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。