CN103176123A - 一种基于fpga的批量热保护器并行检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的批量热保护器并行检测方法，包括如下步骤：初始化FPGA，包括片选使能，热保护器常开、常闭类型的选择以及存储数据清零；FPGA并行采集热保护器开关量状态，产生表征热保护器的闪动特性与复位不同步特性的开关量数据；FPGA对开关量数据进行分析处理，得到热保护器的闪动特性与复位不同步特性的判定结果，并存储在FPGA内；微控制器以循环扫描的方式读取FPGA并行采集的热保护器开关量状态，判定热保护器的动作和复位，控制烘箱温度曲线、读取动作温度和复位温度；在烘箱按照所设定的温度曲线完成升温、降温后，微控制器读取FPGA中存储的闪动特性和复位不同步特性判定结果。

Description

一种基于FPGA的批量热保护器并行检测方法

技术领域

本发明属于信号检测领域，具体涉及一种用于热保护器批量检测的专用检测方法，更具体涉及一种基于FPGA的批量热保护器并行检测方法。

背景技术

热保护器又称温度开关或温度继电器，是一种由双金属片制成的热保护元件，广泛应用于电机、家用电器等多种发热电器的保护回路中。分为触点常闭和常开两种，其中常闭型生产量较大，应用较广。当温度升高至动作温度值时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开/闭合触点，实现切断/接通电路，从而起到热保护作用。当温度降到复位温度时，触点自动闭合/断开，恢复正常工作状态。热保护器的结构有多种形式，常见的有两种，一种结构为双金属片与触点相连，直接通过电流，受热后动作切断电路，如图1（a）、图1（b）所示。第二种结构为双金属片不与触点相连，不直接通过电流，双金属片在受热后产生突跳，带动触点动作，如图1（c）、图1（d）所示。其中第二种结构的热保护器生产量较大，应用较广。

热保护器在到达动作温度时若不能迅速动作，发生较长时间抖动，导致动作时间超过允许动作时间，这样的产品称为动作闪动（抖动）品。同样，在复位时不能迅速复位，复位时发生较长时间抖动，导致复位时间超过允许复位时间，这样的产品称为复位闪动（抖动）品。热保护器的生产厂家在热保护器出厂时要进行检测，检测其温度特性，动作与复位特性等，并进行分类。温度特性包括动作温度、复位温度，动作与复位特性包括不动作、不复位、动作闪动、复位闪动。对于第二种结构的热保护器，还有复位不同步的现象，这是工艺和结构的原因导致触点与触片之间的距离过小造成的。当热保护器要复位时，双金属片还没有回跳，触点先接触触片导致电路导通，而后双金属片再回跳，由于其机械作用力，会导致触点发生微弱的抖动。图2（a）为正常动作的情形，图2（b）为正常复位的情形，图2（c）为复位不同步的情形。这样的不同步产品由于很难检测到双金属片回跳时由于其机械作用力导致的触点微弱抖动，往往被检测为提前复位的产品，导致误检。

热保护器的全国年总产量在10亿只左右，每个热保护器生产厂家日产量也在几万、几十万甚至上百万。热保护器的性能检测主要采用手工测试法，其存在的最大问题是无法按照国家标准的要求检测产品。再加上不同生产厂家，不同型号、规格的热保护器，其特性往往有所不同，尤其是闪动的特性，这成为了热保护器大批量检测的瓶颈。研发能够准确、可靠地检测出闪动特性、复位不同步特性，并可设定检测标准的检测系统是非常有意义和市场前景的。

热保护器的检测方法一般为电路检测方法。将批量热保护器接入检测电路，热保护器固定于特制的夹具上置入烘箱，烘箱按照一定的温度曲线进行升温、降温，在此过程中检测热保护器的开关状态，并进行判断。

热保护器生产厂家人工批量检测方法为：将批量热保护器固定于特制的夹具上置入烘箱,通过耐高温导线与低压电源、电阻、发光二极管连接。烘箱内放置水银温度计或热电偶温度传感器，工人根据发光二极管的通断状态，读取温度值并记录。若发光二极管有闪烁，则判定热保护器有闪动。只能检测出有明显闪动的产品，对于微闪动产品完全无法检测。人工检测方法精度不高且人为因素影响较大，试验人员在这段时间内要不断监视热保护器状态，精神高度紧张，劳动强度大。

目前，一些国内的热保护器生产厂家引进或研发了一些自动化的批量检测设备。这些检测设备中的微控制器一般由单片机系统构成，数据采集部分通过扩展单片机总线或者增加单片机数量来实现，并配有上位机用于监控、显示、打印等。单片机负责控温、检测被测热保护器的通断状态并读取温度值。这种单片机循环扫描检测热保护器通断状态的检测方法，要求对全部产品扫描一遍的时间要小于一个触点允许的抖动时间，否则就会产生漏检，而对于不同的厂家，不同型号、规格的热保护器，其允许的抖动时间不同。对于复位不同步的产品，其闪动时间可能只有10us或者更小，一般的单片机系统基本上检测不出来。这样的检测方法不易提高一次批量检测的数量，且要求微控制器的处理速度足够快、抗干扰能力强。这必然导致系统造价昂贵，可靠性降低。

也有一些较为先进的自动化检测设备，采用通用的数据采集卡进行数据采集，这样的数据采集卡能够实现并行数据采集。但受到采集通道数的限制，并且需要主控计算机进行数据分析、存储，使得主控计算机的运算量大，对速度要求高。这样的设备往往造价昂贵，并且热保护器的检测只需检测开关量状态，而通用的数据采集卡一般有模拟量采集，用这样的数据采集卡进行数据采集也是一种资源浪费。

还有一些检测设备采用高压的检测方法。在热保护器两端施加几百伏脉冲高压，当热保护器两端承受高压时，若触点与触片距离较小，会产生拉弧现象，在电气上表现为电路导通；当热保护器两端不承受高压时，电气上表现为电路断开。这种方法使得闪动产品的闪动时间变长，对数据采集的速度要求有所降低。目前高压的检测方法是比较接近国家标准的检测方法。较低压的检测方法，检测闪动产品、复位不同步产品的准确率有所提高，是目前较好的检测方法。但这种方法同样存在着检测速度慢、集成度较低、抗干扰能力弱等缺点，并且准确率也不可能达到很高。

热保护器批量检测系统能否判定热保护器的闪动特性、复位不同步特性的关键是数据采集部分。不同型号、规格的热保护器的允许抖动时间不同，对于复位不同步的产品，其闪动时间可能只有10us或者更小。现有的完全依靠微控制器速度的数据采集检测方法很难准确、可靠地检测出闪动产品和复位不同步产品，并且集成度低，价格昂贵。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于FPGA的批量热保护器并行检测方法，针对热保护器批量检测系统，能实时检测出批量热保护器的闪动特性、复位不同步特性。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于FPGA的批量热保护器并行检测方法，包括如下步骤：

（1）初始化FPGA，包括片选使能，热保护器常开、常闭类型的选择以及存储数据清零；

（2）微控制器控制烘箱按照所设定的温度曲线进行升温、降温；在此过程中，FPGA并行采集热保护器开关量状态，产生表征热保护器闪动特性与复位不同步特性的开关量数据；

（3）在烘箱升降温过程中，微控制器以循环扫描方式读取FPGA并行采集的热保护器开关量状态，判定热保护器的动作和复位，并读取动作温度和复位温度；同时，FPGA实时并行对所采集到的开关量数据进行分析处理，最终判定热保护器的闪动特性与复位不同步特性，并将判定结果存储在FPGA内；

（4）在烘箱按照所设定的温度曲线完成升温、降温后，微控制器读取FPGA中存储的闪动特性和复位不同步特性判定结果。

有益效果：

1．FPGA是硬件实现算法，处理速度快。用FPGA实现批量热保护器并行高频采样其闪动特性、复位不同步特性等瞬时信息，并进行分析、存储，能确保准确、可靠地检测出热保护器闪动特性、复位不同步特性。

2．将高速数据采集、分析和信息储存集成在一起的FPGA芯片极大地减少了分立器件的数量，提高了集成度、可靠性和抗干扰能力，减小了系统成本和体积，并缩短了设计周期，提高了设计效率，并可在线修改设计。

3．由高速光耦和FPGA构成的数据采集系统既能满足实时采集的要求，又实现了信号隔离，也可应用在基于脉冲高压的热保护器检测方法的系统中。

4．应用本发明方法实现的检测系统只需配置一片普通的微控制器，降低了对微控制器处理速度的要求，并且便于扩展，提高了一次批量检测的数量。

附图说明

图1为热保护器的结构示意图，其中（a）为双金属片与触点相连的常闭型，（b）为双金属片与触点相连的常开型，（c）为双金属片不与触点相连的常闭型，（d）为双金属片不与触点相连的常开型；

图2为热保护器复位不同步的示意图，其中（a）为正常动作的情形，图2（b）为正常复位的情形，图2（c）为复位不同步的情形；

图3为热保护器批量检测设备结构示意图；

图4为FPGA外部输入输出逻辑示意图；

图5为FPGA内部16路数据采集逻辑结构示意图；

图6为FPGA全局时钟分频为低频时钟和高频时钟逻辑结构示意图；

图7为FPGA内部128路数据采集逻辑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

针对热保护器批量检测系统，不但要检测出热保护器的温度特性，而且要检测出其闪动特性、复位不同步特性。采用传统的检测方案因基于串行工作机制的微控制器端口和处理速度有限，难以实现。本发明提出基于FPGA的批量热保护器并行检测方法，首先基于FPGA实时记录热保护器的闪动特性、复位不同步特性并存储，然后再将所存储的热保护器闪动特性、复位不同步特性向微控制器传送。本发明的思想是判定热保护器的闪动特性、复位不同步特性需要高速数据采集，以实现全信息采集，并进行实时分析与信息存储，而判定热保护器的动作与复位不需要高速数据采集。本发明方法是对现有的热保护器批量检测方法的改进，能够实现热保护器特性信息的高速并行采集、分析与信息存储，从而实现对热保护器的闪动特性、复位不同步特性的准确判定。具体步骤为：

（1）初始化FPGA，包括片选使能，热保护器常开、常闭类型的选择以及存储数据清零；

（2）微控制器控制烘箱按照所设定的温度曲线进行升温、降温。在此过程中，FPGA并行采集热保护器开关量状态，产生表征热保护器闪动特性与复位不同步特性的开关量数据；

（3）在烘箱升降温过程中，微控制器以循环扫描方式读取FPGA并行采集的热保护器开关量状态，判定热保护器的动作和复位，并读取动作温度和复位温度；同时，FPGA实时并行对所采集到的开关量数据进行分析处理，最终判定热保护器的闪动特性与复位不同步特性，并将判定结果存储在FPGA内；

（4）在烘箱按照所设定的温度曲线完成升温、降温后，微控制器读取FPGA中存储的闪动特性和复位不同步特性判定结果。

根据本发明方法所设计的热保护器批量检测设备结构如图3所示。批量热保护器置于烘箱中，并通过高温导线引出与高速光耦相连接，高速光耦的输出与FPGA相连接，FPGA的输出再与微控制器相连接，微控制器再通过485通信接口与上位机相连接，利用上位机实现监控、显示、打印等。

实施例：

根据本发明方法给出一个FPGA部分的具体设计实例：128路热保护器特性数据采集系统。采用ALTERA公司Cyclone系列EP1C6Q240C8N型号的FPGA，配置芯片为EPCS1N。电路逻辑结构设计如图4、图5、图6、图7所示。各图中FPGA外部输入、输出信号，内部信号定义如表1所示。

表1

如图5所示，16路热保护器开关量输入信号、闪动测试模块（包括闪动检测和复位不同步检测）输出信号分别接4选1数据选择器数据输入端D0、D1、D2，4选1数据选择器选择控制信号接地址线A8、A7，4选1数据选择器输出信号接16选1数据选择器的数据输入端D0-D15，16选1数据选择器选择控制信号接地址线A3-A0。再封装成图7中16路数据采集模块的形式。

如图5所示，闪动测试模块包括输入信号：热保护器开关量输入信号IN、低频时钟CLK_L、高频时钟CLK_H、存储数据清零CLR、常开常闭选择S，输出信号：Q0、Q1。低频时钟CLK_L和高频时钟CLK_H由全局时钟CLK分频得到，其中全局时钟晶振频率为40M，如图6所示。输出信号有锁存功能，由CLR清零。输出状态表如表2所示。

表2

Q0

Q1

注

0	0	正常
			0	1	动作闪动
1	0	复位闪动
			1	1	复位不同步

如图7所示，8个16路数据采集模块输出信号接8选1数据选择器数据输入端D0-D7，8选1数据选择器选择控制信号接地址线A6-A4，8选1数据选择器使能信号EN接FPGA外部输入控制线EN，作为数据采集的输出使能片选，数据线OUT作为FPGA外部输出信号，构成128路数据采集。

128路热保护器特性数据采集系统的寻址如表3所示。

表3

地址线A8-A0	注
		000H～07FH	128路开关量输入状态
080H～0FFH	128路闪动检测Q0状态
		100H～17FH	128路闪动检测Q1状态

控制线信号状态表如表4所示，其中CLR需大于50us正脉冲信号才能实现存储信息清零。

表4

本实施例的工作步骤是：

步骤一、FPGA初始化，微控制器向FPGA发送控制信号（表4）：EN=1，CLR大于50us正脉冲，S=0/1（常闭/常开）。分别实现FPGA片选使能，热保护器常开、常闭类型的选择，存储数据清零。

步骤二：微控制器控制烘箱按照所设定的温度曲线进行升温、降温。在此过程中，FPGA并行采集热保护器开关量状态，产生表征热保护器闪动特性与复位不同步特性的开关量数据；

步骤三、在烘箱升降温过程中，微控制器以循环扫描方式读取FPGA中000H-07FH地址的数据，即为热保护器开关量状态数据。微控制器根据所采集数据判定热保护器的动作和复位，并读取动作温度和复位温度。同时在此过程中，FPGA完成对热保护器闪动特性、复位不同步特性的检测并存储。具体的：每一路信号同时也进入了如图5中相对应的闪动测试模块中，闪动测试模块根据所采集数据，进行分析运算，判定在整个检测过程中是否有动作闪动、复位闪动、复位不同步，并将判定结果存储在闪动测试模块的两个寄存器内，两个寄存器的输出分别为Q0和Q1。

步骤四、在烘箱按照所设定的温度曲线完成升温、降温后，微控制器读取FPGA中080H-0FFH地址的数据和100H-17FH地址的数据，得到每一路闪动测试模块中寄存器内数据Q0和Q1。微控制器根据表2判定热保护器的闪动特性和复位不同步特性。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的批量热保护器并行检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）初始化FPGA，包括片选使能，热保护器常开、常闭类型的选择以及存储数据清零；

（2）微控制器控制烘箱按照所设定的温度曲线进行升温、降温；在此过程中，FPGA并行采集热保护器开关量状态，产生表征热保护器闪动特性与复位不同步特性的开关量数据；

（3）在烘箱升降温过程中，微控制器以循环扫描方式读取FPGA并行采集的热保护器开关量状态，判定热保护器的动作和复位，并读取动作温度和复位温度；同时，FPGA实时并行对所采集到的开关量数据进行分析处理，最终判定热保护器的闪动特性与复位不同步特性，并将判定结果存储在FPGA内；

（4）在烘箱按照所设定的温度曲线完成升温、降温后，微控制器读取FPGA中存储的闪动特性和复位不同步特性判定结果。

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