基于LabVIEW的多通道控制板供電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 進(jìn)

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212)

1 引 言

控制板是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，控制板出廠前一般需要經(jīng)過大量的測(cè)試[1]，其中供電測(cè)試是板卡性能測(cè)試的前提。由于其非標(biāo)性，目前很多控制板的性能測(cè)試只能采用手動(dòng)測(cè)試的方式完成，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，而且在測(cè)試過程中很容易出現(xiàn)誤測(cè)、漏測(cè)或數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤等問題，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差[2-3]。

為滿足某石油測(cè)井控制板性能測(cè)試的需求，設(shè)計(jì)了一款多通道控制板供電自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可同時(shí)為多塊控制板提供靈活可控的直流供電，使控制板能夠上電正常工作以對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。系統(tǒng)在定時(shí)控制測(cè)試模式下，能夠按照設(shè)定的測(cè)試時(shí)序，測(cè)試控制板在基準(zhǔn)電壓、上調(diào)電壓和下調(diào)電壓下的工作性能，并為控制板的RS485通訊和CAN通訊等其他性能測(cè)試提供測(cè)試基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的多通道控制板供電測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)軟件和直流電源輸出陣列組成。下位機(jī)直流電源輸出陣列為待測(cè)控制板提供最多12通道的直流電壓或電流，并返回實(shí)際的電壓、電流和功率等測(cè)試參數(shù)。上位機(jī)LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)通過USB HUB與下位機(jī)連接，發(fā)送測(cè)試指令，控制測(cè)試時(shí)序，采集測(cè)試數(shù)據(jù)，保存測(cè)試結(jié)果。

控制板供電測(cè)試主要是按照設(shè)計(jì)要求為控制板提供合適的電壓或電流，使控制板能夠處于正常的工作狀態(tài)，這樣才可以對(duì)控制板進(jìn)行其他性能的測(cè)試[4]。控制板供電測(cè)試時(shí)，除了常規(guī)的按照設(shè)計(jì)要求給控制板提供合適的直流電源以外，還需要通過掃描的方式測(cè)試控制板能夠正常工作的電壓范圍。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

控制板某種工作狀態(tài)下的定時(shí)控制測(cè)試時(shí)序示意圖如圖2所示，首先給控制板輸出幅值為V→的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓t1-ON分鐘，然后停止供電t1-OFF分鐘，依此規(guī)律測(cè)試N1個(gè)周期；然后按照相同的方式，給控制板分別提供N2和N3個(gè)周期10%幅值變化的上調(diào)電壓V↑和下調(diào)電壓V↓測(cè)試，其基準(zhǔn)電壓大小，上電時(shí)間、斷電時(shí)間、測(cè)試周期等參數(shù)均可根據(jù)需要設(shè)置。

圖2 定時(shí)控制模式測(cè)試時(shí)序示意圖

分析時(shí)序圖可知，定時(shí)控制模式測(cè)試的總時(shí)間如公式1所示。

T=N1(t1-ON+t1-OFF)+N2(t2-ON+t2-OFF)
+N3(t3-ON+t3-OFF)

(1)

式(1)中，T為測(cè)試總時(shí)間；N1、N2、N3分別為基準(zhǔn)電壓測(cè)試周期數(shù)、上調(diào)電壓測(cè)試周期數(shù)、下調(diào)電壓測(cè)試周期數(shù)；t1-ON、t2-ON、t3-ON分別為基準(zhǔn)電壓測(cè)試通電時(shí)間、上調(diào)電壓測(cè)試通電時(shí)間和下調(diào)電壓測(cè)試通電時(shí)間；t1-OFF、t2-OFF、t3-OFF分別為基準(zhǔn)電壓測(cè)試斷電時(shí)間、上調(diào)電壓測(cè)試斷電時(shí)間和下調(diào)電壓測(cè)試斷電時(shí)間。

3 LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)供電測(cè)試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)編寫。LabVIEW是NI(美國(guó)國(guó)家儀器公司)開發(fā)的一款功能十分強(qiáng)大的圖形化程序開發(fā)平臺(tái)，是專為測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程軟件[5-6]。LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

(1)讀取配置文件。獲取上次運(yùn)行時(shí)設(shè)置的報(bào)警閾值、定時(shí)控制參數(shù)等需要設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)，減少用戶重復(fù)設(shè)置等操作。

(2)設(shè)置遠(yuǎn)程控制模式。利用VISA打開指令，通過設(shè)備地址與4臺(tái)IT6332A程控直流電源建立USB通訊，發(fā)送控制模式指令，將各程控直流電源設(shè)置為遠(yuǎn)程控制模式，由上位機(jī)LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)程序控制直流電源輸出陣列。

(3)檢測(cè)系統(tǒng)連接狀態(tài)。如果某路程控電源未連接或通訊異常，則人機(jī)交互界面對(duì)應(yīng)區(qū)域左上角連接狀態(tài)指示燈為紅色，并顯示“N#未連接”(參見圖8：N=1-4，下同)，跳過后續(xù)操作，直到系統(tǒng)停止或檢測(cè)到通訊恢復(fù)正常；若設(shè)備通訊正常，則連接狀態(tài)指示燈為綠色，并顯示“N#已連接”，進(jìn)入下一個(gè)流程。

(4)設(shè)置通道輸出狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)各通道開關(guān)的情況，設(shè)置各通道的輸出狀態(tài)，未啟動(dòng)的通道通過程控的方式關(guān)閉輸出。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

(5)設(shè)定輸出電壓。判斷各通道是否處于定時(shí)控制模式，如果是，則每個(gè)時(shí)刻的輸出電壓根據(jù)測(cè)試時(shí)序自動(dòng)計(jì)算更新；如果定時(shí)模式未啟動(dòng)，則直接根據(jù)設(shè)定的輸出電壓值輸出，然后通過VISA寫入指令，設(shè)定各通道的輸出電壓值。

(6)設(shè)定輸出電流。當(dāng)用戶修改輸出電流值時(shí)會(huì)觸發(fā)值改變事件，則通過VISA寫入指令，將更新后的電流值寫入直流電源輸出陣列。

(7)解析測(cè)試參數(shù)。通過VISA讀取指令獲取并解析各通道的實(shí)時(shí)電壓、電流及功率，并根據(jù)設(shè)置的報(bào)警閾值，判斷電壓、電流是否有過壓、過流等報(bào)警情況。

(8)保存測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶選擇保存數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將個(gè)通道實(shí)時(shí)電壓、電流和功率按照設(shè)定格式寫入文檔保存。

(9)停止或返回。如果用戶按下停止按鈕，則程序結(jié)束運(yùn)行，否則返回至第3步按照上述流程循環(huán)運(yùn)行。

3.1 VISA通訊

上位機(jī)LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)通過USB通訊與下位機(jī)直流電源輸出陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要利用NI VISA集成通訊驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通訊指令的編寫。根據(jù)IT6332A程控直流電源編程手冊(cè)，系統(tǒng)使用的幾種指令格式如表1所示。

表1 VISA通訊指令格式表

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于通道開關(guān)狀態(tài)、輸出電壓值和電流值等均會(huì)根據(jù)用戶操作隨時(shí)更改。因此，采用格式化寫入字符串的方式，將其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為字符串嵌入標(biāo)準(zhǔn)指令當(dāng)中。其中，b%表示布爾量，當(dāng)某通道開關(guān)為ON狀態(tài)，則b%格式化寫入字符串為1。反之，某通道為OFF狀態(tài)，則b%格式化寫入字符串為0。%5.3f表示5位3精度浮點(diǎn)數(shù)，如設(shè)定電壓值為24V，則%5.3f格式化寫入字符串為24.000。

3.2 閾值報(bào)警

為了更一目了然地顯示系統(tǒng)各通道測(cè)試情況，尤其是實(shí)時(shí)電壓和電流不在正常范圍內(nèi)時(shí)，在LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)中加入了閾值報(bào)警功能。

3.2.1 報(bào)警閾值設(shè)置

點(diǎn)擊LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)交互界面上的報(bào)警閾值按鈕，彈出報(bào)警閾值設(shè)置界面，系統(tǒng)自動(dòng)讀取報(bào)警閾值配置文件，獲取上次設(shè)置的報(bào)警閾值以減少用戶操作。設(shè)置各通道報(bào)警閾值時(shí)，如果設(shè)置的上限閾值小于下限閾值，則彈出信息提示“閾值設(shè)置錯(cuò)誤(上限<下限)”。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊取消按鈕，報(bào)警閾值設(shè)置界面將直接關(guān)閉；點(diǎn)擊確定按鈕，報(bào)警閾值設(shè)置界面關(guān)閉的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將本次設(shè)置的報(bào)警閾值寫入配置文件，并更新至報(bào)警閾值全局變量簇。

3.2.2 報(bào)警判斷與指示

在獲取各通道實(shí)時(shí)電壓、電流后，系統(tǒng)會(huì)循環(huán)讀取報(bào)警閾值全局變量簇中對(duì)應(yīng)通道的報(bào)警閾值進(jìn)行判斷。電壓報(bào)警閾值判斷子VI如圖4所示，當(dāng)通道處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，即該通道無輸出，OVP過壓指示燈和UVP欠壓指示燈均為默認(rèn)綠色狀態(tài)。當(dāng)通道開關(guān)處于打開狀態(tài)并且設(shè)定電壓不為零時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)電壓和上限閾值及下限閾值的大小，判斷電壓是否有超出范圍的報(bào)警情況。正常情況下，各報(bào)警指示燈為綠色，當(dāng)實(shí)時(shí)電壓超過設(shè)定的電壓閾值上限時(shí)，OPV過壓指示燈變?yōu)榧t色；當(dāng)實(shí)時(shí)電壓低于設(shè)定的電壓閾值下限時(shí)，UPV欠壓指示燈變?yōu)樗{(lán)色。當(dāng)實(shí)時(shí)電流超過設(shè)定的電流值時(shí)，OCP過流指示燈變?yōu)榧t色。

圖4 電壓報(bào)警閾值判斷子VI

3.3 定時(shí)控制

LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)除了一般的供電輸出測(cè)試以外，還具備定時(shí)控制測(cè)試功能。點(diǎn)擊各通道對(duì)應(yīng)的定時(shí)控制按鈕，彈出圖5所示的定時(shí)設(shè)置界面。設(shè)置基準(zhǔn)電壓大小以后，系統(tǒng)自動(dòng)在基準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)上增加或減少10%，計(jì)算出上調(diào)測(cè)試電壓和下調(diào)測(cè)試電壓。然后可分別設(shè)置基準(zhǔn)電壓、上調(diào)電壓、下調(diào)電壓各自的上電測(cè)試時(shí)間、斷電時(shí)間以及測(cè)試周期數(shù)。上電和斷電時(shí)間單位為min。

為減少用戶設(shè)置操作步驟，根據(jù)實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了一鍵設(shè)置和聯(lián)動(dòng)設(shè)置的功能。當(dāng)只需要進(jìn)行基準(zhǔn)電壓測(cè)試時(shí)，點(diǎn)擊一鍵設(shè)置按鈕，可自動(dòng)將上調(diào)電壓和下調(diào)電壓周期數(shù)設(shè)置為0，基準(zhǔn)電壓測(cè)試周期數(shù)設(shè)置為1，只需修改上電時(shí)間，就會(huì)以基準(zhǔn)電壓供電一定時(shí)間后自動(dòng)斷電完成測(cè)試。當(dāng)基準(zhǔn)電壓的上電時(shí)間和斷電時(shí)間改變時(shí)，會(huì)觸發(fā)聯(lián)動(dòng)設(shè)置功能，上調(diào)電壓和下調(diào)電壓對(duì)應(yīng)的上電或斷電時(shí)間也會(huì)自動(dòng)修改為與基準(zhǔn)電壓測(cè)試相對(duì)應(yīng)的值。

圖5 定時(shí)設(shè)置界面

定時(shí)控制模式子VI如圖6所示。首先根據(jù)設(shè)置的定時(shí)控制參數(shù)以及公式1，自動(dòng)生成測(cè)試時(shí)序數(shù)組和其對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)組。然后根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)間與定時(shí)起始時(shí)刻的時(shí)間標(biāo)識(shí)的差值，判斷當(dāng)前所處測(cè)試時(shí)序的位置，以此檢索當(dāng)前時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。

圖6 定時(shí)控制子VI

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子VI如圖7所示。當(dāng)檢測(cè)到保存數(shù)據(jù)按鈕的上升沿時(shí)，即本次掃描數(shù)據(jù)存儲(chǔ)布爾值為真并且反饋節(jié)點(diǎn)傳遞的上一次掃描值為假時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新創(chuàng)建一個(gè)新的以當(dāng)前時(shí)間為名的文檔保存測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件名稱格式為“%H%M%S.txt”，其中“%H%M%S”為當(dāng)前時(shí)刻的“時(shí)分秒”，如092041.txt。該文件保存在路徑為“應(yīng)用程序目錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)〗Y(jié)-%m-%d”文件夾下。其中，“%Y-%m-%d”表示當(dāng)前日期的“年-月-日”格式，如2022-07-22。若該文件夾不存在，則自動(dòng)按照路徑和格式要求創(chuàng)建新的以當(dāng)前日期為名的文件夾。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件操作權(quán)限為open or write，即打開或?qū)懭耄晃募恢脼閑nd，即新的數(shù)據(jù)總是寫入文件末尾。

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子VI

4 控制板供電測(cè)試實(shí)驗(yàn)

LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成并經(jīng)過功能測(cè)試以后，生成應(yīng)用程序，隨后進(jìn)行實(shí)際的控制板供電測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)具體流程如下：首先，將直流電源輸出陣列通過SUB線纜連接至上位機(jī)。接著，將程控電源需使用的通道的輸出端口插上定制的鱷魚夾線，將其連接至對(duì)應(yīng)待測(cè)控制板的供電引腳，并接通程控直流電源的電源開關(guān)和輸出開關(guān)。然后，雙擊進(jìn)入LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用程序，設(shè)置各通道的設(shè)定電壓、設(shè)定電流以及報(bào)警閾值，根據(jù)測(cè)試需要依次點(diǎn)擊各通道對(duì)應(yīng)的定時(shí)控制按鈕，設(shè)置各通道的定時(shí)控制測(cè)試的測(cè)試時(shí)序參數(shù)。最后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鈕，并依次打開各通道開關(guān)，開始進(jìn)行控制板供電測(cè)試實(shí)驗(yàn)。LabVIEW供電測(cè)試系統(tǒng)完成一次標(biāo)準(zhǔn)控制板供電測(cè)試，其測(cè)試過程的軟件界面如圖8所示。

圖8 板卡供電測(cè)試效果圖

測(cè)試保存的部分原始測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。其中第一列為測(cè)試時(shí)間，精確到毫秒，每個(gè)測(cè)試時(shí)間對(duì)應(yīng)的“3行×12列”數(shù)據(jù)，又可以劃分為4個(gè)“3行×3列”的數(shù)據(jù)矩陣。每個(gè)“3行×3列”的數(shù)據(jù)矩陣中，3行分別為每臺(tái)程控直流電源的3個(gè)通道，3列分別為該通道對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓、電流和功率。

圖9 保存的測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的多通道控制板供電測(cè)試系統(tǒng)，可根據(jù)設(shè)置的定時(shí)測(cè)試時(shí)序，為控制板提供靈活可控的輸出電壓和電流，準(zhǔn)確地獲取并保存測(cè)試參數(shù)，大大縮短了控制板供電測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試準(zhǔn)確性。