歐陽紅軍 丁 丁 李 熒 王曉明

（國防科技大學(xué)教研保障中心，湖南長沙410073）

1 引 言

軍事計量是以科學(xué)的測量技術(shù)手段來實施武器裝備系統(tǒng)和儀器儀表檢定/校準(zhǔn)的，保障武器裝備在非戰(zhàn)時一直處于完好的戰(zhàn)備狀態(tài)，在戰(zhàn)爭中能夠發(fā)揮優(yōu)越的戰(zhàn)斗效能。我國國土遼闊，在軍事上具有良好的縱深，然而廣闊的地域使得武器裝備分布范圍較大，加大了部隊的計量保障任務(wù)，尤其在戰(zhàn)時環(huán)境下，運輸條件急劇惡化，使得武器裝備的送檢工作非常困難，特別是計量參數(shù)多的大型尖端武器裝備，對實時計量要求高，由于無法滿足這些需求，制約武器裝備發(fā)揮效能。

目前，最常采用的校準(zhǔn)方式為部隊將武器裝備系統(tǒng)和儀器儀表送到上級計量中心，或者由專業(yè)計量人員攜帶計量標(biāo)準(zhǔn)到現(xiàn)場進行校準(zhǔn)。這種常見的校準(zhǔn)方式所需的時間和金錢成本較高、難于管理，導(dǎo)致校準(zhǔn)工作的效率不高，已遠滯后于武器裝備計量保障的需要。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，許多測量儀器和設(shè)備都可通過編程命令進行控制操作，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與目前常見校準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合的遠程校準(zhǔn)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，是未來技術(shù)發(fā)展的方向［1，2］。通過遠程校準(zhǔn)技術(shù)，專業(yè)計量人員可以依托網(wǎng)絡(luò)完成前線裝備的校準(zhǔn)和檢測，實現(xiàn)機動計量保障功能，同時還可以促進軍民融合計量保障體系建立，在國際比對、實驗室認(rèn)可等方面發(fā)揮重要作用［3］。

目前，美國NIST（國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院）、英國NPL（國家物理實驗室）、日本NMIJ（國家計量院）和中國NIM（計量科學(xué)研究院）等都開展了遠程計量方面的相關(guān)研究［4］，例如NIST 利用遠程校準(zhǔn)技術(shù)完成氣體大流量的校準(zhǔn)服務(wù)［5］；NPL 通過網(wǎng)絡(luò)視頻通信指導(dǎo)校準(zhǔn)工作，并遠程發(fā)布校準(zhǔn)證書；NMIJ 通過3km 光纖完成了量塊長度的校準(zhǔn)；NIM也將遠程校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用在時間頻率校準(zhǔn)與溯源過程中等。雖然我國已經(jīng)開始遠程校準(zhǔn)相關(guān)研究工作，但研究成果相對較少。開展遠程校準(zhǔn)技術(shù)研究可以彌補我國計量標(biāo)準(zhǔn)分布較散等缺點，有助于提升計量校準(zhǔn)的國際影響力。虛擬儀器（VI）是將軟件和硬件結(jié)合在一起的測量控制系統(tǒng)［6，7］，由美國儀器公司（NI）開發(fā)的圖形化編程工具LabVIEW，其提供友好的人機界面，方便專業(yè)計量人員在虛擬儀器界面操作儀器，更好地完成校準(zhǔn)服務(wù)。

2 遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)介紹

遠程校準(zhǔn)是一種遠距離校準(zhǔn)，一般由專業(yè)計量人員利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實時、異地、遠程地控制參與校準(zhǔn)過程的各種儀器儀表，從而獲取被校準(zhǔn)儀器儀表的各項計量特性［8］。類似于常見的校準(zhǔn)過程，遠程校準(zhǔn)過程也具有高等級計量標(biāo)準(zhǔn)、被校準(zhǔn)對象、依據(jù)的校準(zhǔn)文件等要素。在大多數(shù)情況下，被校準(zhǔn)對象與高等級計量標(biāo)準(zhǔn)在同一個地方。遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)一般采用客戶端/服務(wù)器模式，主要有客戶端、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)傳輸這三個必要組成部分。遠程校準(zhǔn)系模塊框圖如圖1 所示，其中客戶端為校準(zhǔn)現(xiàn)場，客戶端計算機與儀器相連，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸部分與服務(wù)器相連；網(wǎng)絡(luò)傳輸部分負(fù)責(zé)傳輸客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)和命令；服務(wù)器由專業(yè)計量人員操作，對客戶端的儀器進行遠程校準(zhǔn)，并全程監(jiān)督客戶端。遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠采集遠程儀器設(shè)備的狀態(tài)信息，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控功能，記錄和分析測量原始數(shù)據(jù)，生成和傳送校準(zhǔn)報告，同時還可以滿足一些特殊要求，具有良好的可擴展性［9，10］。

相對于傳統(tǒng)校準(zhǔn)過程，遠程校準(zhǔn)具有以下五個優(yōu)點。

1）被校準(zhǔn)儀器不需經(jīng)路途運輸至專業(yè)計量人員處，實現(xiàn)了人員與校準(zhǔn)現(xiàn)場的分離，大大縮短了校準(zhǔn)所需時間，減小校準(zhǔn)所需成本；

2）專業(yè)計量人員身份信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過用戶名和密碼登陸校準(zhǔn)主界面，若無該校準(zhǔn)權(quán)限，則無法登陸操作校準(zhǔn)，方便管理校準(zhǔn)權(quán)限；

3）計量技術(shù)機構(gòu)可將校準(zhǔn)結(jié)果進行電子存檔，用戶下次校準(zhǔn)和檢查時可以調(diào)用該結(jié)果，提供長期的校準(zhǔn)歷史檔案存取和無紙跟蹤；

4）用戶可以選擇在任何地方實行校準(zhǔn)，只需通過Internet 與專業(yè)計量人員連接即可完成校準(zhǔn)操作；

5）遠程校準(zhǔn)克服了傳統(tǒng)校準(zhǔn)周期長、不確定度高、溯源鏈過長、效率低的缺點，可直接溯源較高等級的標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的現(xiàn)實意義。

圖1 遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)模塊框圖Fig.1 Block diagram of remote calibration system module

3 遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)

本文利用Keithley 2000 數(shù)字多用表和費思可編程直流電子負(fù)載FT6301A 遠程校準(zhǔn)Maynuo M8831 程控穩(wěn)壓電源，實現(xiàn)了基于LabVIEW 的遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)，其流程如圖2 所示。遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)儀器是六位半數(shù)字多用表Keithley 2000，其直流電壓在90 天內(nèi)的浮動保持在0.002%以內(nèi)，電阻的阻值在90 天內(nèi)的浮動保持在0.008%以內(nèi)［10］；待校準(zhǔn)儀器是新一代可編程電源Maynuo M8831，其在實驗室中使用較為廣泛；電子負(fù)載使用的是Faith FT6301A，它是費思科技研制的新一代高性能可編程電子負(fù)載［11］；用于實時監(jiān)督的網(wǎng)絡(luò)攝像機是AXIS M1011 - W，它兼具有線和無線接口，支持MPEG-4 和H.264 視頻流，具有體積小、像素高等特點，滿足實時高質(zhì)量的監(jiān)控要求。

圖2 遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)流程框圖Fig.2 Flow chart of remote calibration system

專業(yè)計量人員處在服務(wù)器端，通過驗證用戶名和密碼進行登陸，登陸成功后進入校準(zhǔn)主界面，點擊連接客戶端，提示成功后即可進行校準(zhǔn)操作。校準(zhǔn)現(xiàn)場處在客戶端，客戶端通過遠程端口號和服務(wù)器端的IP 地址連接服務(wù)器，由專業(yè)計量人員遠程控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三臺可編程儀器對Maynuo M8831 進行校準(zhǔn)，同時利用網(wǎng)絡(luò)攝像機AXIS M1011 -W 全程監(jiān)控校準(zhǔn)現(xiàn)場的校準(zhǔn)過程。根據(jù)Maynuo M8831 的文件要求，遠程校準(zhǔn)的項目有負(fù)載調(diào)整率、電壓和電流的示值誤差等，當(dāng)校準(zhǔn)操作結(jié)束后，可自動生成校準(zhǔn)結(jié)果文件，方便得到待校準(zhǔn)儀器的示值誤差。

3.1 服務(wù)器設(shè)計

遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)的登陸界面簡潔明了，如圖3 所示，包含了前言、產(chǎn)品功能、產(chǎn)品應(yīng)用、制作團隊、幫助等信息，有助于軟件使用者快速熟悉該校準(zhǔn)系統(tǒng)。專業(yè)計量人員通過其注冊的用戶名和密碼進行登陸，若該用戶名和密碼與后臺數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)一致則驗證通過，登陸成功，否則失敗。專業(yè)計量人員信息驗證成功之后進入校準(zhǔn)主界面，主界面主要包括三臺儀器的操作、攝像頭監(jiān)控和控制校準(zhǔn)3 個模塊，如圖4 所示。此時校準(zhǔn)現(xiàn)場的客戶端通過遠程端口號8888 和服務(wù)器端的IP 地址進行連接，專業(yè)計量人員遠程控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三臺可編程儀器對Maynuo M8831 進行校準(zhǔn)。同時，專業(yè)計量人員利用網(wǎng)絡(luò)攝像機AXIS M1011-W 全程監(jiān)控校準(zhǔn)現(xiàn)場的校準(zhǔn)過程，如其身臨校準(zhǔn)現(xiàn)場。該遠程校準(zhǔn)平臺校準(zhǔn)Maynuo M8831 的項目有負(fù)載調(diào)整率、電壓和電流的示值誤差；當(dāng)校準(zhǔn)人員需要存儲剛剛得到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，只需點擊“保存數(shù)據(jù)”按鍵即可自動生成Excel 文檔。當(dāng)校準(zhǔn)操作結(jié)束之后，點擊“校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”按鍵查看校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，點擊“校準(zhǔn)結(jié)果”按鍵即可自動生成校準(zhǔn)結(jié)果文件，方便校準(zhǔn)人員得到待校準(zhǔn)儀器的示值誤差。

圖3 服務(wù)器的登陸界面Fig.3 The server login interface

圖4 校準(zhǔn)主界面Fig.4 The calibration main interface

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分主要負(fù)責(zé)傳輸客戶端與服務(wù)器之間的通信，目前的網(wǎng)絡(luò)通信主要有TCP/IP 協(xié)議，它可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中各電腦之間的通信。LabVIEW軟件中帶有TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的各種VI，其中TCP Listen 負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端的端口號8888 是否觸發(fā)連接需求，當(dāng)有連接需求觸發(fā)時，TCP Open Connection 向服務(wù)器的端口號8888 請求連接，當(dāng)服務(wù)器和客戶端連接后，TCP Write/Read 負(fù)責(zé)兩端的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)整個校準(zhǔn)過程結(jié)束后，TCP Close Connection 關(guān)閉由TCP Open Connection 創(chuàng)建的連接［5］，服務(wù)器端TCP 傳輸?shù)某绦蚩驁D如圖5所示。

圖5 服務(wù)器端TCP 傳輸?shù)某绦蚩驁DFig.5 Program chart of serve-side TCP transmission

3.3 客戶端設(shè)計

客戶端為校準(zhǔn)現(xiàn)場，標(biāo)準(zhǔn)儀器、待校準(zhǔn)儀器及電子負(fù)載均通過RS232 接口與計算機連接，網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過USB 接口與計算機連接，由客戶端的LabVIEW 程序統(tǒng)一進行控制，Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 之間采用普通的電源線實現(xiàn)電流傳輸，如圖6 所示，其中加粗線為電源線，細(xì)實線為數(shù)據(jù)線。計算機經(jīng)由網(wǎng)口接入局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器端進行交互。LabVIEW 軟件可利用NI 的強大驅(qū)動程序，LabVIEW 中基于自底向上結(jié)構(gòu)模型的VISA 創(chuàng)造了一個統(tǒng)一形式的I/O 控制函數(shù)集，可以與目前絕大多數(shù)中總線通信，客戶端與儀器連接程序框圖如圖7 所示，其利用VISA 實現(xiàn)了RS232 和USB 的連接，客戶端計算機統(tǒng)一控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三臺儀器［6］。

圖6 校準(zhǔn)現(xiàn)場端儀器連接圖Fig.6 Calibration field instrument connection diagram

圖7 客戶端與儀器連接程序框圖Fig.7 Program block diagram of connection between client and instrument

4 遠程校準(zhǔn)結(jié)果分析

本次遠程校準(zhǔn)Maynuo M8831 的項目有負(fù)載調(diào)整率、電壓和電流的示值誤差等。以Maynuo M8831的直流電壓示值誤差校準(zhǔn)項目為例，介紹校準(zhǔn)步驟如下。

步驟1:在Faith 選項卡下，點擊“On/Off”按鍵，關(guān)閉Faith FT6301A 輸入；

步驟2:切換到Maynuo 選項卡，依次點擊“VSet”、“0”、“Enter”三個按鍵，設(shè)置Maynuo M8831 電壓輸出為0V，點擊“Recall”按鍵讀取回讀Maynuo M8831 輸出電壓值，點擊“保存數(shù)據(jù)”按鍵保存數(shù)據(jù)；

步驟3:切換到Keithley 選項卡，點擊“DC”按鍵讀取電壓值，點擊“保存數(shù)據(jù)”按鍵保存數(shù)據(jù)；

步驟4:設(shè)置Maynuo M8831 電壓輸出依次為5V，10V，15V，20V，25V，30V，重復(fù)步驟2、步驟3。

第一次點擊“保存數(shù)據(jù)”按鍵時，系統(tǒng)根據(jù)操作時間自動生成Excel 文檔保存數(shù)據(jù)，當(dāng)校準(zhǔn)操作都結(jié)束之后，點擊“校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”按鍵查看自動生成的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，見表1。點擊“校準(zhǔn)結(jié)果”按鍵即可自動生成校準(zhǔn)結(jié)果文件，見表2，其中M8831的負(fù)載調(diào)整率由式（1）至式（5）計算得到，代入表1 中的測量數(shù)據(jù)，得到M8831 的負(fù)載調(diào)整率為0.082 407 4%。

表1 M8831 的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration data for M8831

表2 M8831 的校準(zhǔn)結(jié)果Tab.2 Calibration results for M8831

通過表2 專業(yè)計量人員可以清楚的看到待校準(zhǔn)儀器M8831 校準(zhǔn)項目的示值誤差，根據(jù)M8831 說明書給出的最大允許值，該誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

遠程校準(zhǔn)技術(shù)克服了傳統(tǒng)校準(zhǔn)必須“人機一體”的缺點，由于其分離了校準(zhǔn)人員和校準(zhǔn)儀器，使其可應(yīng)用在復(fù)雜惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，專業(yè)計量人員在遠程端即可校準(zhǔn)處在戰(zhàn)場的武器裝備，從而保障武器裝備系統(tǒng)和儀器儀表的檢定校準(zhǔn)，對于軍事計量的發(fā)展具有重要意義。本文分析了遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，基于LabVIEW 開發(fā)平臺，從整體到局部完成遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了高等級萬用表Keithley 2000 對電源Maynuo M8831 的遠程校準(zhǔn)操作，滿足了校準(zhǔn)要求，該遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)在提高校準(zhǔn)工作效率的同時，降低了校準(zhǔn)成本，具有重要的現(xiàn)實意義。