劉 飛 汪 民 鄔鵬程

(公安部第一研究所，北京 100048)

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基于GPIB接口的數(shù)字多用表自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 飛 汪 民 鄔鵬程

(公安部第一研究所，北京 100048)

GPIB接口是將可程控儀器互相連接組成自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的主流控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)試工作的各個(gè)領(lǐng)域。本文通過對(duì)數(shù)字多用表自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)，介紹了基于GPIB接口總線的自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。文章重點(diǎn)闡述了如何利用SICL函數(shù)在VB6.0環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。最后，本文對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)過程進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)予以展望。

GPIB；數(shù)字多用表；自動(dòng)化；校準(zhǔn)系統(tǒng)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量?jī)x器在測(cè)試范圍、測(cè)試速度、測(cè)試準(zhǔn)確度和測(cè)試效率等方面都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚摵蜏y(cè)試方法不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的測(cè)試手段。對(duì)于計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)來說，由于儀器智能化程度不斷提高及檢測(cè)工作量的增加，需要使用自動(dòng)化測(cè)試來快速、可靠、方便的開展測(cè)量?jī)x器的計(jì)量檢定工作。本文基于這種思想，提出了以數(shù)字多用表FLUKE45和多功能校準(zhǔn)源FLUKE 5700A為例，開發(fā)出在VB6.0環(huán)境中用SICL對(duì)帶有GPIB接口的數(shù)字多用表進(jìn)行程控，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字多用表的自動(dòng)化測(cè)試。

1 數(shù)字多用表校準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)帶有GPIB接口的數(shù)字多用表進(jìn)行校準(zhǔn)，一般都是手工操作。人工校準(zhǔn)數(shù)字多用表時(shí)，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)被檢表校準(zhǔn)點(diǎn)所在量程和多功能校準(zhǔn)源相應(yīng)輸出值，然后開始測(cè)試，等待數(shù)字多用表測(cè)量值穩(wěn)定后，手動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)全部被檢參數(shù)測(cè)試完成后，人工對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并判斷數(shù)據(jù)結(jié)論，最后打印校準(zhǔn)報(bào)告，歸檔原始記錄。在計(jì)量機(jī)構(gòu)，每年都有大量的數(shù)字多用表要求按一定的檢定周期送檢，檢定員必須手動(dòng)重復(fù)同樣的勞動(dòng)，最后給出校準(zhǔn)結(jié)果。以校準(zhǔn)FLUKE45數(shù)字多用表為例，完成所有數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)以及原始數(shù)據(jù)的整理和報(bào)告的打印，大約需要1個(gè)工作日，這與當(dāng)今智能化的科學(xué)儀器技術(shù)非常不協(xié)調(diào)。

現(xiàn)在的高級(jí)數(shù)字多用表不但智能化高、功能性強(qiáng)，而且大都帶有GPIB接口，可采用自動(dòng)化測(cè)試手段，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)存貯和處理能力，使工作效率得到大大的提高。

2 數(shù)字多用表自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究

2.1 GPIB總線結(jié)構(gòu)

GPIB總線是一種可與可程控測(cè)量?jī)x器相連接的標(biāo)準(zhǔn)并行接口總線系統(tǒng)，可把不同廠家生產(chǎn)的各種具備GPIB總線接口的可編程儀器與計(jì)算機(jī)緊密地結(jié)合起來，組建開放式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。其主要的特點(diǎn)：

1)規(guī)定了儀器支持IEEE 488.2通信協(xié)議，定義了總線上消息傳輸?shù)恼Z法結(jié)構(gòu)，包括出錯(cuò)處理在內(nèi)的詳細(xì)消息處理方法，確保了總線數(shù)據(jù)通信的可靠性；

2)定義了一些公用命令，包括操作命令和詢問命令，用于執(zhí)行儀器識(shí)別、自檢、初始化和校準(zhǔn)等功能；

3)便于將多臺(tái)帶有GPIB總線的儀器組合起來，形成較大的測(cè)試系統(tǒng)，高效靈活的完成各種不同的測(cè)試，而且組建和拆散靈活，使用方便；

4)GPIB接口編程方便簡(jiǎn)單，可使用高級(jí)編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，減輕了軟件的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

2.2 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

本自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件部分由計(jì)算機(jī)、多功能標(biāo)準(zhǔn)源、數(shù)字多用表、GPIB接口卡和打印機(jī)等組成。多功能標(biāo)準(zhǔn)源(5700A)為標(biāo)準(zhǔn)輸出源，為數(shù)字多用表提供標(biāo)準(zhǔn)的激勵(lì)源；數(shù)字多用表(FLUKE 45)為被檢儀器；計(jì)算機(jī)為本自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制中心；GPIB接口卡用來實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能標(biāo)準(zhǔn)源、數(shù)字多用表的控制，并傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)；打印機(jī)用來打印校準(zhǔn)報(bào)告。

本系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件負(fù)責(zé)與測(cè)量?jī)x器進(jìn)行通信，根據(jù)既定的測(cè)量信息，對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行相應(yīng)的操作，再把操作結(jié)果或測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。自動(dòng)校準(zhǔn)程序提供用戶操作界面，并完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。本系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器常用的測(cè)量功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的分析和處理數(shù)據(jù)能力，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)組成框圖

2.3 系統(tǒng)連接方式

典型的GPIB接口系統(tǒng)一般由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。系統(tǒng)采用的是Agilent公司的82357B USB/GPIB接口卡，通過USB與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，連接方式采用線型連接，這種方式組建和解散測(cè)試系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以初始設(shè)置模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)測(cè)試模塊和證書制作模塊為核心，選用可視化的VB6.0通用編程工具開發(fā)測(cè)試軟件，以簡(jiǎn)明、友好的用戶操作界面為人機(jī)交互接口，非常方便用戶進(jìn)行數(shù)字多用表自動(dòng)測(cè)試。系統(tǒng)通過82357B USB/GPIB接口卡以及USB/GPIB的硬件驅(qū)動(dòng)程序控制計(jì)算機(jī)與儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。82357B USB/GPIB接口提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的SICL函數(shù)，用來控制儀器并傳輸和存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。

2.4.1 常用SICL函數(shù)說明

Function iopen(ByVal addr As String)：初始化一個(gè)設(shè)備并創(chuàng)建一個(gè)與該設(shè)備相關(guān)的會(huì)話層，返回指向該會(huì)話層的一個(gè)指針，方便在程序中對(duì)該設(shè)備的控制。Addr參數(shù)是設(shè)備的GPIB地址，一般設(shè)備出廠時(shí)已經(jīng)設(shè)定，或者用戶可手動(dòng)進(jìn)行初始配置。

Function iwrite(ByVal id As Integer，ByVal buf As String，ByVal datalen As Long，ByVal endi As Integer，actual As Long)：對(duì)設(shè)備寫入操作命令。其中，id是指向該設(shè)備的一個(gè)指針描述；buf是寫入該設(shè)備的數(shù)據(jù)；datalen是寫入設(shè)備數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度；endi是一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志，非零表示發(fā)送了一個(gè)END標(biāo)志，值為零則表示沒有發(fā)送END標(biāo)志，通常取值1；actual是實(shí)際寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度，通常取0&，意為忽略此參數(shù)。

Function iread(ByVal id As Integer，buf As String，ByVal bufsize As Long，reason As Integer，actual As Long)：從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。其中，id是指向該設(shè)備的一個(gè)指針描述；buf是指向存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊的一個(gè)指針；bufsize是數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度；reason讀取終止的原因分析，通常取0&，意為忽略此參數(shù)；actual是實(shí)際讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度。

2.4.2 初始設(shè)置模塊

初始設(shè)置模塊主要完成對(duì)可程控?cái)?shù)字多用表和多功能校準(zhǔn)源的GPIB地址設(shè)置，為自動(dòng)測(cè)試做前提準(zhǔn)備。首先，利用GPIB接口卡和GPIB連接線按線性連接方式，把數(shù)字多用表和校準(zhǔn)源連接成起來，然后，在相應(yīng)對(duì)話框后輸入儀器GPIB地址，便可以進(jìn)行連接測(cè)試。如果地址設(shè)置正確和連接方式無誤，測(cè)試結(jié)果會(huì)顯示校準(zhǔn)源和數(shù)字多用表的廠商、型號(hào)、出廠編號(hào)等信息，否則會(huì)提示出現(xiàn)的錯(cuò)誤，要求進(jìn)行系統(tǒng)重新連接或是GPIB地址設(shè)置。

2.4.3 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要完成數(shù)字多用表校準(zhǔn)參數(shù)的輸入，有五項(xiàng)參數(shù)測(cè)試功能，分別為：直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流和電阻。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)要求輸入量程、單位、頻率和技術(shù)指標(biāo)等參數(shù)，在所有參數(shù)輸入后，可保存為模板。參數(shù)設(shè)置模塊如圖2所示。由于大部分?jǐn)?shù)字多用表測(cè)量功能和測(cè)試項(xiàng)目相似，下次測(cè)量時(shí)，即可導(dǎo)入模板，為測(cè)量提供了方便快捷的途徑。

圖2 參數(shù)設(shè)置模塊

以下是利用模板導(dǎo)入?yún)?shù)時(shí)部分源程序代碼：

Dim arrStr0(),strtemp As String

CommonDialog1.Filter = "文檔文件(*.lya)|*.lya"

CommonDialog1.ShowOpen

Open CommonDialog1.FileName For Input As #1

strtemp = StrConv(InputB&(LOF(1)，#1)，vbUnicode)

Close #1

arrStr0 = Split(CStr(arrStrda(0))，vbCrLf)

For i = 0 To UBound(arrStr0)

If arrStr0(i) = "" Then

Else

MSFlexGrid1.AddItem arrStr0(i)

End If

Next

2.4.4 數(shù)據(jù)測(cè)試模塊

數(shù)據(jù)測(cè)試模塊主要完成數(shù)字多用表校準(zhǔn)參數(shù)的自動(dòng)采集。本模塊會(huì)自動(dòng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并自動(dòng)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的最大和最小允許誤差，與所選定點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，分析是否符合技術(shù)指標(biāo)要求，給出判定結(jié)果。在電壓、電流、電阻功能測(cè)試轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)自動(dòng)給出提示，要求檢定員檢測(cè)連線是否正確，防止連線錯(cuò)誤燒毀儀器。數(shù)據(jù)測(cè)試模塊如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)測(cè)試模塊

在本模塊的設(shè)計(jì)中，最大允許誤差和最小允許誤差小數(shù)位的取位十分重要，取位太少會(huì)由于數(shù)據(jù)的舍取，在臨界點(diǎn)引起誤判，取位太多也會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。所以，在本模塊中，設(shè)計(jì)了程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)測(cè)量值的位數(shù)多取一位，為結(jié)果的判定提供了方便。

以下是測(cè)量直流電壓參數(shù)時(shí)部分源程序代碼：

Dim dvm，S5700A，lens5700 As Integer

Dim S5700 As String

dvm = iopen("gpib0," & Text20.Text)

S5700A = iopen("gpib0," & Text19.Text)

Call iwrite(dvm，"*RST" + Chr&(10)，5，1，0&)

Call iwrite(S5700A，"*RST" + Chr&(10)，5，1，0&)

Call iwrite(dvm，"CONF:CURR:DC" + Chr&(10)，13，1，0&)

s5700 = "OUT " & .TextMatrix(i，3) & unit1

lens5700 = Len(S5700)

Call iwrite(S5700A，S5700 + Chr&(10)，lens5700 + 1，1，0&)

Call iwrite(S5700A，"OPER" + Chr&(10)，5，1，0&)

Call iwrite(dvm，"MEAS:CURR:DC?" + Chr&(10)，14，1，0&)

Call iread(dvm，strres，20，0&，actual)

Call iwrite(S5700A，"STBY" + Chr&(10)，5，1，0&)

2.4.5 證書制作模塊

證書制作模塊會(huì)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成校準(zhǔn)證書，給檢定員的工作帶來極大的便利，而且消除了人為錄入大量的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，由于粗心大意引入的差錯(cuò)，不僅解放了勞動(dòng)力，還提高了數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)所有檢測(cè)參數(shù)點(diǎn)完成測(cè)量后，檢定員只需在證書制作模塊的相應(yīng)輸入框輸入被測(cè)儀器的相關(guān)信息和校準(zhǔn)結(jié)果，點(diǎn)擊生成校準(zhǔn)證書按鈕，校準(zhǔn)程序即可自動(dòng)生成相應(yīng)的校準(zhǔn)證書。此模塊還會(huì)自動(dòng)根據(jù)參數(shù)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算測(cè)量誤差，并輸出到校準(zhǔn)證書的相應(yīng)欄目，小數(shù)位的取舍會(huì)自動(dòng)根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行多一位取舍，符合數(shù)據(jù)修約規(guī)則。

3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及意義

1)提高測(cè)試效率。將各被檢參數(shù)制作成模板，在每次校準(zhǔn)時(shí)，導(dǎo)入被檢參數(shù)，正確連接測(cè)試連接線后，校準(zhǔn)軟件就會(huì)根據(jù)設(shè)定的被檢參數(shù)和量程，自動(dòng)采集測(cè)試數(shù)據(jù)，并自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)、結(jié)論判定等復(fù)雜處理。以校準(zhǔn)FLUKE45數(shù)字多用表為例，完成校準(zhǔn)大約僅需要10min。校準(zhǔn)過程的自動(dòng)化使檢定員從常規(guī)的煩瑣的重復(fù)性勞動(dòng)中解放出來，節(jié)約了時(shí)間，大大提高了工作效率。

2)提高測(cè)試準(zhǔn)確度。人工校準(zhǔn)數(shù)字多用表時(shí)，被檢參數(shù)必須手動(dòng)輸入，并人工讀取測(cè)量值，人工輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差計(jì)算。此過程要求檢定員在校準(zhǔn)多用表時(shí)，必須仔細(xì)認(rèn)真，否則，稍有不慎就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤輸入或是錯(cuò)誤讀數(shù)。本系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，增加了測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用GPIB接口卡控制測(cè)量?jī)x器，利用VB6.0編制自動(dòng)測(cè)試軟件，完全實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)控制，測(cè)量過程由自動(dòng)控制程序自動(dòng)完成，檢定員只需簡(jiǎn)單連線，就可利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字多用表的數(shù)據(jù)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、證書制作等功能。不僅大大提高了儀器測(cè)量速度，節(jié)省工作時(shí)間，而且便于多次重復(fù)測(cè)量，并提高測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)踐證明，組建這樣一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)是可行的。

數(shù)字多用表自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制，是將計(jì)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起的成果，本系統(tǒng)具有較高的起點(diǎn)和廣闊的發(fā)展前景，對(duì)其它儀器的自動(dòng)測(cè)試起到了推動(dòng)作用，并打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.16