卞德軍，李賢喆

（中國(guó)人民解放軍91388 部隊(duì)，廣東 湛江 524000）

0 引 言

信號(hào)調(diào)理裝置可以對(duì)電壓、電流、頻率、溫度等信號(hào)進(jìn)行降噪、增益、干擾抑制、源激勵(lì)、噪聲屏蔽、輸出補(bǔ)償、信號(hào)保護(hù)等操作，因此信號(hào)調(diào)理裝置在科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)控制系統(tǒng)中起著重要作用。傳統(tǒng)信號(hào)調(diào)理裝置需要對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和被測(cè)儀器進(jìn)行人工操作，需頻繁切換不同功能和改變輸入輸出數(shù)值，記錄數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。信號(hào)調(diào)理裝置型號(hào)眾多，大量數(shù)據(jù)處理過程繁雜，容易出錯(cuò)。從測(cè)量開始到記錄原始數(shù)據(jù)，再到數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)錄入和測(cè)試證書的制作，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此為了滿足準(zhǔn)確、可靠、迅速、高效的測(cè)試要求，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為計(jì)量部門必須具備的測(cè)試手段之一。 本 文 基 于National Instruments 公 司 研 發(fā) 的LabVIEW 軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，通過VISA 驅(qū)動(dòng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的交互，提出一種基于多通道程控信號(hào)源SU1009 和NI6363 數(shù)字采集卡的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將手動(dòng)操作標(biāo)準(zhǔn)源、記錄測(cè)試數(shù)據(jù)、處理測(cè)試數(shù)據(jù)、出具證書等程序化和自動(dòng)化，從而大幅提高了測(cè)試工作的效率，同時(shí)降低了人工操作帶來的錯(cuò)誤和誤差。

1 測(cè)量原理和系統(tǒng)組成

系統(tǒng)是由多通道程控信號(hào)源SU1009、NI6363 數(shù)字采集卡、直流供電電源、被校信號(hào)調(diào)理裝置（模塊+板卡）、接口卡及接口電纜、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)測(cè)試軟件組成。通過USB 電纜將計(jì)算機(jī)與多通道程控信號(hào)源SU1009、數(shù)據(jù)采集卡NI6363 連接起來。將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的16 個(gè)輸出通道與待測(cè)信號(hào)調(diào)理裝置對(duì)應(yīng)的通道依次連接，待測(cè)信號(hào)調(diào)理裝置的16 個(gè)輸出通道與數(shù)字采集卡的對(duì)應(yīng)通道依次連接，待測(cè)信號(hào)調(diào)理裝置采用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電。通過計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化軟件程控標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，根據(jù)測(cè)試流程開啟或關(guān)閉通道實(shí)現(xiàn)不同通道的自動(dòng)切換。根據(jù)輸入信號(hào)的頻率設(shè)置采集卡的采樣頻率，采集對(duì)應(yīng)通道的連續(xù)信號(hào)，通過離散傅里葉變換獲取標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)參數(shù)，并與數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，判斷檢測(cè)點(diǎn)是否合格，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后根據(jù)需求生成原始數(shù)據(jù)記錄和測(cè)試證書報(bào)告，從而實(shí)現(xiàn)多通道全自動(dòng)測(cè)試。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括硬件的邏輯控制和軟件的數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，具體為：待測(cè)設(shè)備信息的錄入、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的調(diào)節(jié)控制與輸出、采集卡的設(shè)置與采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理、原始記錄和測(cè)試報(bào)告的生成與打印等，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分是基于National Instruments 公司研發(fā)的LabVIEW 軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的，是通過VISA 驅(qū)動(dòng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的交互，結(jié)合通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)的一套信號(hào)調(diào)理裝置自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)分析處理數(shù)據(jù)的軟件。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件部分包含用戶和設(shè)備信息管理模塊、測(cè)試項(xiàng)目選擇模塊和測(cè)試結(jié)果模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

用戶登錄測(cè)試軟件，首先進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置和待測(cè)試信號(hào)調(diào)理裝置模板的選擇；然后開始測(cè)試任務(wù)信息錄入，如果客戶有特殊的測(cè)試點(diǎn)要求，可以適當(dāng)?shù)靥砑踊蛘邉h除測(cè)試點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)采集通道狀態(tài)是否正常。按預(yù)設(shè)流程開啟測(cè)試任務(wù)，所有測(cè)量點(diǎn)測(cè)試完畢，根據(jù)需求處理和保存測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2 各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 信息管理模塊

信息管理部分主要完成通信設(shè)置、賬號(hào)密碼管理和設(shè)備信息管理。通信設(shè)置主要完成計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、數(shù)字采集卡通信連接參數(shù)的設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)室采用計(jì)算機(jī)通過USB 纜線將主標(biāo)準(zhǔn)器SU1009 與數(shù)字采集卡連接通信。打開設(shè)置頁面，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)掃描每臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)的地址，掃描完成后顯示于界面中，檢定員可根據(jù)實(shí)際需求更改地址。通信配置信息可保存于數(shù)據(jù)庫中，并在用戶下次開啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)默認(rèn)顯示該配置信息。設(shè)備信息管理主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)信號(hào)調(diào)理裝置信息的創(chuàng)建、更新、刪除等。不同型號(hào)的設(shè)備，其待測(cè)項(xiàng)目、測(cè)試點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)值是不同的，在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮，分別建立相應(yīng)命令集。測(cè)試時(shí)，同樣應(yīng)避免手動(dòng)錄入或更改參數(shù)，一旦確定被測(cè)試設(shè)備的型號(hào)，則系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用所選型號(hào)的預(yù)置測(cè)試模板。通過預(yù)置模板程序開始測(cè)試任務(wù)，可在大幅提高測(cè)試工作效率的同時(shí)，降低人工操作帶來的錯(cuò)誤和誤差。當(dāng)數(shù)據(jù)庫中無待測(cè)試信號(hào)調(diào)理裝置型號(hào)時(shí)，檢定員可依據(jù)儀器設(shè)備說明書新建儀器設(shè)備信息庫，用戶可以根據(jù)設(shè)備的型號(hào)、檢定日期、編號(hào)等信息檢索設(shè)備，待測(cè)設(shè)備所有信息均顯示于列表中，用戶選定表格中的設(shè)備信息，通過特定控件對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行添加、刪除或更新。

2.2.2 測(cè)試任務(wù)模塊

為滿足實(shí)驗(yàn)室工作需要，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)模塊主要包括電壓、電流、頻率信號(hào)調(diào)理模塊。其中電壓信號(hào)調(diào)理模塊包括直流電壓信號(hào)的線性誤差測(cè)試模塊、直流電壓信號(hào)測(cè)試值誤差測(cè)試模塊、直流電壓信號(hào)增益倍數(shù)測(cè)試模塊、線性頻率響應(yīng)測(cè)試模塊；電流信號(hào)調(diào)理模塊包括線性誤差測(cè)試模塊、穩(wěn)定性測(cè)試模塊；頻率信號(hào)調(diào)理模塊包括線性誤差測(cè)試模塊、穩(wěn)定性測(cè)試模塊。進(jìn)入測(cè)試任務(wù)模塊后，首先選擇被測(cè)試設(shè)備的型號(hào)，彈出窗口顯示預(yù)置測(cè)試模板，檢定員可根據(jù)用戶的特殊需求對(duì)預(yù)置模板的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行修改保存，下次計(jì)量時(shí)刻直接調(diào)用。信息配置完成后，即可開始測(cè)試任務(wù)，按照模板中流程依次對(duì)待測(cè)試信號(hào)調(diào)理裝置的項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)量。測(cè)試過程中，控件實(shí)時(shí)顯示被測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)量值及多次測(cè)量的平均值，同時(shí)判斷各測(cè)試點(diǎn)是否滿足要求。測(cè)試任務(wù)完成后，系統(tǒng)停止發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)值和采集數(shù)據(jù)，并生成測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)覽報(bào)表，其流程如圖3 所示。

圖3 測(cè)試任務(wù)執(zhí)行流程

2.2.3 測(cè)試結(jié)果模塊

測(cè)試結(jié)果模塊包括原始數(shù)據(jù)記錄和測(cè)試證書報(bào)告查詢、原始數(shù)據(jù)記錄的生成、測(cè)試證書報(bào)告的生成三部分。用戶可根據(jù)測(cè)試設(shè)備編號(hào)、證書編號(hào)、測(cè)試時(shí)間、送檢單位等信息查詢測(cè)試記錄，歷史測(cè)試記錄在列表中顯示。選擇表格中的任一記錄，便可預(yù)覽設(shè)備和送檢單位信息，根據(jù)需求生成該設(shè)備的原始數(shù)據(jù)記錄和測(cè)試證書報(bào)告。本文自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)按照測(cè)試規(guī)范和質(zhì)量體系的要求制作測(cè)試證書報(bào)告的模板，選擇設(shè)備編號(hào)檢索數(shù)據(jù)庫，并按預(yù)置的數(shù)據(jù)處理方法處理測(cè)試數(shù)據(jù)，通過LabVIEW 中的VI 程序?qū)⒃O(shè)備信息和處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)寫入Word 空白模板，導(dǎo)出原始記錄或測(cè)試證書報(bào)告。

3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

數(shù)據(jù)處理是根據(jù)信號(hào)調(diào)理裝置測(cè)試規(guī)范，將采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中預(yù)置技術(shù)指標(biāo)庫進(jìn)行對(duì)比，判斷測(cè)試數(shù)據(jù)是否滿足要求，作為測(cè)試證書報(bào)告的結(jié)論。自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)需要評(píng)價(jià)是否能夠準(zhǔn)確地對(duì)儀表進(jìn)行計(jì)量，因此需要對(duì)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量結(jié)果以及手動(dòng)計(jì)量結(jié)果進(jìn)行可靠性對(duì)比試驗(yàn)，以及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)本身計(jì)量結(jié)果的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一使用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)和手動(dòng)測(cè)試方法，分別對(duì)某一型號(hào)信號(hào)調(diào)理裝置的線性頻率響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。頻率范圍為20～2 000 Hz，采用1/ 3 倍頻程的方法選取測(cè)試點(diǎn)，輸入電壓幅值為2 V。將示值誤差的絕對(duì)值換算為相對(duì)誤差，分析對(duì)比2 組數(shù)據(jù)之間的誤差，最大誤差僅為0.8%，表明自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果能夠很好地滿足設(shè)備指標(biāo)，且人工和自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。系統(tǒng)測(cè)試與人工測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試與人工測(cè)試結(jié)果對(duì)比 V

實(shí)驗(yàn)二對(duì)同一信號(hào)調(diào)理裝置的線性頻率響應(yīng)進(jìn)行4 次測(cè)試，通過計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的測(cè)試誤差，對(duì)數(shù)據(jù)重復(fù)性進(jìn)行分析。為了更清晰地看出各測(cè)試點(diǎn)的變化趨勢(shì)，以輸入值2 V 為參考，將測(cè)試數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖4 所示。由表1 中數(shù)據(jù)與圖4 可知，每次測(cè)試中各測(cè)試點(diǎn)的趨勢(shì)相同，且各測(cè)量點(diǎn)4 次測(cè)試結(jié)果最大誤差小于1%，數(shù)據(jù)重復(fù)性高，系統(tǒng)讀數(shù)穩(wěn)定。

圖4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出一套16 通道信號(hào)調(diào)理裝置自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，自動(dòng)化程度高，提高了測(cè)試工作的效率和可靠性，降低了人為出錯(cuò)概率，使計(jì)量測(cè)試工作更加程序化、規(guī)范化。根據(jù)信號(hào)調(diào)理型號(hào)建立不同的程序命令和指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，滿足了多種信號(hào)調(diào)理裝置的測(cè)試需求，大大增加了系統(tǒng)的適用性。本文系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)推動(dòng)計(jì)量技術(shù)的自動(dòng)化和規(guī)范化具有重要意義。