應(yīng)用CPCI總線技術(shù)實現(xiàn)便攜式電磁閥檢測儀的設(shè)計

由于某型號電磁閥熱真空試驗需要出廠完成，在試驗過程中需測試閥門響應(yīng)特性，傳統(tǒng)的測試設(shè)備體積無法滿足運輸需求，因此需要配備便于攜帶的電磁閥測試設(shè)備。

CompactPCI簡稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國際PICMG協(xié)會于1994提出來的一種總線接口標準。它將VME密集堅固的封裝和大型設(shè)備的極佳冷卻效果以及PC廉價、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發(fā)成本。其整體機構(gòu)緊湊，安裝牢固，適應(yīng)各種運輸條件，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)的多種型號測試對象和多種測試工況的要求。

2. 設(shè)計要求

(1)要求能夠同時對3臺自鎖閥或電磁閥進行測試，同時具備自動和手動判讀功能。單路采樣頻率不小于10KHz，并可將測試結(jié)果輸出至打印機。

(2)電磁閥控制電壓為0~50V可變，最大電流不小于12A。

(3)動作次數(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)適用于各種類型電磁閥測試要求。

(6)設(shè)備體積要求：30cm×30 cm×50 cm，重量不超過25kg，并滿足三級公路運輸要求

3. 測試原理和系統(tǒng)組成

電磁閥測試原理如圖1所示。測試電阻串聯(lián)在電磁閥回路中，通過測試電阻兩端分壓信號測量換算出閥門線圈電流值。采樣電阻兩端的電壓信號通過隔離放大器轉(zhuǎn)換成0-5伏之間的電壓信號輸入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大問題，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試電阻條件下足夠的系統(tǒng)測試精度。

　　圖1 電磁閥測試原理圖

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

GCP-382計算機包括單板機和顯示器。配有IDE接口，可以通過外掛光驅(qū)進行系統(tǒng)安裝，平時的數(shù)據(jù)輸入輸出通過USB接口和網(wǎng)絡(luò)接口進行。

控制板和采樣板通過備份板的設(shè)計來適應(yīng)不同類型的閥門，測試設(shè)備的測試接口、采樣電路、測試軟件均應(yīng)采用組態(tài)化設(shè)計思路，根據(jù)不同的測試對象組合出不同的測試狀態(tài)。設(shè)6個數(shù)據(jù)采集通道，單通道采樣頻率不低于10KHz，最多可同時測試3路自鎖閥，同時可對6路普通電磁閥進行測試。但同時測試的自鎖閥狀態(tài)應(yīng)該相同（均為正端控制或均為負端控制）。

　　圖2 檢測儀工作原理圖

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

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

控制電源采用外接方式，電源參數(shù)可由用戶自定。

閥門動作時的控制精度≤±2ms，系統(tǒng)時間測試精度≤±0.1ms，系統(tǒng)電流測試精度≤0.03A。

轉(zhuǎn)接電纜：對應(yīng)不同的閥門接插件配備不同的測試電纜，電纜的設(shè)備端采用通用接口。

4. 硬件設(shè)計

采樣模塊：根據(jù)測試對象不同配備不同的采樣電阻和泄放電阻，本檢測儀中設(shè)計的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，嵌入主機機箱內(nèi)，便于插拔。主要端口有：與A/D板間端口、與控制板間端口、閥門端口。采樣板面板設(shè)A/D接口和閥門接口，每個回路設(shè)計電流8A以上；采樣板泄放電阻可拆換；測試電阻自鎖閥用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型。

控制驅(qū)動板：采用FPGA作為控制器，通過總線形式與主計算機通信，進行自主控制，驅(qū)動固態(tài)繼電器控制被測閥門，該控制驅(qū)動板可以根據(jù)主計算機的指令確定正負端控制方式。驅(qū)動板的尺寸結(jié)構(gòu)與CPCI總線的3U板卡相同，嵌入主機機箱內(nèi)，便于插拔。與主機間通過總線連接，與外界通過端口連接。

主要連接端口有：直流電源端口、與采樣板間端口。通過總線接受指令，自主計時并控制；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路負端），控制電流10A以上，每路設(shè)易拆裝的8A保險絲，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)于機箱內(nèi)部連接，接插件帶鎖，電纜較軟，長度可保證一塊板拉出機箱并露出插座位置。

測試電纜：對應(yīng)不同的閥門接插件配備不同的測試電纜，電纜的設(shè)備端采用通用接口。

5. 軟件設(shè)計

采用通用C++編寫的電磁閥測試軟件，后臺數(shù)據(jù)庫采用ACCESS數(shù)據(jù)庫。設(shè)置測試信息之后，通過對設(shè)計硬件的驅(qū)動，對待測電磁閥進行自動測試，可直接通過自動判讀功能實現(xiàn)測試閥門響應(yīng)特性的輸出。通過數(shù)據(jù)庫可對歷次電磁閥的測試記錄可進行查詢和輸出。

　　圖3 通過自動判讀直接得到電磁閥的測試參數(shù)

測試系統(tǒng)對被測閥門進行控制并進行測試后，將測試結(jié)果等數(shù)據(jù)直接寫入數(shù)據(jù)庫，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、動作次數(shù)、測試電壓、測試單位（測試地點）、試驗狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)、載荷情況、測試日期以及被測閥門的產(chǎn)品信息。

電磁閥線圈電流特征曲線如圖3所示，其特征值分別為開啟時間、開啟電流、穩(wěn)態(tài)電流、關(guān)閉時間、關(guān)閉電流、開啟比、關(guān)閉比等。這些特征值通過軟件對數(shù)據(jù)進行判讀得到。

對于新采集到的測試數(shù)據(jù)或二次打開的測試數(shù)據(jù)，通過“自動判讀”功能，進行電磁閥測試曲線自動判讀的操作。由于閥門類型、測試狀態(tài)千差萬別，自動判讀可能出現(xiàn)誤判情況。軟件采用了基于人工智能技術(shù)的自動判讀算法，利用大量積累的歷史數(shù)據(jù)對各類閥門和測試工況下的測試結(jié)果進行分析學(xué)習(xí)，將分析結(jié)果作為相同條件測試對象的輔助判讀依據(jù)，從而大大提高了判讀準確性。并且隨著測試數(shù)據(jù)不斷積累，自動判讀的 準確性也會不斷提高。對于特殊情況下出現(xiàn)的誤判，軟件采用了手動判讀功能作為補充，通過人工輔助調(diào)整曲線特征點位置，保證判讀結(jié)果的正確性。

6. 結(jié)束語

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

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