关键词：交流接触器;数据采集;计算机总线;虚拟仪器;动态链接库
1 引言
交流接触器是一种量大、面广的低压电器产品，广泛应用于电力系统和控制系统，因此提高其质量与可靠性至关重要。
接触器的合闸力及分闸力除弹簧外还有电磁铁吸力，合闸时电磁铁的吸力与合闸相角有关，是随机的;分闸时电磁铁吸力与激磁电流相角有关，也是随机的。在触点接通的瞬间因机械原因产生一些弹跳，而因弹跳产生瞬间多次分合，导致接触器实际工作情况恶劣。对控制电容器的专用接触器，由于接通时触头运动速度的随机性造成不同相触头接触时间差的随机性，导致无法控制接通电容器的冲击电流大小，所以对这种接触器在吸合时间一致性方面要求更为严格。
检测接触器触头分合过程时通常采用步进电机来推动触头动作，触头的整个分合过程是靠步进电机的推动来完成;触头从分到合的位移也是靠对步进电机的步进脉冲计数得到的。这种检测属于静态检测，无法真实反应接触器的整个吸合过程，更无法检测触头在实际工作时的弹跳变化及各个触头的实际吸和时间差。为了保证接触器的工作可靠性，有必要开发一种记录接触器实际工作时的触头吸合释放过程的数据采集系统，以此来评价接触器的性能。
2 系统硬件及工作原理
为了实现对高速瞬变信号的采样以便于分辨交流接触器触点接通时的弹跳过程及触头的接通顺序，在原有基础上设计了一种基于PC机ISA总线、同步时钟、用硬件电路实现高速数据同步采集、高速寻址以及实时存储的技术方案。该方案主要由四部分组成：PC机总线接口电路、高速数字信号采集存储电路、I/O接口电路、接触器供电回路。其硬件系统结构框图如图1所示。
图1 硬件系统结构框图
2.1 PC机总线接口电路
本系统采用研华的工业控制计算机，利用其ISA（Industry Standard Architecture，工业标准架构）总线对外部寻址。ISA总线采用8位模式，它的最大数据传输率为8MBps，便于与外部硬件接口，其性能足够满足数据采集设备的要求，而且技术成熟、便于开发。ISA总线共分五类：地址线、数据线、控制线、辅助与电源线。前256个I/O端口地址（0x00H-0xFFH）既可以被固定I/O指令，也可以被可变I/O指令访问，但处于0x0100H-0xFFFFH的任何I/O地址都只能被可变I/O地址访问。在PC机中，所有的16位地址总线被译为在0x0000H-0x03XXH中的地址用于ISA总线的PC机内部I/O地址。
PC机的ISA总线经过了总线收发及地址译码电路，提供给数据采集设备的寻址范围为0x300H—0x31BH。PC机总线接口电路如图2所示，当PC机要访问某一地址时，由两片GAL16V8译码读写、使能信号，选通总线收发器74HC245以流通8位数据位。
图2 PC机总线接口电路
2.2 高速数字信号采集存储电路
高速数字信号采集存储电路的原理如图3所示，它由数据收发及控制电路、频率发生器、地址发生器、数据读写信号译码、采样逻辑切换、地址锁存、数据存储、存储采样数据逻辑切换等几部分组成。主要技术指标有：16通道数字信号采集、采样率625KHz、存储深度64Ksa/CH、最大采样点数65536、最大采样存储时间100ms。
数据收发及控制电路由总线收发器、GAL译码器和并行接口芯片8255组成，完成SRAM中的数据读取及电路控制功能。
频率发生器由晶振、可予制四位二进制异步清除计数器74HC161组成，采样率由计数器74HC16将10MHz振荡源16倍频后得到，即系统采样频率为625KHz。它的输出由采样逻辑切换电路控制，输出时钟分别送往地址发生器、数据读写信号译码器。
16位地址发生器由4片74HC161级联成16位同步记数器产生，记数器每接收一个脉冲产生一个地址。产生的地址送往地址锁存电路中用于数据写入SRAM中的地址位，还被送往采样逻辑切换电路中用于控制采样存储深度。
图3 高速数字信号采集存储电路原理图
数据读写信号译码用于产生数据存储芯片SRAM的读写及片选信号、存储采样数据逻辑切换电路的控制信号，它由GAL16V8 译码得到。
采样逻辑切换电路由双D触发器74HC74、8位数据比较器74HC688、锁存器74HC374组成，用于控制采样启动、停止。由74LS688比较器比较预设地址和地址发生器的地址位，如果比较器比较地址位相等，则输出停止信号，启动信号由控制双D触发器产生。
地址锁存电路主要是用于锁存存储器SRAM在读和写两个不同的状态下的地址。在写SRAM时锁存地址发生器产生的地址，在读SRAM时锁存数据收发及控制电路中8255产生的地址位。
数据存储采用两片存储容量为1MB的SRAM HM628128，构成16通道数字信号采集。SRAM的写信号产生是一个难点，图4中给出了产生写信号的时序逻辑图，其中CLK信号为晶振源，Q1、Q2、Q3为晶振源的4倍频、8倍频、16倍频信号，TC为16位地址发生器的记数脉冲，MWR为数据采样的请求信号，RAMWR为SRAM的写信号。逻辑表达式为：!RAMWR = （!Q3 & Q2） & !MWR。
图4 SRAM写信号时序逻辑图
存储采样数据逻辑切换电路主要完成读写SRAM的数据总线切换功能，在采集数据时用总线收发器切换到数据输入端，读取SRAM的数据时切换给数据收发及控制电路的数据总线端，以供计算机读入存储器中的采样数据。
2.3 I/O接口电路和接触器供电回路
数据采集检测系统对交流接触器进行动态吸合过程实验、吸合实验、释放实验过程中，需要为交流接触器线圈提供额定电压范围内的各种电压值，并在自动检测时依据实验项目进行电压切换。系统由数据采集存储电路中引出的I/O信号，经过光电隔离电路后作为接触器供电回路的控制信号。
3 系统软件及设计概述
系统软件的主要功能是为用户提供一个良好的操作环境，及时响应用户的命令。整个软件构成如图5所示，它由用户操作界面、硬件驱动程序、数据管理三部分组成。
图5 软件系统构成
LabVIEW（Laboratory of Virtual Instruments Engineering Workbench）是美国国家仪器公司NI（National Instruments）推出的32位标准虚拟仪器开发平台。它是一套专门为数据与仪器控制、数据分析与数据表达而设计的图形化编程环境，同时是基于图形化编程语言（G-Language）的全新编程方法。其具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、仪器控制、数据分析、信号处理、数据显示及数据存储等功能，并且提供强大的数学分析库，涵盖统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，因此在包括航空、航天、通信、汽车和医学等众多领域里已得到了广泛的应用。
在软件系统设计中正是利用LabVIEW功能强大的图形化编程，快速建立了用户操作界面及测试、测量和控制应用程序。但LabVIEW也存在不足，如不擅长处理大量数据的任务、实现底层操作能力不强等。为此采用在Visual C++环境下编写对硬件设备访问的驱动程序，汇编成动态链接库DLL函数供LabVIEW图形化编程语言调用。在数据管理方面由数据库专业软件SQL SERVER与LabVIEW编程互相接口来进行数据交换，完成数据存储、查询、调用、报表生成及打印等功能。
4 数据采集系统实验
数据采集检测设备对交流接触器设置了动态吸合过程实验、吸合实验、释放实验等，软件的分项测试界面如图6所示，本界面中可以自行设定实验参数以进行各种实验。
图6 数据采集分项测试界面
动态吸合过程实验检测接触器各触头的接通顺序，在接触器通电吸合时同步采样触点状态，分析比较各触点的实际弹跳、接通时间，在作为生产检测设备时可设定各触头的接通顺序及最小时间差来判定接触器是否合格。接触器吸和、释放实验是检验在不同接触器线圈供电电压下的工作状态。
利用LabVIEW软件强大的数据处理、显示功能，在用户界面上设计了接触器触点波形显示，图7给出了动态吸合过程实验的一组数据波形。在此波形中可以明显观察出触点的接通顺序及弹跳过程。
图7 动态吸和过程实验波形
5 结语
基于总线的数据采集与存储系统，具有可靠而易于实现、经济等优点，得到了广泛的应用。经过了实验与探索设计的数据采集卡与现有的ISA总线计算机系统构成低成本的硬件平台，并利用LabVIEW这一强大的图形化开发环境及VC++环境下编写的硬件驱动程序开发了软件系统，实现高速瞬变信号的实时采样，并对交流接触器触头吸合过程进行了数据分析处理。
本文作者创新点：提出了以触头接触时的弹跳变化及各触头接通时的时间差为检验接触器动作可靠性的技术指标。
参考文献：
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