摘 要：本文結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)及LabVIEW的應(yīng)用，設(shè)計了交流接觸器動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)計思想、實現(xiàn)方法以及虛擬儀器開發(fā)的相關(guān)技術(shù)。經(jīng)實驗測試表明，所研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能對交流接觸器觸頭實際動作過程進行實時采樣及數(shù)據(jù)分析，提出了以觸頭接觸時的彈跳變化及各觸頭接通時的時間差為檢驗接觸器動作可靠性的技術(shù)指標。 關(guān)鍵詞：交流接觸器;數(shù)據(jù)采集;計算機總線;虛擬儀器;動態(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，合閘時電磁鐵的吸力與合閘相角有關(guān)，是隨機的;分閘時電磁鐵吸力與激磁電流相角有關(guān)，也是隨機的。在觸點接通的瞬間因機械原因產(chǎn)生一些彈跳，而因彈跳產(chǎn)生瞬間多次分合，導致接觸器實際工作情況惡劣。對控制電容器的專用接觸器，由于接通時觸頭運動速度的隨機性造成不同相觸頭接觸時間差的隨機性，導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間一致性方面要求更為嚴格。 　　檢測接觸器觸頭分合過程時通常采用步進電機來推動觸頭動作，觸頭的整個分合過程是靠步進電機的推動來完成;觸頭從分到合的位移也是靠對步進電機的步進脈沖計數(shù)得到的。這種檢測屬于靜態(tài)檢測，無法真實反應(yīng)接觸器的整個吸合過程，更無法檢測觸頭在實際工作時的彈跳變化及各個觸頭的實際吸和時間差。為了保證接觸器的工作可靠性，有必要開發(fā)一種記錄接觸器實際工作時的觸頭吸合釋放過程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以此來評價接觸器的性能。 2 系統(tǒng)硬件及工作原理 　　為了實現(xiàn)對高速瞬變信號的采樣以便于分辨交流接觸器觸點接通時的彈跳過程及觸頭的接通順序，在原有基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于PC機ISA總線、同步時鐘、用硬件電路實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)同步采集、高速尋址以及實時存儲的技術(shù)方案。該方案主要由四部分組成：PC機總線接口電路、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機總線接口電路 　　本系統(tǒng)采用研華的工業(yè)控制計算機，利用其ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標準架構(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機內(nèi)部I/O地址。 　　PC機的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機總線接口電路如圖2所示，當PC機要訪問某一地址時，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、最大采樣點數(shù)65536、最大采樣存儲時間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、可予制四位二進制異步清除計數(shù)器74HC161組成，采樣率由計數(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)器每接收一個脈沖產(chǎn)生一個地址。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、停止。由74LS688比較器比較預設(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在讀和寫兩個不同的狀態(tài)下的地址。在寫SRAM時鎖存地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址，在讀SRAM時鎖存數(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)生是一個難點，圖4中給出了產(chǎn)生寫信號的時序邏輯圖，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。邏輯表達式為：!RAMWR = （!Q3 & Q2） & !MWR。 [align=center] 圖4 SRAM寫信號時序邏輯圖[/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，以供計算機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)對交流接觸器進行動態(tài)吸合過程實驗、吸合實驗、釋放實驗過程中，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，并在自動檢測時依據(jù)實驗項目進行電壓切換。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)計概述 　　系統(tǒng)軟件的主要功能是為用戶提供一個良好的操作環(huán)境，及時響應(yīng)用戶的命令。整個軟件構(gòu)成如圖5所示，它由用戶操作界面、硬件驅(qū)動程序、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位標準虛擬儀器開發(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)表達而設(shè)計的圖形化編程環(huán)境，同時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，并且提供強大的數(shù)學分析庫，涵蓋統(tǒng)計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學領(lǐng)域，因此在包括航空、航天、通信、汽車和醫(yī)學等眾多領(lǐng)域里已得到了廣泛的應(yīng)用。 　　在軟件系統(tǒng)設(shè)計中正是利用LabVIEW功能強大的圖形化編程，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)、實現(xiàn)底層操作能力不強等。為此采用在Visual C++環(huán)境下編寫對硬件設(shè)備訪問的驅(qū)動程序，匯編成動態(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編程互相接口來進行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)存儲、查詢、調(diào)用、報表生成及打印等功能。 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗 　　數(shù)據(jù)采集檢測設(shè)備對交流接觸器設(shè)置了動態(tài)吸合過程實驗、吸合實驗、釋放實驗等，軟件的分項測試界面如圖6所示，本界面中可以自行設(shè)定實驗參數(shù)以進行各種實驗。 [align=center] 圖6 數(shù)據(jù)采集分項測試界面[/align] 　　動態(tài)吸合過程實驗檢測接觸器各觸頭的接通順序，在接觸器通電吸合時同步采樣觸點狀態(tài)，分析比較各觸點的實際彈跳、接通時間，在作為生產(chǎn)檢測設(shè)備時可設(shè)定各觸頭的接通順序及最小時間差來判定接觸器是否合格。接觸器吸和、釋放實驗是檢驗在不同接觸器線圈供電電壓下的工作狀態(tài)。 　　利用LabVIEW軟件強大的數(shù)據(jù)處理、顯示功能，在用戶界面上設(shè)計了接觸器觸點波形顯示，圖7給出了動態(tài)吸合過程實驗的一組數(shù)據(jù)波形。在此波形中可以明顯觀察出觸點的接通順序及彈跳過程。 [align=center] 圖7 動態(tài)吸和過程實驗波形[/align] 5 結(jié)語 　　基于總線的數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，具有可靠而易于實現(xiàn)、經(jīng)濟等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過了實驗與探索設(shè)計的數(shù)據(jù)采集卡與現(xiàn)有的ISA總線計算機系統(tǒng)構(gòu)成低成本的硬件平臺，并利用LabVIEW這一強大的圖形化開發(fā)環(huán)境及VC++環(huán)境下編寫的硬件驅(qū)動程序開發(fā)了軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)高速瞬變信號的實時采樣，并對交流接觸器觸頭吸合過程進行了數(shù)據(jù)分析處理。 　　本文作者創(chuàng)新點：提出了以觸頭接觸時的彈跳變化及各觸頭接通時的時間差為檢驗接觸器動作可靠性的技術(shù)指標。 參考文獻： 　　[1] 費鴻俊,張冠生.電磁機構(gòu)動態(tài)分析與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993. 　　[2] 李興文,陳德桂,孫志強,李志鵬,紐春萍. 交流接觸器動態(tài)過程及觸頭彈跳的數(shù)值分析與實驗研究[J].中國電機工程學報 ,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. 微計算機信息 ,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). 福州大學學報（自然科學版） ,2005,（04）