摘 要：本文結合數據采集系統實現及LabVIEW的應用，設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的基本原理、設計思想、實現方法以及虛擬儀器開發的相關技術。經實驗測試表明，所研制的數據采集系統能對交流接觸器觸頭實際動作過程進行實時采樣及數據分析，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指標。 關鍵詞：交流接觸器;數據采集;計算機總線;虛擬儀器;動態鏈接庫 1 引言 　　交流接觸器是一種量大、面廣的低壓電器產品，廣泛應用于電力系統和控制系統，因此提高其質量與可靠性至關重要。 　　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，是隨機的;分閘時電磁鐵吸力與激磁電流相角有關，也是隨機的。在觸點接通的瞬間因機械原因產生一些彈跳，而因彈跳產生瞬間多次分合，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得到的。這種檢測屬于靜態檢測，無法真實反應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，有必要開發一種記錄接觸器實際工作時的觸頭吸合釋放過程的數據采集系統，以此來評價接觸器的性能。 2 系統硬件及工作原理 　　為了實現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，在原有基礎上設計了一種基于PC機ISA總線、同步時鐘、用硬件電路實現高速數據同步采集、高速尋址以及實時存儲的技術方案。該方案主要由四部分組成：PC機總線接口電路、高速數字信號采集存儲電路、I/O接口電路、接觸器供電回路。其硬件系統結構框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 硬件系統結構框圖[/align] 　　2.1 PC機總線接口電路 　　本系統采用研華的工業控制計算機，利用其ISA（Industry Standard Architecture，工業標準架構）總線對外部尋址。ISA總線采用8位模式，它的最大數據傳輸率為8MBps，便于與外部硬件接口，其性能足夠滿足數據采集設備的要求，而且技術成熟、便于開發。ISA總線共分五類：地址線、數據線、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機內部I/O地址。 　　PC機的ISA總線經過了總線收發及地址譯碼電路，提供給數據采集設備的尋址范圍為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，選通總線收發器74HC245以流通8位數據位。 [align=center] 圖2 PC機總線接口電路[/align] 　　2.2 高速數字信號采集存儲電路 　　高速數字信號采集存儲電路的原理如圖3所示，它由數據收發及控制電路、頻率發生器、地址發生器、數據讀寫信號譯碼、采樣邏輯切換、地址鎖存、數據存儲、存儲采樣數據邏輯切換等幾部分組成。主要技術指標有：16通道數字信號采集、采樣率625KHz、存儲深度64Ksa/CH、最大采樣點數65536、最大采樣存儲時間100ms。 　　數據收發及控制電路由總線收發器、GAL譯碼器和并行接口芯片8255組成，完成SRAM中的數據讀取及電路控制功能。 　　頻率發生器由晶振、可予制四位二進制異步清除計數器74HC161組成，采樣率由計數器74HC16將10MHz振蕩源16倍頻后得到，即系統采樣頻率為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生器、數據讀寫信號譯碼器。 　　16位地址發生器由4片74HC161級聯成16位同步記數器產生，記數器每接收一個脈沖產生一個地址。產生的地址送往地址鎖存電路中用于數據寫入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 高速數字信號采集存儲電路原理圖[/align] 　　數據讀寫信號譯碼用于產生數據存儲芯片SRAM的讀寫及片選信號、存儲采樣數據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觸發器74HC74、8位數據比較器74HC688、鎖存器74HC374組成，用于控制采樣啟動、停止。由74LS688比較器比較預設地址和地址發生器的地址位，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觸發器產生。 　　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下的地址。在寫SRAM時鎖存地址發生器產生的地址，在讀SRAM時鎖存數據收發及控制電路中8255產生的地址位。 　　數據存儲采用兩片存儲容量為1MB的SRAM HM628128，構成16通道數字信號采集。SRAM的寫信號產生是一個難點，圖4中給出了產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位地址發生器的記數脈沖，MWR為數據采樣的請求信號，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] 　　存儲采樣數據邏輯切換電路主要完成讀寫SRAM的數據總線切換功能，在采集數據時用總線收發器切換到數據輸入端，讀取SRAM的數據時切換給數據收發及控制電路的數據總線端，以供計算機讀入存儲器中的采樣數據。 　　2.3 I/O接口電路和接觸器供電回路 　　數據采集檢測系統對交流接觸器進行動態吸合過程實驗、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的各種電壓值，并在自動檢測時依據實驗項目進行電壓切換。系統由數據采集存儲電路中引出的I/O信號，經過光電隔離電路后作為接觸器供電回路的控制信號。 3 系統軟件及設計概述 　　系統軟件的主要功能是為用戶提供一個良好的操作環境，及時響應用戶的命令。整個軟件構成如圖5所示，它由用戶操作界面、硬件驅動程序、數據管理三部分組成。 [align=center] 圖5 軟件系統構成[/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平臺。它是一套專門為數據與儀器控制、數據分析與數據表達而設計的圖形化編程環境，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、功能強大的函數庫，包括數據采集、GPIB、儀器控制、數據分析、信號處理、數據顯示及數據存儲等功能，并且提供強大的數學分析庫，涵蓋統計、估計、回歸分析、線性代數、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學領域，因此在包括航空、航天、通信、汽車和醫學等眾多領域里已得到了廣泛的應用。 　　在軟件系統設計中正是利用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、測量和控制應用程序。但LabVIEW也存在不足，如不擅長處理大量數據的任務、實現底層操作能力不強等。為此采用在Visual C++環境下編寫對硬件設備訪問的驅動程序，匯編成動態鏈接庫DLL函數供LabVIEW圖形化編程語言調用。在數據管理方面由數據庫專業軟件SQL SERVER與LabVIEW編程互相接口來進行數據交換，完成數據存儲、查詢、調用、報表生成及打印等功能。 4 數據采集系統實驗 　　數據采集檢測設備對交流接觸器設置了動態吸合過程實驗、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定實驗參數以進行各種實驗。 [align=center] 圖6 數據采集分項測試界面[/align] 　　動態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，分析比較各觸點的實際彈跳、接通時間，在作為生產檢測設備時可設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。 　　利用LabVIEW軟件強大的數據處理、顯示功能，在用戶界面上設計了接觸器觸點波形顯示，圖7給出了動態吸合過程實驗的一組數據波形。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 動態吸和過程實驗波形[/align] 5 結語 　　基于總線的數據采集與存儲系統，具有可靠而易于實現、經濟等優點，得到了廣泛的應用。經過了實驗與探索設計的數據采集卡與現有的ISA總線計算機系統構成低成本的硬件平臺，并利用LabVIEW這一強大的圖形化開發環境及VC++環境下編寫的硬件驅動程序開發了軟件系統，實現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據分析處理。 　　本文作者創新點：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指標。 參考文獻： 　　[1] 費鴻俊,張冠生.電磁機構動態分析與計算[M].北京:機械工業出版社,1993. 　　[2] 李興文,陳德桂,孫志強,李志鵬,紐春萍. 交流接觸器動態過程及觸頭彈跳的數值分析與實驗研究[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數據采集卡的驅動. 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. 福州大學學報（自然科學版） ,2005,（04）