基于CPCI总线的便携式电磁阀测试设备设计

1. 前言

    由于某型号电磁阀热真空试验需要出厂完成，在试验过程中需测试阀门响应特性，传统的测试设备体积无法满足运输需求，因此需要配备便于携带的电磁阀测试设备。

    CompactPCI简称CPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际PICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准。它将VME密集坚固的封装和大型设备的极佳冷却效果以及PC廉价、易采用最新处理能力的芯片结合在一起，既保证了99.999%的高可靠度，又极大降低了硬件和软件开发成本。其整体机构紧凑，安装牢固，适应各种运输条件，可靠性高。各功能板采用CPCI总线的模块化结构，插拔十分安全方便，特别适合本系统的多种型号测试对象和多种测试工况的要求。

    2. 设计要求

    (1)要求能够同时对3台自锁阀或电磁阀进行测试，同时具备自动和手动判读功能。单路采样频率不小于10KHz，并可将测试结果输出至打印机。

    (2)电磁阀控制电压为0~50V可变，最大电流不小于12A。

    (3)动作次数、脉宽、间隔均可调。次数0~1000次可变；间隔0~10000ms可变；脉宽0~3000ms可变。

    (4)泄放电阻为10Ω、50Ω、100Ω三档可变。

    （5）适用于各种类型电磁阀测试要求。

    (6)设备体积要求：30cm×30 cm×50 cm，重量不超过25kg，并满足三级公路运输要求

    3.  测试原理和系统组成

    电磁阀测试原理如图1所示。测试电阻串联在电磁阀回路中，通过测试电阻两端分压信号测量换算出阀门线圈电流值。采样电阻两端的电压信号通过隔离放大器转换成0-5伏之间的电压信号输入A/D板中转换为数字量。由于考虑到大电流下采样电阻分压过大问题，采样电阻均采用小于1欧姆的大功率高精度电阻，采用16位精度的A/D板目的就是保证低值测试电阻条件下足够的系统测试精度。

 
    图1 电磁阀测试原理图

    系统组成见图2，主要由ACME公司的GCP-382计算机、外接直流电源、A/D板（16位）；控制驱动板、采样板、隔离放大器及各种电缆组成。

    GCP-382计算机包括单板机和显示器。配有IDE接口，可以通过外挂光驱进行系统安装，平时的数据输入输出通过USB接口和网络接口进行。

    控制板和采样板通过备份板的设计来适应不同类型的阀门，测试设备的测试接口、采样电路、测试软件均应采用组态化设计思路，根据不同的测试对象组合出不同的测试状态。设6个数据采集通道，单通道采样频率不低于10KHz，最多可同时测试3路自锁阀，同时可对6路普通电磁阀进行测试。但同时测试的自锁阀状态应该相同（均为正端控制或均为负端控制）。

    图2 检测仪工作原理图

    采样电阻和泄放电阻的切换涉及到采样电阻板的换装，因此必须在测试前进行切换，不能在测试中进行热切换。

    采样单路与被测对象直接相关，因此被测对象的组合形式不同，则采样电路板就不同。由于被测对象的组合方式不能确定，因此设计中提供了最常用的4种采样电路板。

    控制电源采用外接方式，电源参数可由用户自定。

    阀门动作时的控制精度≤±2ms，系统时间测试精度≤±0.1ms，系统电流测试精度≤0.03A。

    转接电缆：对应不同的阀门接插件配备不同的测试电缆，电缆的设备端采用通用接口。

    4. 硬件设计

    采样模块：根据测试对象不同配备不同的采样电阻和泄放电阻，本检测仪中设计的4种不同组合的采样板。采样板的尺寸结构与CPCI总线的3U板卡相同，嵌入主机机箱内，便于插拔。主要端口有：与A/D板间端口、与控制板间端口、阀门端口。采样板面板设A/D接口和阀门接口，每个回路设计电流8A以上；采样板泄放电阻可拆换；测试电阻自锁阀用0.4欧姆，普通阀用0.8欧姆；电磁阀电缆接插件选用易插接类型。

    控制驱动板：采用FPGA作为控制器，通过总线形式与主计算机通信，进行自主控制，驱动固态继电器控制被测阀门，该控制驱动板可以根据主计算机的指令确定正负端控制方式。驱动板的尺寸结构与CPCI总线的3U板卡相同，嵌入主机机箱内，便于插拔。与主机间通过总线连接，与外界通过端口连接。

    主要连接端口有：直流电源端口、与采样板间端口。通过总线接受指令，自主计时并控制；功率回路设6路12只固态继电器（分别控制6路正端和6路负端），控制电流10A以上，每路设易拆装的8A保险丝，面板上每路有发光二极管显示工作状态；控制板与采样板相连的电缆可设于机箱内部连接，接插件带锁，电缆较软，长度可保证一块板拉出机箱并露出插座位置。

    测试电缆：对应不同的阀门接插件配备不同的测试电缆，电缆的设备端采用通用接口。

    5. 软件设计

    采用通用C++编写的电磁阀测试软件，后台数据库采用ACCESS数据库。设置测试信息之后，通过对设计硬件的驱动，对待测电磁阀进行自动测试，可直接通过自动判读功能实现测试阀门响应特性的输出。通过数据库可对历次电磁阀的测试记录可进行查询和输出。

  
    图3 通过自动判读直接得到电磁阀的测试参数

    测试系统对被测阀门进行控制并进行测试后，将测试结果等数据直接写入数据库，保存的信息除了电磁阀电流曲线特征值之外，还包括：工作脉宽、工作间隔、动作次数、测试电压、测试单位（测试地点）、试验状态、产品状态、载荷情况、测试日期以及被测阀门的产品信息。

    电磁阀线圈电流特征曲线如图3所示，其特征值分别为开启时间、开启电流、稳态电流、关闭时间、关闭电流、开启比、关闭比等。这些特征值通过软件对数据进行判读得到。

    对于新采集到的测试数据或二次打开的测试数据，通过“自动判读”功能，进行电磁阀测试曲线自动判读的操作。由于阀门类型、测试状态千差万别，自动判读可能出现误判情况。软件采用了基于人工智能技术的自动判读算法，利用大量积累的历史数据对各类阀门和测试工况下的测试结果进行分析学习，将分析结果作为相同条件测试对象的辅助判读依据，从而大大提高了判读准确性。并且随着测试数据不断积累，自动判读的准确性也会不断提高。对于特殊情况下出现的误判，软件采用了手动判读功能作为补充，通过人工辅助调整曲线特征点位置，保证判读结果的正确性。

    6.  结束语

    本论文的创新点是：应用CPCI总线技术成功地实现了便携式电磁阀检测仪的设计，该系统研制成功之后，与同等功能的传统测试系统相比，体积缩小了50%，重量减少了70%，并且操作简单，可靠性高，携带方便；该应用实现了电磁阀检测仪器的通用型要求。满足各种类型普通电磁阀和自锁阀的测试需要，通过采样模块、接口电缆与测试软件的增添，可实现良好的扩充性。