)平臺(tái),采用LabVIEW高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程。利用虛擬儀器的圖形化編程,完成對(duì)配電器的控制,數(shù)據(jù)的分析和顯示。用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行操作面板的編程與設(shè)計(jì),使得系統(tǒng)具有很高的靈活性和簡(jiǎn)易的操作性,又能節(jié)省大量的人力和物力。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件部分包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件、設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)軟件和高層應(yīng)用軟件等組成,其軟件界面流程圖如圖3所示。
圖3 軟件界面流程圖
測(cè)試應(yīng)用軟件將提供測(cè)試、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)自檢等功能。在測(cè)試功能中,將設(shè)有功能測(cè)試、調(diào)試和振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)等功能。其中功能測(cè)試將包括繼電器常閉點(diǎn)測(cè)試、繼電器功能測(cè)試、延遲時(shí)間測(cè)試、電阻測(cè)試以及繼電器常閉點(diǎn)測(cè)試。調(diào)試功能主要包括延遲時(shí)間調(diào)試和磁保持繼電器的調(diào)試。測(cè)試主要完成自動(dòng)測(cè)試功能,手動(dòng)調(diào)試功能和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)功能,以及系統(tǒng)自檢功能。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合,將分別設(shè)計(jì)單獨(dú)的測(cè)試界面,調(diào)試界面和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)界面,對(duì)特定的參數(shù)采用不同的顯示方式。
在測(cè)試過程中,對(duì)關(guān)鍵操作進(jìn)行提示,并有防止誤操作的功能,對(duì)不正常的參數(shù)和不正常的狀態(tài),設(shè)有紅色報(bào)警提示,并根據(jù)合格范圍,提示超差范圍。測(cè)試軟件操作界面除有正常的啟動(dòng)、停止按鍵外,將根據(jù)需要設(shè)定強(qiáng)制停止按鍵。數(shù)據(jù)管理軟件包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)和用戶的管理,試驗(yàn)數(shù)據(jù)指試驗(yàn)信息、測(cè)試數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息等,用戶管理將用戶分為不同級(jí)別,并采用密碼登錄的方式,確保數(shù)據(jù)的安全性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)報(bào)表輸出、打印等功能。
整個(gè)軟件開發(fā)將遵從軟件開發(fā)規(guī)范進(jìn)行代碼測(cè)試和功能測(cè)試,以確保軟件的正確性。軟件在確保概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,完成代碼編寫和代碼測(cè)試工作。對(duì)重點(diǎn)操作狀態(tài)采取狀態(tài)回讀功能,確保系統(tǒng)執(zhí)行的正確性。
測(cè)試系統(tǒng)軟件方面的編寫基于LabVIEW的數(shù)據(jù)流編程思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用虛擬儀器的特點(diǎn),將程序模塊化。根據(jù)不同功能使用各種模塊,最后組建出一整套系統(tǒng)。上位機(jī)為用戶提供了良好的人機(jī)交互界面,操作便捷,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)清晰。在編寫中使用狀態(tài)機(jī)模塊能夠滿足主程序結(jié)構(gòu)的需要。狀態(tài)機(jī)由While循環(huán)、移位寄存器和條件結(jié)構(gòu)3個(gè)部分組成的,其中While循環(huán)保證了程序可持續(xù)運(yùn)行;條件結(jié)構(gòu)各個(gè)分支內(nèi)的代碼描述了系統(tǒng)不同狀態(tài);移位寄存器則將上一次狀態(tài)所做出的結(jié)果傳遞到下一次狀態(tài)中,使系統(tǒng)的各個(gè)功能以狀態(tài)的方式順序執(zhí)行,保證了程序的可讀性,也為將來(lái)系統(tǒng)更新升級(jí)提供了很強(qiáng)的擴(kuò)展性[7]。系統(tǒng)測(cè)試界面如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)測(cè)試界面
系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要控制產(chǎn)品配電器內(nèi)繼電器的通斷,并采集節(jié)點(diǎn)的參數(shù),產(chǎn)品內(nèi)繼電器的通斷由信號(hào)調(diào)理板控制切換,而信號(hào)調(diào)理板則需要數(shù)字I/O模塊來(lái)控制通斷??刂瞥绦蛉鐖D5所示。系統(tǒng)的測(cè)試單元實(shí)驗(yàn)較多,但是大致流程是一致的。以功能測(cè)試為例,在測(cè)試之前上電,執(zhí)行初始化,確保全部繼電器處于斷開狀態(tài),然后依次切換閉合繼電器,采集測(cè)試節(jié)點(diǎn)電壓,若節(jié)點(diǎn)電壓在3.0 V(±3 V)內(nèi),視為繼電器功能正常。直到所有繼電器測(cè)試完畢,實(shí)驗(yàn)結(jié)束,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫入報(bào)表,繼續(xù)下一個(gè)項(xiàng)測(cè)試。
圖5 主程序狀態(tài)及模塊
程控電源、矩陣開關(guān)和數(shù)字萬(wàn)用表的驅(qū)動(dòng)程序由官方提供,功能齊全,可以由自己編寫所需的功能,方便主程序的調(diào)用。所謂驅(qū)動(dòng)程序,就是一組VI,每組VI都包含了硬件設(shè)備的各種基礎(chǔ)功能。驅(qū)動(dòng)VI可以由一個(gè)或者多個(gè)程序組成。矩陣開關(guān)的VI程序,首先配置矩陣開關(guān),選擇2線電阻的測(cè)量方式,閉合一組通道例如:r0c0,通過萬(wàn)用表讀取電阻值并顯示,最后斷開開關(guān)。
虛擬儀器技術(shù)最顯著的特點(diǎn)就是利用軟件代替硬件,降低開發(fā)成本。本測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面友好,用戶可以手動(dòng)設(shè)置參數(shù),并且實(shí)時(shí)的觀察測(cè)試數(shù)據(jù),操作方式與傳統(tǒng)儀器的操作方式相似。系統(tǒng)中包含多種測(cè)試,每種測(cè)試都需要生成報(bào)表,用來(lái)記錄每項(xiàng)測(cè)試的數(shù)據(jù)。同時(shí)界面上也可以顯示測(cè)試狀態(tài),如果測(cè)試出現(xiàn)異常,則報(bào)警燈變亮,用戶可以根據(jù)需要選擇終止測(cè)試或者繼續(xù)下一項(xiàng)測(cè)試[8]。
功能測(cè)試是對(duì)產(chǎn)品內(nèi)繼電器能否正常工作進(jìn)行測(cè)試。通過上位機(jī)發(fā)送上電指令,數(shù)字I/O模塊的電平變高產(chǎn)生3.3 V電壓,信號(hào)調(diào)理板上的繼電器導(dǎo)通,把28 V的加到產(chǎn)品內(nèi)相應(yīng)繼電器兩端,觸點(diǎn)閉合,測(cè)試節(jié)點(diǎn)經(jīng)過10 K和1.2 K電阻分壓,得到3.3 V電壓,數(shù)字I/O的輸入端把2.7~3.3 V視為高電平,低于2.7 V視為低電平,并通過PXI總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,將測(cè)量到的節(jié)點(diǎn)電平送回上位機(jī)顯示,根據(jù)測(cè)試邏輯判斷該繼電器是否正常工作。若繼電器未正常工作,則報(bào)警燈變紅,操作人員可選擇終止測(cè)試或繼續(xù)測(cè)試。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,系統(tǒng)能控制和切換產(chǎn)品內(nèi)每組繼電器閉合或斷開,能采集每組繼電器一個(gè)或多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的電平并根據(jù)測(cè)試要求顯示結(jié)果。
延遲測(cè)試是為了檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)的延遲繼電器的延遲時(shí)間是否處于合格范圍。若延遲時(shí)間在80±5 ms的范圍之內(nèi)為合格。在測(cè)試過程中,要求需要程控電源電壓拉偏,分別為25 V、28 V、31 V,各測(cè)出其延時(shí)時(shí)間是否在80±5 ms內(nèi)。在上電前,節(jié)點(diǎn)處于斷開狀態(tài),數(shù)字I/O模塊輸入“1”態(tài)。通過上位機(jī)給出上電指令后,延時(shí)起始繼電器閉合,開啟計(jì)數(shù)器,待終末繼電器閉合后,數(shù)字I/O模塊輸入“0”態(tài),結(jié)束計(jì)數(shù)器,進(jìn)而測(cè)量繼電器延遲時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,在3種電壓下的延時(shí)時(shí)間均在合格范圍之內(nèi),產(chǎn)品內(nèi)延時(shí)繼電器功能正常。
振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),產(chǎn)品在振動(dòng)儀上分別進(jìn)行X,Y,Z三個(gè)方向的測(cè)試,每組測(cè)試5分鐘。主控計(jì)算機(jī)通過數(shù)字I/O模塊完成對(duì)全部繼電器的加電控制,使產(chǎn)品內(nèi)共80路繼電器全部閉合,對(duì)所有觸點(diǎn)進(jìn)行并行的監(jiān)測(cè),并實(shí)時(shí)測(cè)量繼電器的抖動(dòng)時(shí)序,采集記錄每一個(gè)觸點(diǎn)的抖動(dòng)情況。測(cè)試精度為10 μs(±0.5 μs)。若繼電器觸點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng),記錄抖動(dòng)發(fā)生時(shí)刻,抖動(dòng)的觸點(diǎn)和抖動(dòng)時(shí)間等參數(shù),便于操作人員故障排除。繼電器發(fā)生抖動(dòng)時(shí),數(shù)字I/O模塊接收到觸發(fā)信號(hào),開啟計(jì)數(shù)器,計(jì)算觸點(diǎn)斷開時(shí)間并判斷電器是否故障。若斷開時(shí)間大于10 μs,則繼電器故障,輸出“1”態(tài)。反之則正常,輸出“0”態(tài)[9]。抖動(dòng)模塊時(shí)序圖如圖6所示。
圖6 抖動(dòng)模塊時(shí)序圖
經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明,該測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足多種型號(hào)產(chǎn)品的測(cè)試要求。與人工測(cè)試相比,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,精度符合所要求的標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)以后的更新升級(jí)留有很大空間。
系統(tǒng)采用LabVIEW語(yǔ)言編程,開發(fā)周期短,自動(dòng)化程度高,具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果分析方面,比其他語(yǔ)言更為方便[10]。
基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),充分利用了先進(jìn)的硬件資源,發(fā)揮了更高的開發(fā)效率。降低了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度,提高了測(cè)試的精確度和效率。對(duì)于自動(dòng)測(cè)試行業(yè)有著非常積極的推動(dòng)作用。