何治斌，王 軍

(中國航天科工集團 第六研究院二一0所，西安 710065)

基于USB技術的插拔力測試系統(tǒng)開發(fā)研究

何治斌，王 軍

(中國航天科工集團 第六研究院二一0所，西安 710065)

電氣開關在合閘及分閘過程中瞬間產(chǎn)生的插拔力對開關的性能至關重要；針對測量和分析開關瞬態(tài)插拔力特性的問題，提出了一種基于USB技術的高速數(shù)據(jù)采集的新型插拔力測試系統(tǒng);對測試要求進行分析后給出了該測試系統(tǒng)的方案：底層數(shù)據(jù)采集模塊由AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FIFO、USB接口驅(qū)動器等功能塊組成，主要完成測試信號的轉(zhuǎn)換、緩存、數(shù)據(jù)上傳對接等功能；上位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用了虛擬儀器(VI)技術，在LabVIEW環(huán)境下經(jīng)過開發(fā)設計，實現(xiàn)了下位模塊驅(qū)動、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲、曲線動態(tài)顯示及測試報告生成；借助USB口傳輸數(shù)據(jù)速度高、接口簡單的優(yōu)點，開發(fā)出的系統(tǒng)結構緊湊、組態(tài)簡潔、測試過程簡單；測試系統(tǒng)安裝到測試機上進行多種工件測試實驗，測試結果表明該系統(tǒng)完全能夠滿足工件的插拔力測試要求。

插拔力測試；USB口采集模塊；高速實時數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

0 引言

高壓開關等許多工業(yè)設備中，在動作時會瞬間產(chǎn)生插拔力、拉弧等現(xiàn)象。產(chǎn)品研發(fā)階段必須準確測量多個參數(shù)并分析修正，才能確保所開發(fā)產(chǎn)品的技術參數(shù)達到有關標準的要求。目前各種工業(yè)拉力測控系統(tǒng)中，通常利用基于工控機的板卡采集數(shù)據(jù)方式和專用智能控制器數(shù)據(jù)采集方式。上述兩種設備采集系統(tǒng)組態(tài)復雜、價格昂貴。本文介紹一種自主研發(fā)的基于USB總線的高速采集系統(tǒng)實現(xiàn)插拔力測量。系統(tǒng)采用虛擬儀器(VI)技術，組態(tài)簡單，操作方便，價格便宜，可方便應用在軍工、民用測試領域[1]。

1 系統(tǒng)簡介與插拔力測試分析

插拔力測試儀采用機電一體化設計，落地式機型，造型充分考量了現(xiàn)代工業(yè)設計、人體工程學的相關原則，結構形式見圖1。主要由插拔機構、限位開關、測力傳感器、位移傳感器、電流傳感器、變送器、信號采集模塊、電腦及打印機構成。測試操作在計算機上的軟件中進行。

圖1 插拔力測試儀結構示意圖

高壓開關的閉合動作實質(zhì)是合金插頭插入帶彈性插口的過程。插頭插入過程中，由于插口彈性變形會產(chǎn)生摩擦阻力。摩擦力大小會影響開關的性能與壽命，過大會最大磨損、插拔困難，過小會由于接觸不良發(fā)生拉弧燒蝕現(xiàn)象。所以通過分析觸頭插拔力的特性，有助于產(chǎn)品設計的優(yōu)化分析。

觸頭的插拔是在瞬間完成，通過測量其插拔時間在0.2 s之內(nèi)，而觸頭插拔有效距離最大可達到60 mm。所以觸頭運動速度可達到300 mm/s。為真實反應插拔力與位移關系，并考慮系統(tǒng)干擾，確定采集頻率為9 k以上，確保拉力、位移曲線不失真。

2 高速數(shù)據(jù)采集模塊的設計

針對插拔力測試需求，分析各種高速測試方法和技術，結合采集速率的需要，決定開發(fā)一款基于USB總線的多路高速采集卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，達到測試工件參數(shù)的需要。

USB是一種通用串行PC機的外掛總線，其優(yōu)秀的性能主要有：速度快、即插即用、易于擴展、總線供電、使用靈活[2]。

在模塊中，A/D采集轉(zhuǎn)換采用AD公司的AD9225芯片、八選一模擬開關。轉(zhuǎn)換速率25MSPS，分辨率為12位。MCU選用FPGA芯片，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)瓤刂?。USB接口芯片選用FTDI公司的FT245BQ芯片，完成USB與并口FIFO的數(shù)據(jù)交換[3]。使用中，AI口接拉壓力傳感器信號、位移信號、電流信號；DI接測試觸頭升降限位信號及數(shù)據(jù)記錄開始與結束信號；DO接繼電器，驅(qū)動電機完成插拔動作。

FT245BQ讀FIFO的時序圖如圖2，F(xiàn)T245BQ與MCU之間只用4根信號線即可實現(xiàn)邏輯握手。芯片已有對應的DLL驅(qū)動庫文件和類函數(shù)庫燈文件。在軟件設計階段可方便調(diào)用其庫函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集傳輸。

圖2 FT245BQ讀FIFO時序圖

3 高速數(shù)據(jù)采集模塊驅(qū)動程序設計

因為模塊要通過USB連接電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，所以首先要編制USB口驅(qū)動程序，實現(xiàn)模塊在計算機上的注冊。

驅(qū)動芯片附帶許多已經(jīng)編制好的庫函數(shù)，方便調(diào)用，完成所需的任務。

采集模塊讀寫數(shù)據(jù)操作步驟如下面流程：

FT_ListDevices→FT_OpenEx→FT_ResetDevice→FT_Write→FT_GetQueueStatus→FT_Read→FT_Close。

其中FT_Write→FT_GetQueueStatus→FT_Read在接收到采集開始命令時執(zhí)行while循環(huán)連續(xù)采集，接收到停止命令后退出while 循環(huán)停止采集。退出采集軟件時執(zhí)行FT_Close命令，關閉模塊，避免再次進入采集系統(tǒng)時發(fā)生錯誤。

FT_Read函數(shù)定義如下：

FT_STATUS FT_Read(FT_HANDE ftHandle，LPVOID lpBuffer,DWORD dwByesToRead,LPDWORD lpdwBytesReturned)

FT_Read函數(shù)參數(shù)解釋如下：

ftHandle 設備句柄；

lpBuffer 指向讀取數(shù)據(jù)的設備緩存區(qū)指針；dwByesToRead 讀取設備數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；

lpdwBytesReturned 參數(shù)指針，指向從設備讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量的雙字節(jié)參數(shù)指針；

返回值如下：

讀取成功，返回FT_OK；

讀取失敗，返回FT_IO_ERROR；

4 數(shù)據(jù)采集軟件的設計

虛擬儀器(VI)是現(xiàn)代計算機技術和傳統(tǒng)儀器技術深層次結合的產(chǎn)物，是儀器的模塊化、軟件化。本系統(tǒng)就是在以計算機為核心的硬件平臺上安裝LabVIEW軟件，并在該環(huán)境下設計測試功能程序框圖與操作前面板工作。運行操作軟件可完成測試工作。

4.1 數(shù)據(jù)采集與保存

數(shù)據(jù)采集處理流程如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理流程

程序框圖中首先對采集模塊進行驅(qū)動打開，然后進行數(shù)據(jù)采集。信號采集模塊的采集頻率是400 kHz，每19個采集周期循環(huán)一次。所以某一通道的頻率是400/19≈21 kHz，滿足采集頻率的技術要求。程序設定每100 ms讀取采集模塊緩沖區(qū)1次。采集模塊的FIFO的容量大小設計為64 KB，大于40 KB，滿足存儲需要。每通道每次大概讀取2100個數(shù)。實際測試每次讀取數(shù)據(jù)個數(shù)為2 200～2 400個。經(jīng)過分析，應是程序運算延遲和定時器誤差造成的，不會對測試造成影響。

為減少系統(tǒng)開銷，在LabVIEW軟件中應盡量減少數(shù)據(jù)處理，比如像有些高階次的濾波計算，計算量是非常大的。所以對原始數(shù)據(jù)先不進行濾波處理，直接保存。使用LabVIEW自帶的TDMS高速數(shù)據(jù)寫入控件保存測試數(shù)據(jù)到特定格式的文件中。數(shù)據(jù)顯示與保存的程序框圖如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)存儲的程序框圖

另外在前面板上盡量少放實時曲線圖表，過多的實時圖表顯示也會降低程序執(zhí)行速度。

4.2 數(shù)據(jù)回放與報表生成

測試系統(tǒng)要求有數(shù)據(jù)查詢和報表功能。測試結束后，使用LabVIEW的TDMS格式數(shù)據(jù)控件讀出采集到的數(shù)據(jù)，然后顯示在曲線圖上。使用放大、平移控件可放大截取測試區(qū)域曲線進行分析。

報表實現(xiàn)中，要求能計算出最大插力-位置坐標值和位移-插力曲線圖(s-F圖)。為此，使用各種數(shù)據(jù)處理算法和html報表控件，設計出滿足要求的報表[4]。

5 實驗驗證

為驗證所開發(fā)系統(tǒng)的可行性，將所開發(fā)的系統(tǒng)安裝到插拔力測試機上進行測試驗證。測試時，只需點擊測試界面的【啟動測試】按鈕，設備自動完成測試動作，自動保存測試數(shù)據(jù)。

完成測試后，進入報表界面，將測試數(shù)據(jù)回放至圖表。根據(jù)插拔深度，截取、放大圖表，點擊【生成報表】按鈕，自動生成報表。圖5是報表中的s-F圖見。在圖中可看出，利用自己設計的算法，計算出在s=56.61 mm位置產(chǎn)生最大插力，最大插力為F=139.3 N，在報表中給出。

圖5 報表中的s-F圖

所設計的系統(tǒng)實驗測試出的曲線圖與同類測試設備測試的曲線進行比較，曲線形狀可基本擬合，最大值測量誤差也在要求范圍之內(nèi)，系統(tǒng)完全能滿足測試要求。

6 結束語

本系統(tǒng)成功應用在高低壓開關動作時插拔力的測試系統(tǒng)中。測試系統(tǒng)簡單，只要一塊采集模塊和一套測試軟件就可完成測試。軟件可裝在任何一臺通用計算機上。這大大增加了測試的靈活性，降低了成本。

另外，USB口抗干擾能力差，有時會出現(xiàn)死機現(xiàn)象，進行抗干擾設計后可基本消除這一現(xiàn)象。所以該測試系統(tǒng)在可重復測試的領域比較實用，而像進行爆炸力、破壞力此類一次性測試領域不建議使用。

[1] 李宏民.基于USB總線的高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機應用,2003,24(6):346-350.

[2] 黃學鵬,周 飛,徐 偉. USB同步傳輸方式在多路實時數(shù)據(jù)采集中的應用[J]. 微計算機應用, 2007,28(5):524-528.

[3] 關維娟,陳清華.利用VB編程實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)曲線繪制 [J]. 信息技術,2005,29(10):76-78.

[4] 馬 偉. 計算機USB系統(tǒng)原理及主從機設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2004.

Design of Plug and Unplug Force Testing System Based on USB Technology

He Zhibin, Wang Jun

(210th Institute, Sixth Academy,CASIC，Xi′an 710065，China)

When electrical switch closing and opening, the plug and unplug force is crucial to the switch performance. Aiming at the problem of measuring and analyzing the characteristics of plug and unplug transient force, a new type of high speed data acquisition system based on USB technology is proposed. After analyzing the test requirements, the scheme of the test system is given. The data acquisition module is composed of AD analog digital converter, FIFO, USB interface driver and other functional blocks. Mainly to execute the test signal conversion, data caching, data upload docking and other functions. The virtual instrument (VI) technology is used in the data processing system. In the LabVIEW environment ,the software is developed and designed to drive acquisition module, data reading, data storage, dynamic curve display and test report generation. With the advantages of high data transfer speed and simple structure of USB interface, the test system has the advantages of compact, easy configuration and easy testing.Test system installed on the test machine to carry out testing with different workpieces. Test results show that the system can fully meet the test requirements of the various workpieces.

plug and unplug force testing；data acquiring module with USB interface；real time high speed data acquisition；LabVIEW

2016-06-03；

2016-07-10。

何治斌(1970-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，高級工程師，主要從事航天控制技術、信號與數(shù)據(jù)處理技術研究的方向。

1671-4598(2016)12-0011-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A