尹麗云，許興明，王心元

(北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039)

0 引言

儀器的計(jì)量校準(zhǔn)檢定是恢復(fù)、保持設(shè)備性能指標(biāo)，保證測(cè)量準(zhǔn)確可靠的技術(shù)手段。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，儀器的測(cè)量范圍越來(lái)越廣，測(cè)量的速度和精度要求也越來(lái)越嚴(yán)格[1]。對(duì)于需要多臺(tái)儀器、測(cè)試參數(shù)較復(fù)雜的測(cè)試項(xiàng)目，依靠傳統(tǒng)的測(cè)試方法，不僅測(cè)量效率低，而且無(wú)法保證測(cè)量的可靠性。移動(dòng)計(jì)量保障車是對(duì)不便于送到實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備進(jìn)行檢定，為各單位科研試驗(yàn)任務(wù)或突發(fā)事件的計(jì)量需求提供設(shè)施和技術(shù)保障的重要設(shè)備。計(jì)量車內(nèi)同時(shí)配備數(shù)字表、數(shù)據(jù)采集器、示波器、信號(hào)發(fā)生器等多種設(shè)備，為了便于對(duì)儀器的控制管理，保障車內(nèi)多采用局域網(wǎng)的控制方式。針對(duì)計(jì)量保障車內(nèi)空間有限、設(shè)備復(fù)雜的布局，對(duì)PXI數(shù)字表模塊的檢定，本文設(shè)計(jì)了一種基于PXI總線的數(shù)字表網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW作為測(cè)試軟件開發(fā)平臺(tái)，利用多功能校準(zhǔn)源5520A實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

系統(tǒng)用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)完成對(duì)被測(cè)數(shù)字表模塊的自動(dòng)測(cè)試，其中主控計(jì)算機(jī)控制校準(zhǔn)源5520A，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和證書報(bào)告的生成，客戶端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)把從數(shù)字表采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸至主控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由5520A多功能校準(zhǔn)源、GPIB接口卡、被檢數(shù)字多用表 (以PXI－4060數(shù)字表模塊為例)、PXI機(jī)箱、主控計(jì)算機(jī)、客戶端計(jì)算機(jī)組成。多功能校準(zhǔn)源5520A用來(lái)校準(zhǔn)6位半以下的數(shù)字儀表，同時(shí)它本身帶有GPIB接口，為儀器的可程控性創(chuàng)造了條件。PXI－4060是NI公司生產(chǎn)的一款5位半的數(shù)字多用表，具有通用測(cè)量功能。該模塊附帶的NI-DMM驅(qū)動(dòng)軟件多采用LabVIEW編程，編程時(shí)可以調(diào)用已有的程序模塊，提高編程效率[2]。主控計(jì)算機(jī)作為計(jì)量系統(tǒng)的控制中心，客戶計(jì)算機(jī)通過PXI總線來(lái)完成對(duì)數(shù)字表的控制。接口卡選用NI公司的USB-GPIB接口卡，該卡作為控制卡，在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中廣泛使用。

1.2 工作原理

通過計(jì)算機(jī)對(duì)可程控的5520A型多功能校準(zhǔn)源和數(shù)字多用表PXI－4060進(jìn)行程控，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字多用表模塊的自動(dòng)檢測(cè)。將校準(zhǔn)源的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、電阻等信號(hào)程控輸出，分別加到被檢數(shù)字多用表模塊上，然后通過客戶端計(jì)算機(jī)上安裝的PXI接口卡和MXI電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用LabVIEW基于C/S模式編寫TCP/IP通信的服務(wù)器端和客戶端應(yīng)用程序，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)VI能夠與遠(yuǎn)程應(yīng)用程序建立通信。主控計(jì)算機(jī)控制多功能校準(zhǔn)源輸出相應(yīng)的信號(hào)。客戶端計(jì)算機(jī)將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和超差判斷。自動(dòng)檢定系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)檢定系統(tǒng)原理框圖

由于校準(zhǔn)器5520A與數(shù)字表 PXI－4060距離較遠(yuǎn)，需采用較長(zhǎng)的連接線。為了降低引線上的影響，在測(cè)量10 kΩ以下的低量程電阻時(shí)，采用四線測(cè)量法消除引線電阻的影響。在測(cè)量交流電壓時(shí)采用雙絞屏蔽線纜，把電磁干擾對(duì)交流電壓測(cè)量的影響降到最低。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字表網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)儀表檢定過程的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和鑒定證書打印等功能。利用NI公司的可視化編程工具LabVIEW，將系統(tǒng)軟件的功能按模塊化實(shí)現(xiàn)，并通過用戶界面和后臺(tái)應(yīng)用程序的組織方法，將軟件的功能與具體業(yè)務(wù)需求有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出一套檢定管理程序。

2.1 界面及功能設(shè)計(jì)

用戶界面主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行的初始參數(shù)設(shè)置、測(cè)試功能選擇、測(cè)試過程數(shù)據(jù)顯示和測(cè)試結(jié)果處理操作等人機(jī)對(duì)話，系統(tǒng)前面板示意圖如圖2所示。

測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行之前，必須對(duì)系統(tǒng)中的各程控儀器進(jìn)行硬件地址和軟件參數(shù)信息設(shè)置。GPIB設(shè)備地址范圍在1～31之間，校準(zhǔn)源5520A地址設(shè)置應(yīng)該與儀器的實(shí)際地址保持一致，圖2中相應(yīng)的設(shè)定5520A的地址為4。同時(shí)還應(yīng)該設(shè)置被檢數(shù)字表模塊所在計(jì)算機(jī)的IP地址，以確保兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信正常進(jìn)行。儀器地址和IP地址設(shè)置完畢后，還要指定信息文件存儲(chǔ)路徑和文件名稱，以確保信息文件調(diào)用的準(zhǔn)確性。

圖2 系統(tǒng)前面板示意圖

測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化編程，首先將儀器的各種功能模塊化，然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的要求。模塊化方法雖然開發(fā)工作量大，但使用簡(jiǎn)單，且便于升級(jí)和更改。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)PXI－4060實(shí)現(xiàn)了DCV，ACV，OHM，ACI，DCI 5種測(cè)試功能，如圖3所示。用戶可以選擇任意一項(xiàng)功能執(zhí)行測(cè)試，也可以根據(jù)需求將5個(gè)測(cè)量模塊作為一個(gè)整體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體綜合測(cè)試。

圖3 系統(tǒng)選項(xiàng)測(cè)試界面示意圖

在測(cè)試檢定過程中，為了更直觀監(jiān)視實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)，被檢儀器的量程、實(shí)際測(cè)量值、各測(cè)試點(diǎn)的允許誤差、實(shí)際誤差及測(cè)量結(jié)論全部在前面板上以表格形式顯示出來(lái)。當(dāng)判定不合格時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出響聲提醒操作者，并在屏幕上用紅色顯示“超差”，在超差點(diǎn)前加*表示超差。

測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行完畢后，可根據(jù)證書上超差點(diǎn)的情況和超差數(shù)值，對(duì)被檢數(shù)字表的超差量程進(jìn)行校準(zhǔn)。

測(cè)試前進(jìn)行信息錄入，如儀器的編號(hào)、送檢單位等。設(shè)置完畢，點(diǎn)擊左上角的測(cè)試進(jìn)入測(cè)試界面，選擇測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。按照模塊化的思路，將主程序分為單項(xiàng)測(cè)試和綜合測(cè)試，其中單項(xiàng)測(cè)試界面示意圖如圖3所示。

單項(xiàng)測(cè)試將5個(gè)主要功能模塊放置在自動(dòng)檢定程序的前面板上，根據(jù)需要從主程序界面調(diào)用模塊進(jìn)行檢定。綜合測(cè)試程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)字表各功能的依次檢定。當(dāng)測(cè)試完畢后，系統(tǒng)把信息存儲(chǔ)文件中包含的相關(guān)信息導(dǎo)入證書中。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)程序時(shí)要依據(jù)檢定規(guī)程和檢定技術(shù)，掌握標(biāo)準(zhǔn)源和被檢表的技術(shù)指標(biāo)和程控指令[3]。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)字表模塊的5個(gè)功能進(jìn)行檢定，依據(jù)檢定規(guī)程JJG315－83，JJG598－89，JJG34－1999，JJG35－1999，JJG724－91，對(duì)應(yīng)于數(shù)字表的交直流電壓、交直流電流和電阻等5個(gè)基本功能的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。程序設(shè)計(jì)流程圖和部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序如圖4，5所示。

程序設(shè)計(jì)分主程序和客戶端子程序兩部分實(shí)現(xiàn)，主程序?qū)崿F(xiàn)界面參數(shù)設(shè)置、功能選擇和數(shù)據(jù)顯示等功能，客戶端子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)主程序選擇設(shè)置功能的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)?？蛻舳俗映绦驈闹鞒绦蚪邮諗?shù)據(jù)信息對(duì)數(shù)字表模塊進(jìn)行相應(yīng)的配置。系統(tǒng)工作時(shí)需要同時(shí)運(yùn)行主程序和客戶端子程序。子程序根據(jù)TCP/IP協(xié)議與主程序建立連接后，接受主程序發(fā)送過來(lái)的字符串，對(duì)數(shù)字表進(jìn)行功能的設(shè)置和量程的選擇，同時(shí)把數(shù)字表的讀數(shù)發(fā)送回至主程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)后續(xù)判斷和處理。

2.3 證書生成

通信協(xié)議讓程序指定需要發(fā)送或接受的數(shù)據(jù)，并指定出發(fā)地和目的地位置，通過LabVIEW內(nèi)置的DDE和ActiveX協(xié)議滿足通信的需要[4]。Excel預(yù)先編制出符合標(biāo)準(zhǔn)的證書模板，利用LabVIEW的通信功能把采集的數(shù)據(jù)傳遞到Excel表格中預(yù)先設(shè)定好的位置。當(dāng)需要打印生成證書時(shí)，調(diào)用Excel中固化的程序把相關(guān)文本信息中的內(nèi)容導(dǎo)入指定格式的證書中[5]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)PXI－4060數(shù)字表模塊分別采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和手動(dòng)測(cè)試方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試比較結(jié)果如表1所示。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖5 部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序

表1 PXI－4060部分?jǐn)?shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，兩種測(cè)試方法的結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)完全可以滿足對(duì)數(shù)字表模塊的電壓、電流、電阻等電學(xué)參量的測(cè)試，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)按照數(shù)字多用表計(jì)量檢定規(guī)程采用直接測(cè)量法，具有數(shù)字化、自動(dòng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)是采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，被檢數(shù)字表每一個(gè)功能的檢定程序都被設(shè)計(jì)為一個(gè)功能模塊，方便系統(tǒng)中增加新型表的自動(dòng)檢定程序。該測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用在總參某計(jì)量站，為完成計(jì)量測(cè)試任務(wù)起到了重要作用。

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