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Honeywell 51305072-100

继电器是一种高精密的电子元器件，它广泛应用于工业制造和国防科技。但由于生产工艺、材料等原因造成了其质量的不稳定性。因此，有必要对其进行测试，以决定其优劣。从测试精度来说，动作时间需要**到ms或μs，触点电阻**到mΩ，此外，有些继电器由多个线圈或触点组组成，如JHX-3F系列继电器。目前，常用的手工测试方法效率低、误差大，且测试参数少，而对于高精密继电器的测试只能依赖基于微机的测试系统。本文将讨论基于JHX-3F系列继电器的测试系统的软硬件设计思路，并重点分析单插座对多规格继电器的自动测试、动作时间μs级测试和小电压或大电流型线圈的继电器测试。

1 继电器测试系统的构成

　　继电器测试系统的构成如图1。数据采集卡选择基于PCI总线的AC6115。系统由PC和测试仪两部分组成，它们之间通过AC6115传递A/D、D/A和I/O信号。系统软件平台为Windows XP/2000，软件开发环境Delphi 6.0，数据库SQL Server 2000。主要测试指标及精度要求：1）电压精度<=0.01V;2）电流精度<=0.01A;3）动作时间精度<=1ms;4）触点电阻精度<=1mΩ。

2 继电器测试系统的硬件设计

　　2.1 JHX-3F小型直流电磁继电器种类

　　JHX-3F包括A、B、C和D四个大类。线圈类型可以是电压型或电流型或电压电流混合型，其中A大类为单线圈16个品种;B大类为双线圈240个品种;C大类为双线圈182个品种;D大类为单线圈16个品种。共454个品种（其中又分电压型166种，电流型72种，混合型216种）。继电器初始触点状态分又为全闭（2D）、全开（2H）和半开半闭（1H1D）三种状态。所以，JHX-3F系列继电器总计1362个品种。

　　本文以两类继电器说明其工作原理。B类双线圈单位置：该类继电器有一个启动线圈和一个保持线圈。启动线圈施加激励，继电器状态改变，接着给保持线圈施加激励，撤除启动线圈激励，状态保持，再撤除保持线圈的激励，状态释放。C类双线圈双位置：该类继电器有一个启动线圈和一个复归线圈。启动线圈施加激励，继电器状态改变，撤除激励，此状态保持，再给复归线圈施加激励，状态复归为初始态。

　　2.2单插座完成对多规格1362个品种继电器自动测试的硬件实现

　　待测继电器的特点：引脚1～4为继电器线圈，引脚5～8为继电器触点。产品封装符合双列直插集成电路封装特征。待测继电器的这些特征为只用单插座完成对多规格1362个品种继电器的自动测试提供了可能性。

　　自动测试的电路工作原理：若待测继电器为单线圈时，辅助继电器FZJD1的线圈上不施加激励，受控源施加到插座1、4两端。若待测继电器为双线圈时，分两个阶段工作，在系统测试启动线圈阶段时，FZJD1的线圈上不施加激励，受控源施加到插座1、2两端;在测试保持或复归线圈阶段时在FZJD1的线圈上施加激励，受控源施加到插座3、4两端。当被测继电器线圈为电压型时，辅助继电器FZJD2的线圈上不施加激励，受控电压源工作并施加到电路中，为电流型时，在FZJD2的线圈上施加激励，受控电流源工作并施加到电路中;触点状态的测试只要将被测触点送到两个I/O即可。触点电阻测试采用四端法消除接触电阻的影响，分别用三档激励源进行测试。

　　2.3 大电流或小电压型继电器测试的硬件实现

　　测试用的电压源和电流源均受数据采集卡上DAC输出的控制，电压源输出电压和电流源输出电流与控制电压均呈线性关系。系统自动根据被测继电器型号选择不同输出范围的受控电压源进行测试，一种是从0～24VDC输出，另一种是从0～110VDC输出。可以测试从1.5VDC～100VDC额定吸合电压的被测继电器。受控电流源输出范围从0～2ADC，可以测试从0.003ADC～2.0ADC额定吸合电流的被测继电器。电路中利用辅助继电器实现自动构建电路的目的。

3 继电器测试系统的软件设计

　　3.1 多种软件定时器的应用

　　Timer控件基于Windows系统定时，它可以在要求不高的地方使用，定时分辨率为55ms[1]，精度只有5～8ms，系统中应用它进行线圈参数、吸合值和释放值的测试。**定时它无法胜任。多媒体定时器来自于Windows API。它可工作在较高优先级的线程中，它的定时事件被定义为回调过程，只要在该过程中添加消息处理代码即可完成定时响应[2]。Delphi把它封装到了mmsystem.pas中供软定时使用。本系统应用它对故障继电器进行检测，如触点始终未动作。

　　动作时间测试有2种方法。1）使用AC6115上的硬件定时器，AC6115提供了一个16位的微秒脉冲计数器，计数范围是1～216微秒[3]，因此，可通过脉冲计数完成动作时间测试，但此方法会加大硬件电路设计的复杂性;2）采用软件定时器。例如Z_Timer。它可以ActiveX控件的形式加载到Delphi控件面板上。它的定时分辨率是0.1ms，定时精度是0.015ms，在有效定时事件中它能独占系统所有资源，如消息响应和线程时间片。故使用Z_Timer是基于Windows环境下高精度软定时的好方法。

　　本系统应用Z_Timer短时间内独占系统资源而中断其它线程、消息的运行，从而**准确地测试出动作时间。首先设定其独占系统资源时间为秒级别，因为动作时间精度<=1ms，所以该段时间内继电器必然动作;在这段独占时间内，Z_Timer采集动作前后的触点组电压值并装入数组;**后，分析该数组中数值的变化就可以计算出动作时间。使用这种方法，简化了硬件电路的设计，且测试效果良好。

　　3.2 继电器单项测试的软件实现

　　3.2.1线圈基本参数测试的软件实现

　　Timer启动后，对线圈（包括启动线圈、保持线圈和复归线圈）进行测试。调用AC6115提供的DLL（动态链接库）中的AC_6115_DA函数线性控制输出在线圈上的电压。电压上升（下降）梯度10v/5s。在线圈触点吸合处、额定电压处和触点释放处先使用Sleep函数短暂延时，待继电器状态稳定后，再调用DLL中的AC_6115_AD函数记录吸合值或额定值或释放值，并存入公用数据模块Datamodule中。

　　3.2.2 动作时间测试的软件实现

　　动作时间是衡量继电器质量的关键指标，其精度要求高。图3-1是一触点初始状态为2H的继电器动作时间测试的“理想图”，实际的测试结果如图3-2所示出现了“回跳时间”，它是测试过程中必须考虑的。本系统采用短时间独占系统资源的Z_Timer完成动作时间测试，其吸合时间测试的定时响应代码如下：

　　Procedure TMainForm.Draw_Time_Test（）;//“吸合时间”测试

　　Begin

　　if（Call_DLL（）<31）;//调用AC6115动态链接库

　　Showmessage（‘DLL装载失败!’）;

　　Else

　　Begin

　　AC_6115_AD（Datamodule.Driverio, Datamodule.IDofcard[1], 80,3,4,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Datamodule.Draw_Time_Data,2048）;//采集触点动作前后的所有数据

　　DA_To_Value（0）;//电压归0，准备释放时间测试

　　Sleep（100）;//平缓处理

　　IO_Out（1,0,0）;//设置I/O信号，准备“释放时间”测试

　　Sleep（2000）;//为其释放资源准备时间，此后，系统将“缓冲”到正常状态

　　End;End;

 

　　代码中数据采集函数采集3、4通道，每通道采集2048/2=1024点。通道转换时间80＊0.25=20μs，故同一通道相邻两点之间的时间间隔为20＊2=40μs，所以每组触点有效监测的电压时间为1024＊40=40960μs，动作时间的测试精度为40μs。

　　“回跳时间”计算：每组触点采样1024个点，从第1024个点开始逐一向前查询当前点和当前点之前一点的采样电压值，如果发现两者之差**值为5，且第1次出现，立刻记录当前点位置T1。同时开始累加“回跳时间”计数器，如此反复，直到**后1次出现此类情况，记录此时位置T2，所以T1就是动作时间点，而T1-T2则是“回跳时间”。

　　3.2.3 触点电阻测试的软件实现

　　触点初始状态为2D的继电器，直接采样相关通道电压进行计算即可;触点初始状态为2H的继电器，首先，线圈外加电压跳变至额定值，待其触点吸合稳定后，采用类似2D测试方法测试;1H1D继电器，首先采用类似测试2D的方法测试1D触点组，然后用类似测试2H的方法测试1H触点组。

　　3.3组合多项测试项的自动测试的软件实现

　　组合多项测试项的自动测试的主要软件流程如图4所示。

　　自动测试将完成线圈参数、动作时间和触点电阻的全部测试。“基本参数设置”包括设置继电器类型、线圈类型、各测试项测试次数和触点组初始状态。为了提高测试数据的准确性，自动测试设计为重复多次执行，**后求取多次测试数据的平均值，如线圈参数、动作时间和触点电阻分别测试M、N、K次（M、N、K均大于等于0），实际次数多少由测试人员根据现场情况决定。每次测试的结果全部暂存于Datamodule中，在Datamodule中建立了3个链表，分别用来存放每次测试的线圈参数、动作时间参数和触点电阻参数。链表的每1个结点分别代表某测试项的1次测试数据。

4 结束语

　　现场测试中，系统运行良好，人机界面友好，能完成对所有1362种继电器的测试，并提供完整的测试数据的报表，测试精度令人满意，其中电压测试精度由<=0.01v提高到了<=0.001v，吸合时间测试精度则由<=1ms提高到了0.04ms。

　　本文作者创新点：（1）硬件设计。采用单插座对4大类1362种继电器进行测试;通过自动控制受控电源完成了对电流、电压或混合型继电器参数的测试。（2）软件设计。提出了以Z_Timer为主、硬件电路为辅的方法来测试动作时间，大大简化了硬件电路的设计;自动测试中还可组合测试项进行多次重复测试求取平均值，从而提高了测试数据的准确性。

交流接触器是一种量大、面广的低压电器产品，广泛应用于电力系统和控制系统，因此提高其质量与可靠性至关重要。

　　接触器的合闸力及分闸力除弹簧外还有电磁铁吸力，合闸时电磁铁的吸力与合闸相角有关，是随机的;分闸时电磁铁吸力与激磁电流相角有关，也是随机的。在触点接通的瞬间因机械原因产生一些弹跳，而因弹跳产生瞬间多次分合，导致接触器实际工作情况恶劣。对控制电容器的专用接触器，由于接通时触头运动速度的随机性造成不同相触头接触时间差的随机性，导致无法控制接通电容器的冲击电流大小，所以对这种接触器在吸合时间一致性方面要求更为严格。

　　检测接触器触头分合过程时通常采用步进电机来推动触头动作，触头的整个分合过程是靠步进电机的推动来完成;触头从分到合的位移也是靠对步进电机的步进脉冲计数得到的。这种检测属于静态检测，无法真实反应接触器的整个吸合过程，更无法检测触头在实际工作时的弹跳变化及各个触头的实际吸和时间差。为了保证接触器的工作可靠性，有必要开发一种记录接触器实际工作时的触头吸合释放过程的数据采集系统，以此来评价接触器的性能。

2 系统硬件及工作原理

　　为了实现对高速瞬变信号的采样以便于分辨交流接触器触点接通时的弹跳过程及触头的接通顺序，在原有基础上设计了一种基于PC机ISA总线、同步时钟、用硬件电路实现高速数据同步采集、高速寻址以及实时存储的技术方案。该方案主要由四部分组成：PC机总线接口电路、高速数字信号采集存储电路、I/O接口电路、接触器供电回路。其硬件系统结构框图如图1所示。

　　2.1 PC机总线接口电路

　　本系统采用研华的工业控制计算机，利用其ISA（Industry Standard Architecture，工业标准架构）总线对外部寻址。ISA总线采用8位模式，它的**数据传输率为8MBps，便于与外部硬件接口，其性能足够满足数据采集设备的要求，而且技术成熟、便于开发。ISA总线共分五类：地址线、数据线、控制线、辅助与电源线。前256个I/O端口地址（000H-0FFH）既可以被固定I/O指令，也可以被可变I/O指令访问，但处于00100H-0FFFFH的任何I/O地址都只能被可变I/O地址访问。在PC机中，所有的16位地址总线被译为在00000H-003XXH中的地址用于ISA总线的PC机内部I/O地址。

　　PC机的ISA总线经过了总线收发及地址译码电路，提供给数据采集设备的寻址范围为0300H—031BH。PC机总线接口电路如图2所示，当PC机要访问某一地址时，由两片GAL16V8译码读写、使能信号，选通总线收发器74HC245以流通8位数据位。

　　2.2 高速数字信号采集存储电路

　　高速数字信号采集存储电路的原理如图3所示，它由数据收发及控制电路、频率发生器、地址发生器、数据读写信号译码、采样逻辑切换、地址锁存、数据存储、存储采样数据逻辑切换等几部分组成。主要技术指标有：16通道数字信号采集、采样率625KHz、存储深度64Ksa/CH、**采样点数65536、**采样存储时间100ms。

　　数据收发及控制电路由总线收发器、GAL译码器和并行接口芯片8255组成，完成SRAM中的数据读取及电路控制功能。

　　频率发生器由晶振、可予制四位二进制异步清除计数器74HC161组成，采样率由计数器74HC16将10MHz振荡源16倍频后得到，即系统采样频率为625KHz。它的输出由采样逻辑切换电路控制，输出时钟分别送往地址发生器、数据读写信号译码器。

　　16位地址发生器由4片74HC161级联成16位同步记数器产生，记数器每接收一个脉冲产生一个地址。产生的地址送往地址锁存电路中用于数据写入SRAM中的地址位，还被送往采样逻辑切换电路中用于控制采样存储深度。

　　数据读写信号译码用于产生数据存储芯片SRAM的读写及片选信号、存储采样数据逻辑切换电路的控制信号，它由GAL16V8 译码得到。

　　采样逻辑切换电路由双D触发器74HC74、8位数据比较器74HC688、锁存器74HC374组成，用于控制采样启动、停止。由74LS688比较器比较预设地址和地址发生器的地址位，如果比较器比较地址位相等，则输出停止信号，启动信号由控制双D触发器产生。

　　地址锁存电路主要是用于锁存存储器SRAM在读和写两个不同的状态下的地址。在写SRAM时锁存地址发生器产生的地址，在读SRAM时锁存数据收发及控制电路中8255产生的地址位。

　　数据存储采用两片存储容量为1MB的SRAM HM628128，构成16通道数字信号采集。SRAM的写信号产生是一个难点，图4中给出了产生写信号的时序逻辑图，其中CLK信号为晶振源，Q1、Q2、Q3为晶振源的4倍频、8倍频、16倍频信号，TC为16位地址发生器的记数脉冲，MWR为数据采样的请求信号，RAMWR为SRAM的写信号。逻辑表达式为：!RAMWR = （!Q3 & Q2） & !MWR。

　　存储采样数据逻辑切换电路主要完成读写SRAM的数据总线切换功能，在采集数据时用总线收发器切换到数据输入端，读取SRAM的数据时切换给数据收发及控制电路的数据总线端，以供计算机读入存储器中的采样数据。

　　2.3 I/O接口电路和接触器供电回路

　　数据采集检测系统对交流接触器进行动态吸合过程实验、吸合实验、释放实验过程中，需要为交流接触器线圈提供额定电压范围内的各种电压值，并在自动检测时依据实验项目进行电压切换。系统由数据采集存储电路中引出的I/O信号，经过光电隔离电路后作为接触器供电回路的控制信号。

3 系统软件及设计概述

　　系统软件的主要功能是为用户提供一个良好的操作环境，及时响应用户的命令。整个软件构成如图5所示，它由用户操作界面、硬件驱动程序、数据管理三部分组成。

　　LabVIEW（Laboratory of Virtual Instruments Engineering Workbench）是美国国家仪器公司NI（National Instruments）推出的32位标准虚拟仪器开发平台。它是一套专门为数据与仪器控制、数据分析与数据表达而设计的图形化编程环境，同时是基于图形化编程语言（G-Language）的全新编程方法。其具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、仪器控制、数据分析、信号处理、数据显示及数据存储等功能，并且提供强大的数学分析库，涵盖统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，因此在包括航空、航天、通信、汽车和医学等众多领域里已得到了广泛的应用。

　　在软件系统设计中正是利用LabVIEW功能强大的图形化编程，**建立了用户操作界面及测试、测量和控制应用程序。但LabVIEW也存在不足，如不擅长处理大量数据的任务、实现底层操作能力不强等。为此采用在Visual C++环境下编写对硬件设备访问的驱动程序，汇编成动态链接库DLL函数供LabVIEW图形化编程语言调用。在数据管理方面由数据库专业软件SQL SERVER与LabVIEW编程互相接口来进行数据交换，完成数据存储、查询、调用、报表生成及打印等功能。

4 数据采集系统实验

　　数据采集检测设备对交流接触器设置了动态吸合过程实验、吸合实验、释放实验等，软件的分项测试界面如图6所示，本界面中可以自行设定实验参数以进行各种实验。

　　动态吸合过程实验检测接触器各触头的接通顺序，在接触器通电吸合时同步采样触点状态，分析比较各触点的实际弹跳、接通时间，在作为生产检测设备时可设定各触头的接通顺序及**小时间差来判定接触器是否合格。接触器吸和、释放实验是检验在不同接触器线圈供电电压下的工作状态。

　　利用LabVIEW软件强大的数据处理、显示功能，在用户界面上设计了接触器触点波形显示，图7给出了动态吸合过程实验的一组数据波形。在此波形中可以明显观察出触点的接通顺序及弹跳过程。

5 结语

　　基于总线的数据采集与存储系统，具有可靠而易于实现、经济等优点，得到了广泛的应用。经过了实验与探索设计的数据采集卡与现有的ISA总线计算机系统构成低成本的硬件平台，并利用LabVIEW这一强大的图形化开发环境及VC++环境下编写的硬件驱动程序开发了软件系统，实现高速瞬变信号的实时采样，并对交流接触器触头吸合过程进行了数据分析处理。

　　本文作者创新点：提出了以触头接触时的弹跳变化及各触头接通时的时间差为检验接触器动作可靠性的技术指标。