基于LabVIEW的電子變壓器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海ㄟ^半導(dǎo)體開關(guān)器件以及其他電子元件和高頻變壓器繞組構(gòu)成的高頻交流電壓輸出裝置，具有體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用在各種電器中（如作為鎢絲燈用轉(zhuǎn)換器等）。在電子變壓器的生產(chǎn)過程中，功能測試是必不可少的測試環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)測試方法是用時間繼電器進(jìn)行狀態(tài)切換，使電子變壓器處于最大負(fù)載、短路、最小負(fù)載等不同狀態(tài)，通過示波器觀察輸出波形形狀與數(shù)據(jù)，人工判斷結(jié)果是否符合要求。作為傳統(tǒng)測量儀器有些參數(shù)是無法定量測出的，如短路恢復(fù)啟動時間、輸出波形非對稱性、輸出波形峰值頻率等動態(tài)特性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器的出現(xiàn)，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(jī)作為核心的硬件平臺，配以相應(yīng)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(fā)平臺在計算機(jī)的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)的功能[1]。LabVIEW （Laboratory VirtualInstrumentation Engineering Workbench）是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計的直觀圖形化編程語言，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案[2]?；贚abVIEW的軟件技術(shù)，設(shè)計出新型電子變壓器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

整個測試系統(tǒng)如圖1所示，由工業(yè)電腦與數(shù)據(jù)采集控制卡、交流穩(wěn)壓電源、繼電器組、DUT（DeviceUnder Test）夾具模塊、無感電阻負(fù)載組、PASS標(biāo)志器組成。數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)控制采用 PCI-4070、PCI-6519。交流穩(wěn)壓電源為產(chǎn)品提供穩(wěn)定供電電壓；繼電器組用來執(zhí)行電源供給、負(fù)載狀態(tài)變換等開關(guān)動作；DUT夾具模塊用于被測產(chǎn)品與測試系統(tǒng)連接，每種型號的被測產(chǎn)品有其對應(yīng)型號的DUT夾具模塊。根據(jù)不同容量的電子變壓器其負(fù)載各不相同，選用不同阻值無感電阻作為其負(fù)載，滿足測試穩(wěn)定性要求。PASS標(biāo)志器用于標(biāo)識合格產(chǎn)品。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集與控制

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

狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制選用NI PCI-6519。PCI-6519板卡提供了16路光學(xué)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(tǒng)啟動開關(guān)；S1為夾具中的測試探針板行程位置開關(guān)；YV1為驅(qū)動測試探針板氣缸控制電磁閥；K1為電源供應(yīng)控制繼電器；K2、K3、K4、K5為負(fù)載狀態(tài)變換控制繼電器；YV2為驅(qū)動PASS標(biāo)志器氣缸控制電磁閥。

圖2 系統(tǒng)狀態(tài)控制接線圖

2.2 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主電路如圖3所示。通常最大負(fù)載分別為60 W、70 W、105 W的電子變壓器，其對應(yīng)的最小負(fù)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(diǎn)K2、K3、K4做負(fù)載變換，K5為短路開關(guān)。其中R1=2.88 Ω對應(yīng)于50 W負(fù)載，R2=4.1 Ω對應(yīng)于35 W負(fù)載。工作原理如下：當(dāng)以上所有繼電器觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，負(fù)載為10 W；當(dāng)僅有K4閉合時，負(fù)載為20 W；當(dāng)僅有K2閉合時，負(fù)載為 60 W；當(dāng) K4、K2閉合時，負(fù)載為 70 W；當(dāng) K2、K3、K4 閉合時，負(fù)載為105 W。繼電器的動合觸點(diǎn)K1為電源開關(guān)。

圖3 系統(tǒng)主電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式，LabVIEW程序同樣也稱為虛擬儀器（VI）。根據(jù)電子變壓器型號不同，測試項目有所差異，現(xiàn)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(tài)的各項參數(shù)：

（1）U1為最大負(fù)載狀況下的電子變壓器輸出電壓，F(xiàn)1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(fù)啟動時間；

（4）U3為最小負(fù)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(chǎn)品型號選擇菜單、測試數(shù)據(jù)顯示、測試結(jié)果顯示（首次打開未測試處于隱含狀態(tài)）、測試波形顯示、測試數(shù)量統(tǒng)計顯示。點(diǎn)擊菜單，選擇需要測試的產(chǎn)品型號ET60，再點(diǎn)擊左上角運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化，從Excel表格中載入ET60各參數(shù)的規(guī)格限值，開始循環(huán)檢測PCI-6519輸入通道P0.0腳電位。將被測產(chǎn)品放入測試夾具中，合上蓋板，蓋板上的凸塊觸動啟動開關(guān)S0，此時P0.0=1，系統(tǒng)進(jìn)入采集過程。系統(tǒng)將P2.0、P2.2置1，即驅(qū)動測試探針板氣缸 （簡稱測試氣缸），將60 W負(fù)載與被測產(chǎn)品連接，隨后開始循環(huán)檢測P0.6腳電位。當(dāng)P0.6=1表明探針與被測產(chǎn)品連接完成，可以給產(chǎn)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(nèi)未能檢測到P0.6=1，跳出采集過程，提示系統(tǒng)故障。

3.2 頻率測試

作為重要測試指標(biāo)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(tǒng)示波器很難捕捉到此頻率，而虛擬儀器是通過采集波形數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到準(zhǔn)確頻率。當(dāng)電子變壓器輸出頻率低于設(shè)定范圍，會造成燈的閃爍、延時點(diǎn)亮等現(xiàn)象；而輸出頻率高于設(shè)定范圍時，產(chǎn)品產(chǎn)生的干擾量值超標(biāo)。這里用到LabVIEW的提取單頻信息VI[5]。當(dāng)頻率測試在限值內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行其他項目測試，否則跳出采集過程，提示產(chǎn)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(shù)差異，導(dǎo)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(fù)啟動時間測試

短路恢復(fù)啟動時間，是指短路狀態(tài)消除到電子變壓器可以正常工作的時間。要求產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)完成啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)換。采用LabVIEW的For循環(huán)檢測電子變壓器輸出電壓，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。這里設(shè)定值為額定輸出電壓的90%。在規(guī)定的循環(huán)次數(shù) （對應(yīng)規(guī)定的時間）內(nèi)達(dá)到或超過設(shè)定值測試合格，否則測試失敗。

3.5 程序發(fā)布

將生成的ET TEST獨(dú)立應(yīng)用程序及安裝程序復(fù)制到目標(biāo)機(jī)，運(yùn)行安裝程序，產(chǎn)生Measurement&Automation Explorer、NI-DMM 設(shè)備驅(qū)動、NI-DAQmx 設(shè)備驅(qū)動、LabVEIW運(yùn)行引擎。建立被測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存放文件夾，用于測試數(shù)據(jù)的存放。

應(yīng)用LabVIEW軟件技術(shù)，可成功完成電子變壓器動態(tài)性能的測試。本采集系統(tǒng)自動化程度較高，易于操控，通過選擇被測產(chǎn)品型號，系統(tǒng)自動匹配負(fù)載電阻，自動生成數(shù)據(jù)報告，自動標(biāo)識合格產(chǎn)品。系統(tǒng)擴(kuò)展性較好，當(dāng)有新產(chǎn)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(chǎn)品型號及相應(yīng)的規(guī)格限值，就可在系統(tǒng)中看到新的、被加入的產(chǎn)品型號，即可實(shí)現(xiàn)對新的電子變壓器的數(shù)據(jù)采集。

[1]陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.2程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)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.