基于LabVIEW的繼電器電壽命檢測系統

黃鮮鴿，景占榮

(1.西北工業大學軟件與微電子學院，西安 710072;2.西北工業大學電子信息學院，西安 710072)

1 引言

繼電器電壽命實驗是獲得繼電器電壽命指標的重要途徑。通過繼電器的電壽命實驗，不但可以獲得電壽命等重要指標，還有助于分析繼電器失效的原因，為改進產品設計提供重要依據。因此，繼電器電壽命實驗方法，標準以及實驗裝置的研究一直是國內外電器學術界的重要領域［1］。

該檢測系統介紹基于LabVIEW的繼電器電壽命測試控制技術，并在此基礎上研制了以工業控制計算機為中心的采集老練系統，測試繼電器觸點的工作性能，以滿足和提高工業上對繼電器質量的要求。

2 繼電器測控系統功能需求和實驗參數

根據當前電壽命試驗裝置的發展趨勢，提高設備的通用性，該繼電器壽命檢測系統可滿足對不同使用類型的繼電器進行電壽命試驗，檢測系統具有以下功能:①系統能應用于各種常用繼電器的不同工作方式，設置相應的接通與分斷的負載條件;②按照一定的頻率和通斷比對繼電器進行通斷控制，使繼電器在規定時間或規定次數內完成檢測循環;③對繼電器在不同老練階段的時間參數和觸點電壓實時進行測量，并保存測量數據;④分析采集到的數據，判斷繼電器的失效情況，顯示故障繼電器，報警或干預老練進程;⑤依據失效情況將檢測數據和故障信息生成報表，檢測結束后打印輸出;⑥檢測系統在時間允許的條件下，應能同時對100 路繼電器進行檢測，增加了其使用性能。主要技術參數:

·工作頻率:100KHz

·粘靈敏度:分別為80%、90%、95%的開路電壓，誤差為±2%，分辨率為0.01V

·斷靈敏度:有四檔0.01V～5.00V、0.01V～0.1V，誤差為±10%;0.11V～0.49V 誤差為±5%;0.5V～5V 誤差為±2%;分辨率為0.01V

·定時循環時間精度:±0.5%～30%;分辨率為0.1%

3 系統硬件設計

該檢測系統主要采取上位機、下位機主從式結構。系統硬件框架如圖1 所示。

下位機主要是對繼電器測試實驗中的數據實現硬件采集和緩存預處理，為了滿足這樣的要求，系統采集板由精密分壓電阻、限幅/分壓器、低通濾波器、100 路同步A/D 及控制、存儲電路、100 路定時/延時信號的雙穩及門限和基于FIFO的緩存及FPGA控制電路組成。100 路的繼電器預處理電壓和時間信號經精密電阻分壓來適應28V 和50v的繼電器電壓轉換，采集的信號經低通濾波器用作濾波、外推抗干擾預處理，以采樣率250KS/S 經AD 轉換之后，存入FIFO 緩存區，并從不同的通道傳輸到標準的地板上后，接口轉接板實現信號的匹配，并轉接PCI_RIO 接口轉接板和標準地板之間的信號通信。為了保護AD 芯片，在低通濾波器和AD 芯片之間接入限幅/分壓器。

圖1 系統硬件框圖

上位機包括臺灣研華610 型工業控制計算機和NI PCI_RIO 接口板。工業控制計算機是整個檢測實驗的輸入和輸出接口，并通過主機軟件與用戶交流，控制整個檢測試驗的運行。在上位機的硬件設計中，配置PCI_7811R的160 路數字IO 口實現PCI－局域總線之間的傳輸控制和采集控制，其內部PCI 接口配置的DMA 數字讀寫模式，實現主從機之間的高速雙向數據傳輸。

4 軟件設計

該繼電器電壽命檢測系統的軟件包括主機程序和FPGA 程序。

主機程序是繼電器電壽命檢測系統的核心［2］，它控制整個試驗過程的進行，并與用戶進行信息交互。通過軟件接口，用戶可向程序輸入測試參數，而主機程序向用戶返回檢測結果，故障警報等。主機軟件完成的任務主要有:①參數設置;②時序生成;③老練過程;④自檢/自校正;⑤實驗報表查閱與打印。

FPGA 程序在系統運行過程中，通過響應上位機的狀態控制信號完成對自身程序入口的接入。主要完成的任務有:①相關信號和數據的初始化;②通道選擇;③用于自檢的一次檢測窗寬度的數據采集;④觸點電壓量和測量時間數據采集;⑤驅動信號的生成等。

4.1 FPGA 數據采集的軟件實現

數據采集［3－4］(Data Acquisition)是所有測試測量的首要工作，試驗測試產生的物理信號通過傳感器轉換為電壓或者電流一類的電信號，然后通過數據采集卡將電信號采集傳入PC 機，借助軟件控制數據采集卡進行數據分析、處理。LabVIEW 以其簡便的程序編寫、不同數據采集卡的支持、強大的數據處理、友好的人機界面使其成為控制、開發數據采集卡的最佳軟件。

數據采集DAQ 模塊以讀寫控制框直接讀寫FPGA vi 變量，實現主機的FPGA 控制。采用8 通道同步采集AD 芯片，采樣率250ks/s，采集抽樣間隔為10us，系統要求每0.1ms 采16 點或者0.5ms 采64 點，8 路信號共采集128 或者512 點，FIFO 容量為16K，緩存每周期的采集數據0.8k/4k。每周期結束，預留死驅時間小于10ms，用于傳輸數據，并選擇下一次采集通道和故障模式。數據采集模塊軟件設計采用平鋪式順序結構，共4個幀框架，每個幀框架采用元素I/O 節點.vi，在I/O 節點.vi當中添加各輸入輸出信號，同時實現讀取和寫入操作，控制采集流程控制。

在檢測系統中，DAQ 連續采集數據并保存，間隔8個時鐘，才會將數據送入計算機處理。要滿足數據傳輸至主機之前，存儲的數據不會被新的數據覆蓋的要求，可以采用FIFO 緩沖區存儲數據來解決這個問題。FIFO 緩沖區輸入數據時，在指定的采樣頻率下，連續采樣點數是固定的，FIFO 緩沖區能保證A/D 轉換后的數據，依次填充到FIFO 緩沖區的各個單元格，不會造成采集周期內數據的覆蓋。但是在DAQ 采集任務開始時，必須將FIFO 緩沖區復位，清零。

數據采集LabVIEW 設計分為兩部分:采集驅動信號和數據傳輸存儲。

(1)生成驅動信號程序如圖2。在產生驅動信號的軟件設計時，For 循環次數依據采集點64/16 而定。啟動AD_START 信號，將13 塊采集板AD_END1…AD_END13 信號，即AD 轉換輸出信號接入FIFO Write.vi的DAQ_DMA_FIFO 屬性，作為FIFO 緩沖區的輸入信號。并依據I/O 節點中添加的AD_CS 片選信號，FIFO_WEN 讀使能，FIFO_WCLK 寫時鐘，FIFO_RCLK 讀時鐘，AD_RD 讀信號的邏輯真假邏輯順序產生驅動信號。繼續片選，啟動FIFO 寫使能。

圖2 驅動信號程序框圖

(2)嵌套兩個for 循環內和順序結構，依據片選信號AD_CS 選擇狀態跳變的繼電器，AD_CS/FIFO_WEN，保持0.5us的低電平，在FIFO_RCLK 高電平，FIFO_WCLK 低電平時，讀取AD 輸入信號;FIF0_WCLK 高電平，FIFO_RCLK 低電平，FIFO REN/OEN1…FIFO REN/OEN13，即FIFO 讀使能/輸出使能，保持0.5us 高電平，元素I/O 節點中D0…D13連接至DAQ_DMA_FIFO 屬性，實現數據輸出至FIFO 緩沖區。為了滿足將FIFO 緩沖區的數據傳輸至7811R 采集卡的設計要求，將FIFO REN/OEN1…FIFO REN/OEN13 在每老練周期結束后拉低5個0.1/0.5us 低電平的檢測窗口，在每個FIFO_RCLK的上升沿，將FIFO 中的數據D1…D13 傳輸至7811R 板卡上。

4.2 主機老練的軟件設計

老練過程如圖3 所示。老練過程是主機軟件的核心，通過對傳輸至主機的數據分析和處理，檢測繼電器的觸點電壓和測量時間的正常與否。在檢測過程當中，繼電器［5］觸點間的電壓高于(低于)閉合(分斷)時的電壓門限，認為繼電器發生斷故障(粘故障)。繼電器在規定的時間內，沒有閉合或者斷開，則認定繼電器發生延遲故障。

1)測量時間數據分析處理。主機在一個檢測周期結束時，讀取當前的FPGA的時間，獲取檢測路號，在一個檢測周期結束時，提取該路號的時間數據，并和計算定時循環精度得到的時間閾值比較分析，達到故障限的條件下，系統報出延時故障，在結束按鈕有效或本次循環次數到的條件下，刷新報表并發出系統警報。

圖3 老練過程流圖

測量時間算法步驟如下:

(1)檢測歷史故障。繼電器前一次定時故障結果采用邏輯非VI 函數與開啟繼電器路號邏輯與，檢測歷史故障信息，若無遍歷下一檢測路號，否則開啟本次定時檢測。

(2)計算檢測時間。當前FPGA時間數據t－t0檢測路號起始時間小于0為真，返回值T 隨機數，否則T為0。

(3)計算時間閾值。(t1 +1)× T1 和(－ t1 +1)×T1。t1為定時循環精度。T1為定時循環時間。

(4)比較分析。{T－［(t1 +1)×T1］}≥0 真假返回值與{T－［(－t1 +1)×T1］}≤0 真假返回值采用邏輯或，VI 函數為真則繼電器延遲故障，否則無故障。

2)觸點電壓數據分析處理。在檢測周期時間之內，啟動AD 轉換，檢測點為64/16 位，提取傳輸至主機的檢測路號觸點壓降之和，減去最大值和最小值，平均剩余數據，平均值和粘故障閾值Vz≤{95%，90%，80%}*u(電源電壓)、斷故障閾值Vd≥(0.01V～5V)比較，滿足其一，達到故障限，則為粘故障或斷故障，等待結束按鈕響應或者本次循環結束，刷新報表同時發出故障警報。

算法步驟如下:

(1)拆分數據數組。將觸點數據采用拆分一維數組VI 函數在索引位置64/16 分為兩個子數組D1和D2。D1為64/16 位置之前的數據數組，D2為64/16 位置之后64/16個檢測點的數據數組。并將D2依據抽取一維數組分為8個奇偶輸出數組m0…m8。

(2)求電壓平均值。采用for 循環結構依次將m0…m8 數組數據輸出至數組子集VI 函數并求和為D，采用數組最大值和最小值VI 函數，提取數組子集VI 函數的最大值和最小值并求和D0，D－D0除以64/16 求取電壓的平均值D。

基于LabVIEW的數據采集和老練過程軟件設計，方式靈活，極大地降低了開發難度，系統運行的可靠性和算法執行效率都比較理想。

5 結束語

介紹的這款基于繼電器電壽命測控系統，用戶通過設置工作方式，選擇繼電器路號，對繼電器閉合及分斷壓降和測量時間進行實時檢測。依據失效原理分析故障原因，為提高繼電器質量，改進產品設計提供重要的參考依據。采用虛擬儀器LabVIEW 工具開發軟件，降低了開發難度，分級的模塊結構，提高了系統的靈活性和擴展性。

［1］聯立輝，張陸，杜太行，等.電機負載的繼電器電壽命試驗條件的研究［J］.機床電器，2002，3(3):10－14.

［2］杜太行，侯全山，張勇，等.基于LabVIEW的交流負載繼電器電壽命試驗系統測控技術［J］.檢測技術，2008，21(4):48－51.

［3］關旭，張春梅，王尚錦.虛擬儀器軟件LabVIEW 和數據采集［J］.微機發展，2004，14(3):77－79.

［4］陳敏，湯曉安.虛擬儀器軟件LabVIEW 和數據采集［J］.小型微型計算機統，2004，22(4):501－503.

［5］張又衡，王珂，楊玉強.車載繼電器電壽命綜合平臺［D］.長春:吉林大學，2007.