基于LabVIEW的電子變壓器數據采集系統設計

薛勤

（珠海科德電子有限公司，廣東 珠海 519055）

電子變壓器是一種將市電的交變電壓轉變為直流電壓，通過半導體開關器件以及其他電子元件和高頻變壓器繞組構成的高頻交流電壓輸出裝置，具有體積小，重量輕等優點，被廣泛用在各種電器中（如作為鎢絲燈用轉換器等）。在電子變壓器的生產過程中，功能測試是必不可少的測試環節。傳統測試方法是用時間繼電器進行狀態切換，使電子變壓器處于最大負載、短路、最小負載等不同狀態，通過示波器觀察輸出波形形狀與數據，人工判斷結果是否符合要求。作為傳統測量儀器有些參數是無法定量測出的，如短路恢復啟動時間、輸出波形非對稱性、輸出波形峰值頻率等動態特性。隨著科學技術的不斷發展，虛擬儀器的出現，使這些問題的解決成為可能。虛擬儀器（Virtual Instrument）是指以通用計算機作為核心的硬件平臺，配以相應測試功能的硬件作為信號輸入/輸出的接口，利用儀器軟件開發平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應的功能[1]。LabVIEW （Laboratory VirtualInstrumentation Engineering Workbench）是一種業界領先的工業標準圖形化編程工具，專門為工程師和科學家而設計的直觀圖形化編程語言，主要用于開發測試、測量與控制系統。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，以形成用戶自定義的解決方案[2]。基于LabVIEW的軟件技術，設計出新型電子變壓器數據采集系統。

1 系統組成

整個測試系統如圖1所示，由工業電腦與數據采集控制卡、交流穩壓電源、繼電器組、DUT（DeviceUnder Test）夾具模塊、無感電阻負載組、PASS標志器組成。數據采集及狀態控制采用 PCI-4070、PCI-6519。交流穩壓電源為產品提供穩定供電電壓；繼電器組用來執行電源供給、負載狀態變換等開關動作；DUT夾具模塊用于被測產品與測試系統連接，每種型號的被測產品有其對應型號的DUT夾具模塊。根據不同容量的電子變壓器其負載各不相同，選用不同阻值無感電阻作為其負載，滿足測試穩定性要求。PASS標志器用于標識合格產品。

圖1 系統硬件框圖

2 硬件設計

2.1 數據采集與控制

數據采集卡選用 NI（National Instrument）PCI-4070。PCI-4070是一款6 1/2位的高精度數字萬用表（DMM）。NI獨有的FlexDMM技術使得NI PCI-4070也能作為完全隔離的高電壓數字化儀，在±300 V電壓輸入、采樣率達1.8 MS/s的條件下進行波形采集。通過LabVIEW軟件中的分析函數，能在時域和頻域中對采集到的波形進行分析[3]，恰好滿足測試條件。

狀態轉換控制選用NI PCI-6519。PCI-6519板卡提供了16路光學隔離的漏極/源極輸入通道，以及16路漏極輸出通道[4]。P<0..1>.<0..7>為輸入通道，P<2..3>.<0..7>為輸出通道。外部接線如圖2所示。圖中S0為系統啟動開關；S1為夾具中的測試探針板行程位置開關；YV1為驅動測試探針板氣缸控制電磁閥；K1為電源供應控制繼電器；K2、K3、K4、K5為負載狀態變換控制繼電器；YV2為驅動PASS標志器氣缸控制電磁閥。

圖2 系統狀態控制接線圖

2.2 系統主電路

系統主電路如圖3所示。通常最大負載分別為60 W、70 W、105 W的電子變壓器，其對應的最小負載分別為10 W、20 W、20 W。選擇電阻值R3=14.4 Ω的無感電阻始終連接在電子變壓器的輸出端。用繼電器的動合觸點K2、K3、K4做負載變換，K5為短路開關。其中R1=2.88 Ω對應于50 W負載，R2=4.1 Ω對應于35 W負載。工作原理如下：當以上所有繼電器觸點處于斷開狀態，負載為10 W；當僅有K4閉合時，負載為20 W；當僅有K2閉合時，負載為 60 W；當 K4、K2閉合時，負載為 70 W；當 K2、K3、K4 閉合時，負載為105 W。繼電器的動合觸點K1為電源開關。

圖3 系統主電路

3 軟件設計

系統軟件基于LabVIEW的標準狀態機設計模式，LabVIEW程序同樣也稱為虛擬儀器（VI）。根據電子變壓器型號不同，測試項目有所差異，現以ET60型電子變壓器為例，程序流程如圖4所示。需要測試如下狀態的各項參數：

（1）U1為最大負載狀況下的電子變壓器輸出電壓，F1為輸出頻率，UoU1（Unbalance of U1）為輸出波形非對稱性；

（2）U2為短路狀況下的電子變壓器輸出電壓；

（3）T為短路恢復啟動時間；

（4）U3為最小負載狀況下的電子變壓器輸出電壓，UoU3為輸出波形非對稱性。

圖4 程序流程圖

3.1 流程簡要說明

首次打開的虛擬儀器前面板如圖5所示，界面主要由五個部分組成：產品型號選擇菜單、測試數據顯示、測試結果顯示（首次打開未測試處于隱含狀態）、測試波形顯示、測試數量統計顯示。點擊菜單，選擇需要測試的產品型號ET60，再點擊左上角運行按鈕，系統首先進入初始化，從Excel表格中載入ET60各參數的規格限值，開始循環檢測PCI-6519輸入通道P0.0腳電位。將被測產品放入測試夾具中，合上蓋板，蓋板上的凸塊觸動啟動開關S0，此時P0.0=1，系統進入采集過程。系統將P2.0、P2.2置1，即驅動測試探針板氣缸 （簡稱測試氣缸），將60 W負載與被測產品連接，隨后開始循環檢測P0.6腳電位。當P0.6=1表明探針與被測產品連接完成，可以給產品加電。同時測試氣缸將蓋板閉鎖，防止在測試過程中意外打開蓋板。如果1 s之內未能檢測到P0.6=1，跳出采集過程，提示系統故障。

3.2 頻率測試

作為重要測試指標的電子變壓器輸出頻率，指的是輸出波形幅值最大處的頻率。傳統示波器很難捕捉到此頻率，而虛擬儀器是通過采集波形數據，然后對數據進行分析，可以得到準確頻率。當電子變壓器輸出頻率低于設定范圍，會造成燈的閃爍、延時點亮等現象；而輸出頻率高于設定范圍時，產品產生的干擾量值超標。這里用到LabVIEW的提取單頻信息VI[5]。當頻率測試在限值內，繼續進行其他項目測試，否則跳出采集過程，提示產品頻率不良。

3.3 輸出波形非對稱性測試

理想的電子變壓器輸出波形是上下對稱，即波形的峰值等于波形谷值的絕對值。然而由于電子元器件的參數差異，導致輸出波形存在非對稱。這里用到LabVIEW的幅值和電平VI，測試原理：峰值與谷值相加得到差值，如果差值不小于零，用差值除以峰值，得到的商不大于12.5%，判定為合格，否則判定為不合格。若差值小于零，用差值除以谷值，得到的商不大于12.5%，判定為合格，否則判定為不合格。測試程序如圖6所示。

圖6 輸出波形非對稱性測試程序

3.4 短路恢復啟動時間測試

短路恢復啟動時間，是指短路狀態消除到電子變壓器可以正常工作的時間。要求產品在規定的時間內完成啟動狀態轉換。采用LabVIEW的For循環檢測電子變壓器輸出電壓，并與設定值進行比較。這里設定值為額定輸出電壓的90%。在規定的循環次數 （對應規定的時間）內達到或超過設定值測試合格，否則測試失敗。

3.5 程序發布

將生成的ET TEST獨立應用程序及安裝程序復制到目標機，運行安裝程序，產生Measurement&Automation Explorer、NI-DMM 設備驅動、NI-DAQmx 設備驅動、LabVEIW運行引擎。建立被測產品的數據存放文件夾，用于測試數據的存放。

應用LabVIEW軟件技術，可成功完成電子變壓器動態性能的測試。本采集系統自動化程度較高，易于操控，通過選擇被測產品型號，系統自動匹配負載電阻，自動生成數據報告，自動標識合格產品。系統擴展性較好，當有新產品需要測試時，僅需制作新的DUT夾具模塊，在Excel表中添加新的產品型號及相應的規格限值，就可在系統中看到新的、被加入的產品型號，即可實現對新的電子變壓器的數據采集。

[1]陸綺榮.基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建 [M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.2程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]National Instruments Corporation.[EB/OL].http：//sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/12933.

[4]NationalInstrumentsCorporation.NI651x用戶手冊（372172B-0118）[M].ni.com/china，March 2010.

[5]2005-2009 National Instruments Corporation.LabVIEWTM幫助（371361F-0118）[M].ni.com， June 2009.