基于虛擬儀器技術的電玩具檢測設備的研制

摘要:電玩具的產品質量檢測涉及多類電參數測量。采用虛擬儀器技術，基于LabVIEW圖形化編程平臺，設計了一套電玩具檢測設備。介紹了設備的硬件結構，軟件程序，指出該設備可提高現有電玩具檢測水平。

關鍵詞:電玩具檢測;虛擬儀器;數據采集

中圖分類號:TP216文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)03-716-02

Development of Testing Equipment of Electric Toys on Virtual Instrumentation Technology

SUN Zheng-jie， DING Hao

(Zhejiang Measurement and Test Institute for Quality and Technique Supervision， Hangzhou 310013， China)

Abstract: Product quality testing of electric toy involving several types of electrical parameter measurement. An introduction about the testing equipment of electric toy is presented， which based on virtual instrument technology and LabVIEW graphical programming platform. It presents the hardware structure and software frame of the system， noted that the device can improve the level of electric toy testing.

Key words: electric toy testing; virtual instrumentation; data acquisition

1 概述

玩具是供自我保護意識較低的兒童消費的產品，其質量直接關系著兒童的健康與安全。電玩具是指至少一種功能需要用電的玩具。電玩具因其結構復雜，產品的潛在危害性更大。

GB19865、EN62115和ANSI/UL 696分別是中國、歐洲、美國規范電玩具產品質量的主要標準。但由于電玩具樣式千差萬別，供電方式、內部電路結構多種多樣，而標準條款主要采用概括性的描述方式，僅給出了技術指標和指導性的操作要求，缺乏明確詳細的測試方法及步驟，加之檢測設備方面的差別，造成樣品檢測結果的復現性較差。同時過多人工操作引入人為誤差，降低了檢測精度，并且難以實現有效的存儲和共享。

虛擬儀器技術是現代計算機技術與儀器技術完美結合的產物，利用計算機強大的圖形環境和接口通信功能，替代傳統儀器并實現更為復雜的程序化操作，大幅提高了檢測工作的效率;LabVIEW圖形化編程環境，使得虛擬儀器程序編寫及功能實現變得更為方便。兩者結合，給定制型的檢測應用提供了一條極佳的技術解決路線。

本項目采用虛擬儀器技術和圖形化編程環境LabVIEW，研制一套具備溫度、電壓、電流、電功率等參數測量和分析的檢測設備。該檢測設備內嵌GB19865、EN62115和ANSI/UL 696三個標準的檢測流程模塊，實現測量參數自動選取、測量點自動判斷、數據存儲和圖形化顯示、檢測結果分析判定、檢測原始記錄自動生成在內的多項功能，解決目前檢測過程中存在的復現性差、精度低、數據難以存儲共享的問題，同時設備具有很好的擴展性。

2 系統結構

檢測設備由三部分組成:PC機，數據采集模塊，傳感器驅動調理裝置及輔助測量電路。如圖1所示。

PC機作為人機交互界面，一方面負責操作命令的輸入、測量數據直觀形象的輸出;另一方面負責與數據采集模塊進行通訊，獲取測量數據。

數據采集模塊負責對經調理的傳感器信號進行采樣量化，并通過USB總線傳輸至PC機進行處理顯示和保存。

傳感器及輔助測量電路實現測量信號的采集。

3 設備硬件設計

設備主要實現電壓、電流及溫度三類參量的測量，其硬件設計主要包含兩個部分內容:一是數據采集卡的選型，二是傳感器驅動調理電路的設計。

3.1 數據采集卡的選型

系統選擇研華的USB系列數據采集模塊USB4716和USB4718。

USB4716是一款多功能模塊，16位A/D轉換，達到200kHz的采樣速率，根據增益設置，可測量0～10V、0～5V等范圍的電壓信號;同時具備16路數字I/O和1個用戶計數器，以及兩路模擬輸出，可為設備功能提供擴展空間。

USB4718是一款8路熱電偶輸入模塊，16位A/D轉換，精度高達0.1%。

3.2 傳感器驅動調理電路的設計

3.2.1 電壓測量功能

設備要求實現0～60V直流電壓的測量。USB4716的電壓測量范圍是0～10V，需要通過調理電路實現測量范圍的擴展。

電壓測量范圍的擴展選用分壓電路實現，輔助電路用以降低交流干擾電壓對測量精度的影響，保護數據采集模輸入端的高壓電擊危險。為了提高3V、4.5V、6V等常用電壓值的測量精度，硬件上設置了參數不同的兩組電壓調理電路，利用兩個數據采樣通道，實現對0～30V、0～60V兩個檔位的電壓測量，測量中檔位切換依據實際電壓值由軟件實現。

3.2.2 電流測量功能

設備要求實現0～10A直流電流測量。

為了利用USB4716模塊實現電流參量的測量，需要進行電流信號到電壓信號的轉換。通常測量電流可以采用阻性分流器、互感器或霍爾傳感器。本設備的目標測量對象，直流電流范圍為0～10A，典型值在2～4A。阻性分流器無法進行隔離測量，此外，由于電流較大，串入被測電路的阻性分流器將直接影響負載的實際負荷，互感器則無法測量直流電路?；魻杺鞲衅鲃t克服了阻性分流器和互感器的缺點，不但可以測量直流，也可以測量交流甚至瞬態峰值，還能實現主回路和測量回路的隔離。

本設備的電流測量選用了CS010GT霍爾傳感器，3～12V供電，靈敏度為100mV/A。USB電源經穩壓后，作為霍爾傳感器的供電。

3.2.3 溫度測量功能

基于USB4718，配以J型細絲熱電偶，實現溫度的測量。

4 設備軟件設計

采用圖形化編程語言，基于LabVIEW的編程平臺，實現PC機應用程序的編寫。

軟件主體結構采用生產者/消費者模式，有效利用隊列，實現各個環節的數據傳遞。基于具備高速采樣率的硬件平臺，實現對被測量的連續測量，形成測量對象的趨勢圖。利用LabVIEW所提供的豐富控件，實現設備的采集數據以更為豐富，直觀的表現方式輸出，實現檢測記錄的自動生成和保存。實現國家標準GB19865檢測功能的操作界面如圖2所示。

實現國家標準GB19865的部分，分為5個實現步驟，流程如圖3所示。

第一步是初始化，實現樣品信息的輸入，包括管理信息(樣品編號、檢測人員)，檢測樣品供電類型、額定電壓、額定功率等。依據該步驟的輸入信息，程序自動提示需要實施的檢測步驟。

第二步是減免試驗，主要實現電玩具電路閉合1秒鐘時刻，電源兩端的電壓值測量。電路閉合的時間點由軟件自動識別，并以此為起始點開始計時，形成電壓值的趨勢圖，并獲得1秒鐘時刻的電壓值，依據標準給出判斷結果，并作為后續檢測步驟的選擇依據。

第三步是功率測量試驗，主要實現被測電玩具的實際功率的測量。由于電玩具的實際功率值往往以一定周期變化，應此測量功率以特定時間段的功率平均值表征。功率測量的相關參數可設置。

第四步是溫升測量試驗，實現電玩具在不同工作狀態下，各部位溫升值的測量。單獨設置一個界面完成溫升測量通道的說明、溫升限定值的輸入。

第五步是檢測原始記錄的形成，匯總之前四步的樣品信息和檢測結果，生成固定格式的原始記錄。該步驟利用了LabVIEW的office控件，調用Excel軟件，完成檢測數據的保存和輸出。

實現國家標準GB19865的程序如圖4所示。

該檢測設備同時實現EN62115和ANSI/UL 696兩份標準的檢測。GB19865、EN62115和ANSI/UL 696三份標準均以subVI調用的形式分別實現。

5 結束語

本檢測設備針對當前電玩具檢測復現性較差，檢測精度不高，難以實現檢測結果的存儲和共享等問題，采用技術先進的數據采集模塊USB4716和USB4718，基于LabVIEW圖形化編程環境，程序化了檢測流程，提高了檢測精度，以圖形化的方式體現測量結果，降低了檢測工作的勞動強度。設備支持GB19865、EN62115和ANSI/UL 696三份標準，滿足電玩具檢測的需求。

本文作者創新點:利用虛擬儀器技術和圖像化編程語言，實現基于GB19865、EN62115和ANSI/UL 696三份標準的電玩具檢測，保證測量精度的同時，記錄測量對象的趨勢圖，為產品質量的判斷提供了更為豐富的參考數據。

參考文獻:

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