基于CPCI總線的便攜式電磁閥測試設備設計

1. 前言

??? 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特性，傳統的測試設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備。

??? CompactPCI簡稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國際PICMG協會于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成本。其整體機構緊湊，安裝牢固，適應各種運輸條件，可靠性高。各功能板采用CPCI總線的模塊化結構，插拔十分安全方便，特別適合本系統的多種型號測試對象和多種測試工況的要求。

??? 2. 設計要求

??? (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、脈寬、間隔均可調。次數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.? 測試原理和系統組成

??? 電磁閥測試原理如圖1所示。測試電阻串聯在電磁閥回路中，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換成0-5伏之間的電壓信號輸入A/D板中轉換為數字量。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測試精度。

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??? 圖1 電磁閥測試原理圖

?? 系統組成見圖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，可以通過外掛光驅進行系統安裝，平時的數據輸入輸出通過USB接口和網絡接口進行。

??? 控制板和采樣板通過備份板的設計來適應不同類型的閥門，測試設備的測試接口、采樣電路、測試軟件均應采用組態化設計思路，根據不同的測試對象組合出不同的測試狀態。設6個數據采集通道，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應該相同（均為正端控制或均為負端控制）。

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??? 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，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，電源參數可由用戶自定。

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

??? 轉接電纜：對應不同的閥門接插件配備不同的測試電纜，電纜的設備端采用通用接口。

??? 4. 硬件設計

??? 采樣模塊：根據測試對象不同配備不同的采樣電阻和泄放電阻，本檢測儀中設計的4種不同組合的采樣板。采樣板的尺寸結構與CPCI總線的3U板卡相同，嵌入主機機箱內，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A/D接口和閥門接口，每個回路設計電流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，驅動固態繼電器控制被測閥門，該控制驅動板可以根據主計算機的指令確定正負端控制方式。驅動板的尺寸結構與CPCI總線的3U板卡相同，嵌入主機機箱內，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6路12只固態繼電器（分別控制6路正端和6路負端），控制電流10A以上，每路設易拆裝的8A保險絲，面板上每路有發光二極管顯示工作狀態；控制板與采樣板相連的電纜可設于機箱內部連接，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：對應不同的閥門接插件配備不同的測試電纜，電纜的設備端采用通用接口。

??? 5. 軟件設計

??? 采用通用C++編寫的電磁閥測試軟件，后臺數據庫采用ACCESS數據庫。設置測試信息之后，通過對設計硬件的驅動，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測試閥門響應特性的輸出。通過數據庫可對歷次電磁閥的測試記錄可進行查詢和輸出。

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??? 圖3 通過自動判讀直接得到電磁閥的測試參數

??? 測試系統對被測閥門進行控制并進行測試后，將測試結果等數據直接寫入數據庫，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、測試電壓、測試單位（測試地點）、試驗狀態、產品狀態、載荷情況、測試日期以及被測閥門的產品信息。

??? 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、穩態電流、關閉時間、關閉電流、開啟比、關閉比等。這些特征值通過軟件對數據進行判讀得到。

??? 對于新采集到的測試數據或二次打開的測試數據，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、測試狀態千差萬別，自動判讀可能出現誤判情況。軟件采用了基于人工智能技術的自動判讀算法，利用大量積累的歷史數據對各類閥門和測試工況下的測試結果進行分析學習，將分析結果作為相同條件測試對象的輔助判讀依據，從而大大提高了判讀準確性。并且隨著測試數據不斷積累，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，通過人工輔助調整曲線特征點位置，保證判讀結果的正確性。

??? 6.? 結束語

??? 本論文的創新點是：應用CPCI總線技術成功地實現了便攜式電磁閥檢測儀的設計，該系統研制成功之后，與同等功能的傳統測試系統相比，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；該應用實現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，可實現良好的擴充性。