/ 浙江省計量科學(xué)研究院

0 引言

在電能表生產(chǎn)領(lǐng)域,計時的準(zhǔn)確性非常重要,因為計時性能涉及用電計量的準(zhǔn)確性，關(guān)系到千家萬戶的切身利益，因此在電能表生產(chǎn)過程中確保計時性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)意義重大。時鐘測試儀作為電能表時間準(zhǔn)確性的測試儀器，其計量性能好壞對使用企業(yè)所生產(chǎn)的電能表計時性能具有重要影響，因此電能表生產(chǎn)企業(yè)每年都有大量時鐘測試儀送檢。時鐘測試儀計量具有測試時間長、數(shù)據(jù)多、臺件數(shù)多等特點，如果采用手工測量，需要對不同時鐘測試儀進行手工切換，并且每隔1 h需要進行人工讀數(shù)，工作效率比較低，需要人員長時間守候，因此采用自動測量可以克服這些缺點，減少人工干預(yù)和工作強度，大大提高測量效率。

1 時鐘測試儀

時鐘測試儀以內(nèi)部石英晶體振蕩器作為時間基準(zhǔn)，能夠顯示日差、周期及頻率，它由波形整形電路、分頻電路、電子控制電路、顯示電路等組成，主要應(yīng)用于電能表頻率及秒脈沖信號的測量等[1]。

2 自動測試系統(tǒng)硬件平臺

根據(jù)JJF(浙)1011-2007《時鐘測試儀》，需要測量內(nèi)部晶振頻率變化特性、內(nèi)部晶振頻率準(zhǔn)確度、瞬時日差測量誤差和頻率測量準(zhǔn)確度等指標(biāo)。其中瞬時日差測量誤差和頻率測量準(zhǔn)確度兩項指標(biāo)只需在規(guī)定預(yù)熱時間后對時鐘測試儀進行讀數(shù)即可，加上時鐘測試儀不帶通信接口，因此本系統(tǒng)只對內(nèi)部晶振頻率的頻率變化特性和準(zhǔn)確度兩個指標(biāo)進行測量。根據(jù)規(guī)范需要，配置銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（型號MRT-H-101）、通用計數(shù)器（型號CNT-91）等標(biāo)準(zhǔn)器。由于需要對多臺時鐘測試儀同時進行測量，需要配置電子切換開關(guān)，本系統(tǒng)采用安捷倫公司的型號為3499A的開關(guān)控制系統(tǒng)，它配備有GPIB(General-Purpose Interface Bus, 通用接口總線)接口，可以進行編程控制，并同時對多臺設(shè)備進行選通切換。

系統(tǒng)框圖如圖1所示，將需要進行計量的n個時鐘測試儀分別接入到開關(guān)控制系統(tǒng)的n個輸入口，開關(guān)控制系統(tǒng)的輸出口與通用計數(shù)器連接，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的10 MHz輸出接至通用計數(shù)器外參考頻標(biāo)輸入口，計算機通過GPIB接口卡與通用計數(shù)器和開關(guān)控制系統(tǒng)連接。測量過程中，計算機控制開關(guān)控制系統(tǒng)對多路輸入的時鐘測試儀信號進行切換，在同一時間內(nèi)只有一路時鐘測試儀信號通過開關(guān)控制系統(tǒng)輸入到通用計數(shù)器。同時，計算機通過GPIB接口卡控制通用計數(shù)器工作狀態(tài)，并讀取測量數(shù)據(jù)以供后期處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 自動測試系統(tǒng)

整個系統(tǒng)由硬件平臺和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件平臺如圖1所示，由計量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、GPIB接口卡、GPIB電纜和計算機組成。軟件系統(tǒng)以硬件平臺為基礎(chǔ)，采用Visual Basic 6.0進行設(shè)計開發(fā)，通過GPIB接口對儀器進行控制并完成自動測量功能。

軟件系統(tǒng)主要分為儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和輸入輸出等部分。

3.1 儀器控制

選定合適指令集來實現(xiàn)對設(shè)備的控制。GPIB轉(zhuǎn)換卡選擇安捷倫公司的GPIB轉(zhuǎn)USB卡，型號為82357A，使用該卡配套的Agilent IO Libraries作為通信接口。該庫帶有三種指令集，分別是SICL、VISA和 VISA COM。經(jīng)過實驗，三種指令集對最近幾年新出的設(shè)備支持較好，VISA和 VISA COM 對舊型號的設(shè)備存在兼容性問題，出現(xiàn)一些指令不支持的情況。SICL對舊型號設(shè)備兼容性較好，未出現(xiàn)指令不兼容情況，選用SICL指令集作為該系統(tǒng)的控制指令集。

3.2 數(shù)據(jù)采集

JJF(浙)1011-2007規(guī)定進行內(nèi)部晶振頻率變化特性測量時，需要在預(yù)熱完成后每隔1 h進行測量，共測量8次，每次取3次測量結(jié)果的平均值，因此計算機每隔8 h需要對開關(guān)控制器進行操作。 首 先 應(yīng) 用“Call iwrite(3499A,＂OPEN (@000)＂+Chr$(10),11,1,0&)”指令[2，3]對通道0進行開啟。開啟過程具有延時，因此不能馬上進行數(shù)據(jù)讀取，需要在程序中插入延時指令，這里采用編寫延時子程序timedelay實現(xiàn)延時1 s后讀取數(shù)據(jù)功能。當(dāng)通道0所在時鐘測試儀被接入通用計數(shù)器后，計算機通過命令設(shè)置通用計數(shù)器測量模式、取樣時間等工作參數(shù)，設(shè)置完畢后應(yīng)用“Call iwrite (CNT91,＂:MEAS:FREQ?＂+Chr$(10),11,1,0&)”指令進行頻率測量讀數(shù)采集，根據(jù)規(guī)范采集三組數(shù)據(jù)進行平均計算，采集完畢后，應(yīng)用“Call iwrite(3499A,＂CLOSE (@000)＂+Ch r$(10),11,1,0&)”指令關(guān)閉通道0，同時開啟通道1進行數(shù)據(jù)采集，步驟同前。依次對所有通道進行數(shù)據(jù)采集并存儲數(shù)據(jù)供后續(xù)處理。在8 h時間段內(nèi)，每隔1 h重復(fù)一次上述步驟，每個通道的時鐘測試儀可以得到8組數(shù)據(jù)。

依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范，被校準(zhǔn)時鐘測試儀在達到預(yù)熱后，用通用計數(shù)器直接測量頻率值，得到內(nèi)部晶振頻率準(zhǔn)確度。計算機程序可利用內(nèi)部晶振頻率變化特性測量的空隙時間進行測量，利用“Call iwrite(3499A,＂OPEN (@000)＂+Chr$(10),11,1,0&)”指令分別開啟各個通道，每個通道各測量10次，應(yīng)用“Call iwrite（CNT91,＂:MEAS:FREQ?＂+Chr$(10),11,1,0&）”指令進行數(shù)據(jù)采集并存儲。

3.3 數(shù)據(jù)處理

在用程序?qū)νㄓ糜嫈?shù)器進行頻率測量讀數(shù)采集后，返回程序數(shù)據(jù)格式為字符型，形如“+9.99984523373E+04”，需要進行轉(zhuǎn)換為可用的長實數(shù)格式。在程序中采用移位函數(shù)Left、取字符函數(shù)Mid、字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)Val和四舍五入函數(shù)round將字符型轉(zhuǎn)換為長實數(shù)，并根據(jù)需要取有效位數(shù)，形如“99998.452”。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后按照規(guī)范的公式計算內(nèi)部晶振頻率變化特性和準(zhǔn)確度。

3.4 輸出實現(xiàn)

為保證數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)確有效，采用Visual Basic OLE Automation和Microsoft Word Visual Basic，使用指令方式實現(xiàn)對WORD格式原始記錄調(diào)用并將測量結(jié)果寫入原始記錄，校準(zhǔn)完畢后生成WORD格式原始記錄。采用該方法避免使用錄制宏方式導(dǎo)致的代碼冗長效率低的弊端。程序在測量過程中將測量結(jié)果實時寫入WORD格式原始記錄并實時顯示。通過這種方式，使用戶非常方便監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況和測量數(shù)據(jù)。

4 性能分析

為驗證和分析時鐘測試儀自動測試系統(tǒng)性能，對人工和自動兩種方式進行比較。在相同預(yù)熱時間和環(huán)境條件下，同一臺時鐘測試儀分別進行自動方式和人工方式測量，結(jié)果如表1，頻率變化特性差異1.0×10-9，小于評定的測量結(jié)果相對擴展不確定度 2.0×10-8。

表1 兩種方法內(nèi)部晶振頻率變化特性比較

5 結(jié)語

本文提出了基于GPIB接口的時鐘測試儀內(nèi)部晶振頻率自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)方案，充分利用系統(tǒng)資源和指令集，對程序進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和輸出方面的優(yōu)化,使時鐘測試儀測量效率大幅度提高。

[1]浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJF(浙)1011-2007[S].杭州：浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2007.

[2]Agilent Inc.Agilent SICL User's Guide[M/OL].http: //cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/E2094-91001.pdf, 2003-04.

[3]Agilent Inc.3499A/B/C Switch/Control System User's Manual English Version [M/OL].http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/03499-90017.pdf, 2009-03.