0 引 言
為保證高壓開(kāi)關(guān)安全運(yùn)行，必須用高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行測(cè)試，了解高壓開(kāi)關(guān)的各種參數(shù)是否正常，從而進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)檢修。高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀能夠?qū)Ω邏洪_(kāi)關(guān)的合、分閘時(shí)間、彈跳時(shí)間、速度、行程等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[1]。由于行程便于校驗(yàn)，速度則是根據(jù)行程和時(shí)間參數(shù)來(lái)確定的，所以測(cè)試儀*主要的技術(shù)指標(biāo)就是時(shí)間參數(shù)的準(zhǔn)確度。目前，測(cè)試儀沒(méi)有專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)器，各生產(chǎn)廠家所用的校驗(yàn)方法也不盡相同[2-3]。
針對(duì)這種現(xiàn)狀研制了高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的校驗(yàn)裝置，可對(duì)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的各時(shí)間參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。本裝置應(yīng)用 CPLD 和 MCU 聯(lián)合控制機(jī)制，通過(guò) MCU 控制高速切換開(kāi)關(guān)來(lái)模擬、高壓開(kāi)關(guān)合閘、分閘以及彈跳動(dòng)作，同時(shí)利用 CPLD高速計(jì)時(shí)的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)合、分閘及彈跳時(shí)間等進(jìn)行校準(zhǔn)。
1 原理及功能概述
本裝置由 AVR 微控制器、CPLD 控制電路、人機(jī)接口電路（鍵盤(pán)和液晶）、觸頭動(dòng)作模擬器電路和動(dòng)作觸發(fā)隔離電路等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。AVR 微控制器將設(shè)定好的動(dòng)作方式與時(shí)間通過(guò)SPI總線方式傳遞給 CPLD，由 CPLD 內(nèi)部的邏輯來(lái)控制觸頭動(dòng)作模擬器進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀啟動(dòng)測(cè)試信號(hào)后，通過(guò)隔離單元觸發(fā) CPLD依據(jù)設(shè)定時(shí)間控制觸頭動(dòng)作模擬器做預(yù)定動(dòng)作，然后 CPLD 依據(jù)反饋信號(hào)開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)高壓開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀檢測(cè)觸頭電壓信號(hào)從而進(jìn)行校準(zhǔn)。下面以合、分閘時(shí)間和彈跳時(shí)間分析裝置的工作過(guò)程。
1.1 合、分閘時(shí)間校驗(yàn)
當(dāng)校驗(yàn)裝置模擬合閘動(dòng)作時(shí)，具體工作時(shí)序如圖 2 所示。觸頭初始狀態(tài)處于開(kāi)路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測(cè)試儀發(fā)出合閘信號(hào)時(shí)，測(cè)
試儀產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，從脈沖的上升沿 T0 時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)置的合閘時(shí)間 T1 時(shí)刻到來(lái)時(shí)，由 CPLD 發(fā)出控制信號(hào) CPLD_A，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）導(dǎo)通，使得兩觸頭間電平處于邏輯低電平，從而觸發(fā)測(cè)試儀完成合閘時(shí)間測(cè)試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時(shí)，實(shí)際合閘時(shí)間不是 T1-T0 而是T2-T0，所以必須利用觸頭合閘反饋信號(hào) CPLD_FA 對(duì)合閘時(shí)間進(jìn)行回測(cè)，利用 CPLD 門(mén)電路的特點(diǎn)，依據(jù)時(shí)序在 CPLD 中設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)邏輯，對(duì)高精度的有源晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到標(biāo)準(zhǔn)合閘時(shí)間。分閘時(shí)間校準(zhǔn)過(guò)程與上述原理一樣。
1.2 彈跳時(shí)間校驗(yàn)
校驗(yàn)裝置模擬彈跳動(dòng)作時(shí)，具體工作時(shí)序如圖 3所示。觸頭間初始狀態(tài)處于開(kāi)路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測(cè)試儀發(fā)出合閘信號(hào)，從脈沖的上升沿 T0 時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)置的合閘時(shí)間 T1時(shí)刻到來(lái)時(shí)，由 CPLD 發(fā)出控制信號(hào) CPLD_A 產(chǎn)生一個(gè)脈沖抖動(dòng)信號(hào)，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）先導(dǎo)通，再閉合，*后再導(dǎo)通，使得兩觸頭（A+、A-）間電平從 T2 時(shí)刻的高電平變?yōu)榈碗娖?，T3 時(shí)刻又變?yōu)楦唠娖剑琓5 時(shí)刻又變?yōu)檫壿嫷碗娖?，從而觸發(fā)測(cè)試儀完成合閘時(shí)間測(cè)試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時(shí)，實(shí)際彈跳時(shí)間不是 T5-T2 而是 T4-T1，所以必須利用觸頭合閘反饋信號(hào) CPLD_FA 對(duì)合閘時(shí)間進(jìn)行回測(cè)。裝置模擬了從校準(zhǔn)正脈沖上沿出現(xiàn)時(shí)開(kāi)始的開(kāi)關(guān)觸頭閉合的接觸振蕩，至正脈沖下沿出現(xiàn)時(shí)刻的觸頭*后一次分離后的重新接觸，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合閘彈跳時(shí)間的定義。
測(cè)試儀可對(duì)被測(cè)開(kāi)關(guān)的合、分閘時(shí)間、三相不同期時(shí)間、彈跳時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，基本量是合閘分閘時(shí)間和彈跳時(shí)間，其他量可通過(guò)基本量運(yùn)算后得
出。因此該校驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了 A、B、C 三路觸頭模擬電路和相應(yīng)的時(shí)間測(cè)量電路，根據(jù)設(shè)置三路不同的合閘時(shí)間，便可以得到三相不同期的時(shí)間參數(shù)。
2 關(guān)鍵單元電路的設(shè)計(jì)分析
2.1 觸頭動(dòng)作模擬器和隔離單元
合、分閘和彈跳時(shí)間都是根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)觸頭電平變化得到的，觸頭電壓是由測(cè)試儀提供的（一般為12VDC），本裝置的觸頭動(dòng)作模擬器通過(guò)控制光繼電
器 AQV221 的通斷來(lái)模擬高壓開(kāi)關(guān)觸頭電平的變化，從而模擬高壓開(kāi)關(guān)的合、分閘及彈跳的動(dòng)作，具體電路如圖 4 所示。AQV221 具有動(dòng)作迅速（0.1ms）、導(dǎo)通電阻?。?.1Ω）、隔離度高（1 000MΩ）而且沒(méi)有機(jī)械振動(dòng)等特點(diǎn)，特別適合模擬高壓開(kāi)關(guān)觸頭電壓的變化。
當(dāng) CPLD_A 為低電平時(shí)，AQV221 輸出端子（3、4 管腳）間開(kāi)路，測(cè)試儀兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng) CPLD_A 為高電平時(shí)，AQV221 輸出端子 （3、4 管腳）間短路，同時(shí)觸發(fā)高速光耦 6N137 導(dǎo)通，測(cè)試儀兩觸頭（A+、A-）間為低電平。圖 4 中的 6N137 用來(lái)實(shí)測(cè)模擬觸頭電平變化的反饋信號(hào)。
測(cè)試儀觸發(fā)計(jì)時(shí)信號(hào)采用高速光耦 6N137 進(jìn)行隔離，由于采用高速光耦 6N137，該光耦導(dǎo)通時(shí)間是納秒級(jí)，所以對(duì)于 0.01 ms 的校準(zhǔn)可以忽略不計(jì)。這
樣不僅不會(huì)影響測(cè)量的精度，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)裝置與測(cè)試儀的電氣隔離。具體電路如圖 5 所示。
2.2 CPLD 邏輯設(shè)計(jì)
CPLD 的邏輯設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一是 CPLD與 MCU 控制器的邏輯設(shè)計(jì)，二是 CPLD 對(duì)觸頭模擬器以及合、分閘時(shí)間與彈跳時(shí)間等的計(jì)時(shí)控制邏輯。
2.2.1 CPLD 與 MCU 的邏輯設(shè)計(jì)
MCU 和 CPLD 采用 SPI 總線方式進(jìn)行通信，其中 AVR 單片機(jī)作為主設(shè)備，CPLD 作為從設(shè)備，當(dāng)MCU 主動(dòng)去向 CPLD 寫(xiě)命令參數(shù)時(shí)，CPLD 采用移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò) D觸發(fā)器將 MCU 的命令傳遞給 CPLD；當(dāng) MCU 主動(dòng)去讀取 CPLD 的計(jì)時(shí)參數(shù)時(shí)，在 CPLD 內(nèi)部的邏輯其實(shí)是先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)然后通過(guò) SPI總線傳遞給 MCU[4-5]。
2.2.2 CPLD 控制和計(jì)時(shí)邏輯
CPLD 控制和計(jì)時(shí)邏輯的邏輯電路框圖如圖 6所示。從 MCU 傳遞來(lái)的命令控制字存入命令寄存器，命令寄存器中的工作方式控制字與時(shí)間設(shè)定控制字一方面通過(guò)譯碼控制觸頭模擬器電路按照設(shè)定時(shí)間動(dòng)作；另一方面對(duì) 3 種使能邏輯（合閘、分閘及彈跳的計(jì)時(shí)使能邏輯）進(jìn)行譯碼，*終得到計(jì)數(shù)的使能信號(hào)；命令寄存器的復(fù)位控制字在每次計(jì)數(shù)前對(duì)計(jì)數(shù)模塊清零。計(jì)數(shù)模塊時(shí)鐘輸入端采用帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔染д瘢?jì)數(shù)使能信號(hào)的上升沿鎖存*終的計(jì)數(shù)值，然后輸出到時(shí)間寄存器中供 MCU 讀取顯示。
3 測(cè)試結(jié)果及不確定度評(píng)定
3.1 測(cè)試結(jié)果
用一臺(tái) 413D 型毫秒儀對(duì)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀校驗(yàn)裝置合閘時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表 1所示，測(cè)試**誤差≤±0.02 ms。
3.2 不確定度評(píng)定
因篇幅所限，本文僅對(duì)合閘時(shí)間校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度作評(píng)定。開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀合閘時(shí)間校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度來(lái)源主要有：測(cè)量值不重復(fù)引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度；開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀分辨率引入的不確定度[6-9]。合閘時(shí)間的數(shù)學(xué)模型為
EX = ES+δ1+δ2 （1）
式中：EX——校驗(yàn)裝置的示值；
ES——毫秒儀示值；
δ1——測(cè)量重復(fù)性引入的誤差；
δ2——校驗(yàn)裝置分辨率引入的誤差。
重復(fù)性引入的不確定度分析：在相同條件下，對(duì)毫秒儀 100 ms 進(jìn)行 10 次穩(wěn)定性合閘時(shí)間測(cè)量，所得的數(shù)據(jù)如表 2 所示。
所得標(biāo)準(zhǔn)差為
u（δ1）=s= 1n- 1nΣi = 1（xi- x軃）2姨 = 0.007 38 ms（2）
毫秒儀引入的不確定度分析：毫秒儀在誤差限在 100 ms 時(shí)為±0.01 ms，即 a=0.01 ms，屬于均勻分布，覆蓋因子 k=姨3 ，其不確定度為了音樂(lè)的再放還原效果。因此，這兩個(gè)頻率段也是樣車(chē)混響時(shí)間優(yōu)化的重點(diǎn)所在。
鑒于 EASE 軟件在車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)中模擬的準(zhǔn)確性，可以借助 EASE 軟件指導(dǎo)車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)，在減少實(shí)驗(yàn)周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制，提高工作效率。以樣車(chē)為例，增加紡織材料表面密度或地毯針刺密度[7]、將絨布座套更換為亞麻座套[8]或三明治面料座套、使用玻璃纖維
含量相對(duì)較高的纖維紡織物[9]等方法，可以實(shí)現(xiàn)駕駛室聲場(chǎng)的優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：通過(guò)將薄地毯更換為針刺密度為 116.7 針/cm2 的針刺地毯、將絨布
座套更換為亞麻座套、將纖維紡織物中玻璃纖維含量從 100 g/m2 增加到 200 g/m2 的方法，500 Hz 的混響時(shí)間降低了 0.22 s，1 000 Hz 以上的高頻聲混響時(shí)間*多增加了 0.14 s。
當(dāng)然，使用 EASE 進(jìn)行車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的模擬還存在以下需要改進(jìn)的問(wèn)題：**的車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需要考慮乘員的存在，而 EASE 在分析封閉小空間聲場(chǎng)的時(shí)候還不能將人的因素考慮進(jìn)來(lái)；EASE 模擬的準(zhǔn)確性建立在對(duì)材料吸聲系數(shù)準(zhǔn)確掌握基礎(chǔ)上，而目前還沒(méi)有國(guó)產(chǎn)內(nèi)飾材料系統(tǒng)準(zhǔn)確的吸聲數(shù)據(jù)庫(kù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文采用 EASE 軟件建模仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了某型轎車(chē)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)混響時(shí)間的仿真和測(cè)量，通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了利用 EASE軟件指導(dǎo)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的可行性。通過(guò)對(duì)混響時(shí)間的分析研究，分析了樣車(chē)混響時(shí)間在低頻和 1 000 Hz 以上高頻對(duì)音樂(lè)效果的影響，提出了內(nèi)飾優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行措施，對(duì)汽車(chē)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的研究和優(yōu)化具有一定的借鑒意義。
