應(yīng)用CPCI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)便攜式電磁閥檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

由于某型號(hào)電磁閥熱真空試驗(yàn)需要出廠完成，在試驗(yàn)過(guò)程中需測(cè)試閥門(mén)響應(yīng)特性，傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備體積無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)輸需求，因此需要配備便于攜帶的電磁閥測(cè)試設(shè)備。

CompactPCI簡(jiǎn)稱(chēng)CPCI，中文又稱(chēng)緊湊型PCI，是國(guó)際PICMG協(xié)會(huì)于1994提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。它將VME密集堅(jiān)固的封裝和大型設(shè)備的極佳冷卻效果以及PC廉價(jià)、易采用最新處理能力的芯片結(jié)合在一起，既保證了99.999%的高可靠度，又極大降低了硬件和軟件開(kāi)發(fā)成本。其整體機(jī)構(gòu)緊湊，安裝牢固，適應(yīng)各種運(yùn)輸條件，可靠性高。各功能板采用CPCI總線的模塊化結(jié)構(gòu)，插拔十分安全方便，特別適合本系統(tǒng)的多種型號(hào)測(cè)試對(duì)象和多種測(cè)試工況的要求。

2. 設(shè)計(jì)要求

(1)要求能夠同時(shí)對(duì)3臺(tái)自鎖閥或電磁閥進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)具備自動(dòng)和手動(dòng)判讀功能。單路采樣頻率不小于10KHz，并可將測(cè)試結(jié)果輸出至打印機(jī)。

(2)電磁閥控制電壓為0~50V可變，最大電流不小于12A。

(3)動(dòng)作次數(shù)、脈寬、間隔均可調(diào)。次數(shù)0~1000次可變；間隔0~10000ms可變；脈寬0~3000ms可變。

(4)泄放電阻為10Ω 、50Ω、100Ω三檔可變。

(5)適用于各種類(lèi)型電磁閥測(cè)試要求。

(6)設(shè)備體積要求：30cm×30 cm×50 cm，重量不超過(guò)25kg，并滿(mǎn)足三級(jí)公路運(yùn)輸要求

3. 測(cè)試原理和系統(tǒng)組成

電磁閥測(cè)試原理如圖1所示。測(cè)試電阻串聯(lián)在電磁閥回路中，通過(guò)測(cè)試電阻兩端分壓信號(hào)測(cè)量換算出閥門(mén)線圈電流值。采樣電阻兩端的電壓信號(hào)通過(guò)隔離放大器轉(zhuǎn)換成0-5伏之間的電壓信號(hào)輸入A/D板中轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。由于考慮到大電流下采樣電阻分壓過(guò)大問(wèn)題，采樣電阻均采用小于1歐姆的大功率高精度電阻，采用16位精度的A/D板目的就是保證低值測(cè)試電阻條件下足夠的系統(tǒng)測(cè)試精度。

　　圖1 電磁閥測(cè)試原理圖

系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2，主要由ACME公司的GCP-382計(jì)算機(jī)、外接直流電源、A/D板（16位）；控制驅(qū)動(dòng)板、采樣板、隔離放大器及各種電纜組成。

GCP-382計(jì)算機(jī)包括單板機(jī)和顯示器。配有IDE接口，可以通過(guò)外掛光驅(qū)進(jìn)行系統(tǒng)安裝，平時(shí)的數(shù)據(jù)輸入輸出通過(guò)USB接口和網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行。

控制板和采樣板通過(guò)備份板的設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)不同類(lèi)型的閥門(mén)，測(cè)試設(shè)備的測(cè)試接口、采樣電路、測(cè)試軟件均應(yīng)采用組態(tài)化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象組合出不同的測(cè)試狀態(tài)。設(shè)6個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，單通道采樣頻率不低于10KHz，最多可同時(shí)測(cè)試3路自鎖閥，同時(shí)可對(duì)6路普通電磁閥進(jìn)行測(cè)試。但同時(shí)測(cè)試的自鎖閥狀態(tài)應(yīng)該相同（均為正端控制或均為負(fù)端控制）。

　　圖2 檢測(cè)儀工作原理圖

采樣電阻和泄放電阻的切換涉及到采樣電阻板的換裝，因此必須在測(cè)試前進(jìn)行切換，不能在測(cè)試中進(jìn)行熱切換。

采樣單路與被測(cè)對(duì)象直接相關(guān)，因此被測(cè)對(duì)象的組合形式不同，則采樣電路板就不同。由于被測(cè)對(duì)象的組合方式不能確定，因此設(shè)計(jì)中提供了最常用的4種采樣電路板。

控制電源采用外接方式，電源參數(shù)可由用戶(hù)自定。

閥門(mén)動(dòng)作時(shí)的控制精度≤±2ms，系統(tǒng)時(shí)間測(cè)試精度≤±0.1ms，系統(tǒng)電流測(cè)試精度≤0.03A。

轉(zhuǎn)接電纜：對(duì)應(yīng)不同的閥門(mén)接插件配備不同的測(cè)試電纜，電纜的設(shè)備端采用通用接口。

4. 硬件設(shè)計(jì)

采樣模塊：根據(jù)測(cè)試對(duì)象不同配備不同的采樣電阻和泄放電阻，本檢測(cè)儀中設(shè)計(jì)的4種不同組合的采樣板。采樣板的尺寸結(jié)構(gòu)與CPCI總線的3U板卡相同，嵌入主機(jī)機(jī)箱內(nèi)，便于插拔。主要端口有：與A/D板間端口、與控制板間端口、閥門(mén)端口。采樣板面板設(shè)A/D接口和閥門(mén)接口，每個(gè)回路設(shè)計(jì)電流8A以上；采樣板泄放電阻可拆換；測(cè)試電阻自鎖閥用0.4歐姆，普通閥用0.8歐姆；電磁閥電纜接插件選用易插接類(lèi)型。

控制驅(qū)動(dòng)板：采用FPGA作為控制器，通過(guò)總線形式與主計(jì)算機(jī)通信，進(jìn)行自主控制，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器控制被測(cè)閥門(mén)，該控制驅(qū)動(dòng)板可以根據(jù)主計(jì)算機(jī)的指令確定正負(fù)端控制方式。驅(qū)動(dòng)板的尺寸結(jié)構(gòu)與CPCI總線的3U板卡相同，嵌入主機(jī)機(jī)箱內(nèi)，便于插拔。與主機(jī)間通過(guò)總線連接，與外界通過(guò)端口連接。

主要連接端口有：直流電源端口、與采樣板間端口。通過(guò)總線接受指令，自主計(jì)時(shí)并控制；功率回路設(shè)6路12只固態(tài)繼電器（分別控制6路正端和6路負(fù)端），控制電流10A以上，每路設(shè)易拆裝的8A保險(xiǎn)絲，面板上每路有發(fā)光二極管顯示工作狀態(tài)；控制板與采樣板相連的電纜可設(shè)于機(jī)箱內(nèi)部連接，接插件帶鎖，電纜較軟，長(zhǎng)度可保證一塊板拉出機(jī)箱并露出插座位置。

測(cè)試電纜：對(duì)應(yīng)不同的閥門(mén)接插件配備不同的測(cè)試電纜，電纜的設(shè)備端采用通用接口。

5. 軟件設(shè)計(jì)

采用通用C++編寫(xiě)的電磁閥測(cè)試軟件，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)置測(cè)試信息之后，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)硬件的驅(qū)動(dòng)，對(duì)待測(cè)電磁閥進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，可直接通過(guò)自動(dòng)判讀功能實(shí)現(xiàn)測(cè)試閥門(mén)響應(yīng)特性的輸出。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)歷次電磁閥的測(cè)試記錄可進(jìn)行查詢(xún)和輸出。

　　圖3 通過(guò)自動(dòng)判讀直接得到電磁閥的測(cè)試參數(shù)

測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)閥門(mén)進(jìn)行控制并進(jìn)行測(cè)試后，將測(cè)試結(jié)果等數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，保存的信息除了電磁閥電流曲線特征值之外，還包括：工作脈寬、工作間隔、動(dòng)作次數(shù)、測(cè)試電壓、測(cè)試單位（測(cè)試地點(diǎn)）、試驗(yàn)狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)、載荷情況、測(cè)試日期以及被測(cè)閥門(mén)的產(chǎn)品信息。

電磁閥線圈電流特征曲線如圖3所示，其特征值分別為開(kāi)啟時(shí)間、開(kāi)啟電流、穩(wěn)態(tài)電流、關(guān)閉時(shí)間、關(guān)閉電流、開(kāi)啟比、關(guān)閉比等。這些特征值通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀得到。

對(duì)于新采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)或二次打開(kāi)的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)“自動(dòng)判讀”功能，進(jìn)行電磁閥測(cè)試曲線自動(dòng)判讀的操作。由于閥門(mén)類(lèi)型、測(cè)試狀態(tài)千差萬(wàn)別，自動(dòng)判讀可能出現(xiàn)誤判情況。軟件采用了基于人工智能技術(shù)的自動(dòng)判讀算法，利用大量積累的歷史數(shù)據(jù)對(duì)各類(lèi)閥門(mén)和測(cè)試工況下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析學(xué)習(xí)，將分析結(jié)果作為相同條件測(cè)試對(duì)象的輔助判讀依據(jù)，從而大大提高了判讀準(zhǔn)確性。并且隨著測(cè)試數(shù)據(jù)不斷積累，自動(dòng)判讀的 準(zhǔn)確性也會(huì)不斷提高。對(duì)于特殊情況下出現(xiàn)的誤判，軟件采用了手動(dòng)判讀功能作為補(bǔ)充，通過(guò)人工輔助調(diào)整曲線特征點(diǎn)位置，保證判讀結(jié)果的正確性。

6. 結(jié)束語(yǔ)

本論文的創(chuàng)新點(diǎn)是：應(yīng)用CPCI總線技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了便攜式電磁閥檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)研制成功之后，與同等功能的傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)相比，體積縮小了50%，重量減少了70%，并且操作簡(jiǎn)單，可靠性高，攜帶方便；該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電磁閥檢測(cè)儀器的通用型要求。滿(mǎn)足各種類(lèi)型普通電磁閥和自鎖閥的測(cè)試需要，通過(guò)采樣模塊、接口電纜與測(cè)試軟件的增添，可實(shí)現(xiàn)良好的擴(kuò)充性。

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