吳敏婕 朱劍平 潘 潔 王一麗 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

數(shù)字多用表自動檢定系統(tǒng)的組建

吳敏婕 朱劍平 潘 潔 王一麗 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

介紹基于GPIB總線，使用LabVIEW軟件開發(fā)的數(shù)字多用表自動檢定系統(tǒng)。重點介紹了系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)方法。通過實際應(yīng)用證明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、保存、生成證書報告等方面都具有優(yōu)良的性能，大大提高工作效率，并確保檢定的準(zhǔn)確性。

數(shù)字多用表；自動檢定；LabVIEW

0 引言

隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，微處理技術(shù)越來越多地運用到測量儀表中，從而誕生了智能化的數(shù)字多用表。這類新型儀表不僅功能、結(jié)構(gòu)等發(fā)生了重要的變化，而且大多帶有程控接口，可利用編程語言對其進(jìn)行高級開發(fā)。

目前，多功能、高準(zhǔn)確度、智能化數(shù)字多用表在儀器測量領(lǐng)域中日益占據(jù)重要的地位，也是試驗與科研不可或缺的計量器具，它們是否準(zhǔn)確可靠關(guān)系到企業(yè)的安全生產(chǎn)。計量檢定的過程中，由其特點決定了檢定項目多、檢定數(shù)據(jù)量大、檢定時間長、后期數(shù)據(jù)處理繁雜，而目前采用的人工檢定方法，不但工作強(qiáng)度大、效率低，對檢定員的素質(zhì)要求也非常高，極易引入人為誤差。因此，為了快速、準(zhǔn)確、可靠地對這些高精度的數(shù)字多用表進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，有必要研制一套數(shù)字多用表自動檢定系統(tǒng)，不但實現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù)，還具備數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)保存、證書自動生成等功能，從而使數(shù)字多用表的檢定和管理更加科學(xué)規(guī)范。由此可見，自動測試方法已經(jīng)不可避免地成為計量部門必須具備的檢定手段之一。

1 數(shù)字多用表的檢定方法

1.1 概述

數(shù)字多用表的檢定項目主要包括：直流電壓、交流電壓、交流電壓頻率響應(yīng)、電阻、直流電流、交流電流等。一般來說，數(shù)字多用表的檢定方法采用標(biāo)準(zhǔn)源法（圖1），將標(biāo)準(zhǔn)源直接與被檢表連接，由標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號給被檢表，記錄被檢表的讀數(shù)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)源法

以Agilent公司的34401A數(shù)字多用表為例，標(biāo)準(zhǔn)源使用Fluke公司的5720A/5725A，比較人工檢定和自動檢定。

1.2 人工檢定

正確連接標(biāo)準(zhǔn)源和被檢表，手動調(diào)節(jié)被檢表的被校量程與標(biāo)準(zhǔn)源的輸出值，確定標(biāo)準(zhǔn)源輸出，待被檢表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后手動記錄測量數(shù)據(jù)。全部性能檢測完成后，人工對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并給出結(jié)論。最后人工打印并核查報告、歸檔原始記錄（圖2為人工檢定34401A的流程圖）。

簡單計算整個環(huán)節(jié)中，僅以直流電壓為例，共有100 mV、1 V、10 V、100 V、1 000 V五檔量程，其中10 V為基本量程。按照檢定規(guī)程非基本量程每檔測三個點，基本量程測十個點，滿度測反向，5720A就要改變27次輸出，人工需重復(fù)27次記錄數(shù)據(jù)，要反復(fù)操作按鍵上百次，如果長期頻繁使用，極易導(dǎo)致按鍵反應(yīng)緩慢甚至失靈，維修成本極高。

1.3 自動檢定

正常連接標(biāo)準(zhǔn)源和被檢表，打開軟件自動程控兩臺儀器，被檢表采集到的數(shù)據(jù)通過接口傳送到計算機(jī)中，由軟件自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計得出結(jié)論，存儲數(shù)據(jù)，生成證書報告（如圖3所示的流程）。

圖2 人工檢定流程

同樣以直流電壓為例，可以看出只要正確連接標(biāo)準(zhǔn)源、被檢表以及計算機(jī)后，整個測量過程不需要人工介入。

如表1所示，對以上兩種方法測量34401A所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行比較：自動控制的優(yōu)勢明顯高于手動操作，從實時測量、記錄存儲、運算處理和結(jié)果評定等操作，自動控制使測試、處理和出具結(jié)果一體化。同時高速測量更好地保證了測量重復(fù)性，為多次測量、誤差處理和不確定度評定創(chuàng)造了有利的條件，減少隨機(jī)誤差。按照計算機(jī)提示下完成規(guī)定操作，也能減少人為因素造成的損壞，更好地維護(hù)設(shè)備。

圖3 自動檢定流程

表1 人工檢定與自動檢定比較

2 系統(tǒng)工作原理

數(shù)字多用表自動檢定系統(tǒng)主要由計算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)源、被檢數(shù)表、打印機(jī)、GPIB采集卡組成。工作原理：設(shè)置各儀器的地址，由計算機(jī)通過 GPIB 接口發(fā)出程控命令，標(biāo)準(zhǔn)源和被檢表相互協(xié)調(diào)進(jìn)行各項設(shè)置。在計算機(jī)控制下，由標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)送檢定所需的各種信號到被檢表，依次進(jìn)行各項參數(shù)的檢定。測量數(shù)據(jù)經(jīng) GPIB 總線上傳至計算機(jī)，由計算機(jī)再對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、修正等處理工作，最后保存原始記錄、自動生成證書報告，從而完成數(shù)字多用表的檢定過程。

2.1 全自動檢定

對于帶接口（GPIB、RS232、USB等）的數(shù)字多用表，如Agilent 34401A，F(xiàn)LUKE 8845A，Keithley 2000等，可以通過計算機(jī)和軟件控制標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，同時控制被檢表測試輸出值，然后計算機(jī)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后自動存檔，生成證書。

2.2 半自動檢定

對于不帶接口的數(shù)字多用表，如GW GDM- 8145，VICTOR VC8045-Ⅱ，MASTECH MS8050等，可以通過計算機(jī)和軟件控制標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，再人工讀取被檢表的顯示值，并將讀數(shù)值輸入計算機(jī)，然后計算機(jī)自動存檔，生成證書，實現(xiàn)半自動檢定。

3 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的硬件組成主要有：FLUKE 5720A/5725A標(biāo)準(zhǔn)源一套，被檢表一臺，計算機(jī)及打印機(jī)各一臺，GPIB采集卡一塊及通信電纜線若干 (GPIB/USB/ RS232等，針對不同接口使用)，其硬件組成如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件組成框圖

GPIB采集卡采用美國NI公司的GPIB-USB-HS。其適用性強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，操作方便靈活。由計算機(jī)在總線上發(fā)射指令，相應(yīng)地址上的儀器執(zhí)行命令，最終儀器將采樣數(shù)據(jù)通過總線傳回計算機(jī)。需注意的是，USB一頭連接計算機(jī)，另一頭連接標(biāo)準(zhǔn)源。

4 系統(tǒng)軟件

在自動控制系統(tǒng)中，軟件是關(guān)鍵，提高軟件編程、使用和維護(hù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的檢測程序是把所有的測量參數(shù)、儀器程控指令、測試分析結(jié)果統(tǒng)統(tǒng)都放在一個程序中，程序的數(shù)據(jù)管理十分困難，同時可維護(hù)性、可擴(kuò)展性差。為了克服這些缺點，本系統(tǒng)采用模塊化、通用化的設(shè)計思想。軟件開發(fā)平臺采用NI公司的圖形化編譯軟件LabVIEW。

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方式。軟件總體結(jié)構(gòu)由基本信息記錄、自動檢定、半自動檢定、保存數(shù)據(jù)及生成證書這四部分組成（如圖5所示）?；拘畔⒂涗浿饕怯涗浰蜋z儀器的詳細(xì)信息，包括送檢單位、地址、儀器型號、器號、廠家、送檢日期等；自動檢定和半自動檢定主要是完成直流電壓、交流電壓、交流電壓頻率響應(yīng)、電阻、直流電流、交流電流、交流電流頻率響應(yīng)等項目的測量；保存數(shù)據(jù)及生成證書，就是保存原始記錄，然后根據(jù)客戶需要，選擇證書報告類型（檢定或者校準(zhǔn)），系統(tǒng)自動生成所需證書報告，保存打印。

注意自動檢定和半自動檢定模塊的設(shè)計有所不同，自動檢定模塊針對不同型號的被檢表需要分別編寫儀器程序，而對于半自動檢定模塊的被檢表，由于無法程控，只需完成不同檢定項目的程序編寫即可，在檢定時需要人工手動輸入被檢表所示數(shù)值。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)組成框圖

4.2 基本信息記錄模塊

基本信息記錄模塊分為基本信息和菜單選擇兩部分?；拘畔⑹怯涗浰蜋z儀器的單位信息、內(nèi)部流轉(zhuǎn)單號、原始記錄編號、環(huán)境狀況等。菜單選擇包括保存信息、自動檢定、半自動檢定、查詢、退出五個按鈕。保存信息是為了及時保存送檢儀器信息，自動檢定和半自動檢定按鈕會根據(jù)儀器類型自動跳出。查詢可以調(diào)閱已經(jīng)檢定過的儀器信息和數(shù)據(jù)。該模塊編寫主要采用事件結(jié)構(gòu)加條件結(jié)構(gòu)，對每一個字符串和布爾控件賦予相關(guān)事件，每按下一個按鈕就執(zhí)行一個事件結(jié)構(gòu)。

4.3 自動檢定模塊

由于目前市場上數(shù)字多用表的型號眾多，生產(chǎn)廠家不一，導(dǎo)致儀器的命令、技術(shù)指標(biāo)、量程范圍不一致，測量點又各不相同，這無疑加大了軟件編寫的難度，所以針對不同型號的數(shù)字多用表需要編寫不同的儀器驅(qū)動程序和原始記錄。

目前市場上一些公司已經(jīng)公開旗下部分通用型號數(shù)字多用表的程序代碼，可以直接下載使用，也可以根據(jù)廠家提供的用戶手冊中程序指令部分編寫驅(qū)動程序。如圖6、圖7所示，為Agilent 34401A的直流電壓單次、多次讀數(shù)程序。

原始記錄采用Microsoft Excel格式，將測量參數(shù)、測量點保存于Excel中，不同型號的原始記錄組成數(shù)據(jù)庫，再通過編寫軟件直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。使用Excel的優(yōu)勢在于其本身就具備記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的功能，且其擁有強(qiáng)大的計算能力，可以直接在Excel中處理采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和判斷，免去在軟件中編寫程序的麻煩，減少工作量。

自動檢定模塊的原理是調(diào)用不同型號數(shù)字多用表的儀器驅(qū)動和數(shù)據(jù)庫。這樣的設(shè)計思路是為了將測量與數(shù)據(jù)分離。測量部分即儀器驅(qū)動，只負(fù)責(zé)完成對標(biāo)準(zhǔn)源和數(shù)字多用表的程控和數(shù)據(jù)采集，根據(jù)程序下達(dá)的命令完成相應(yīng)的檢定項目。在執(zhí)行一次程序時，系統(tǒng)通過判別選擇的數(shù)字多用表型號，調(diào)用相應(yīng)的測量程序，自動完成測量流程。所有采集到的數(shù)據(jù)將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，通過Excel格式的原始記錄自動完成數(shù)據(jù)處理和分析。最后點擊保存數(shù)據(jù)按鈕，作為一份完整的原始記錄保存下來。這樣一來，測量與數(shù)據(jù)獨立運作，后臺程序也變得井然有序，減輕軟件內(nèi)存，使系統(tǒng)具有極高的擴(kuò)展性。

同時，在對數(shù)字多用表進(jìn)行自動檢定的過程中，被檢表的量程、實際值、指示值、單位、允差、結(jié)論等信息全部以表格的形式顯示于自動檢定界面上。另外有當(dāng)前測量狀態(tài)實時監(jiān)控測量到哪個點，易于觀察，清晰明了，方便檢定員跟蹤測量情況。

圖6 34401A的直流電壓單次讀數(shù)程序

圖7 34401A的直流電壓多次讀數(shù)程序

4.4 半自動檢定模塊

半自動檢定模塊的原理是只要程控標(biāo)準(zhǔn)源，再由人工手動輸入數(shù)據(jù)，最后保存數(shù)據(jù)、生成報告。由其特殊性決定了不需要針對各類型號的數(shù)字多用表編寫驅(qū)動程序，只需要設(shè)計每個檢定項目的子程序，再由半自動檢定模塊調(diào)用即可。這里采用的方法是在半自動檢定程序的前面板中放置子面板，通過后臺程序調(diào)用相應(yīng)的檢定項目子程序。如圖8所示為調(diào)用直流電壓子程序的方法。原始記錄調(diào)用方法同自動檢定模塊。

4.5 保存/生成證書模塊

該模塊主要采用條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)選中布爾控件的時候，執(zhí)行真命令；未選中的時候，執(zhí)行假命令。其編程原理是將Excel數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀取出來，再一對一賦到Word文件的指定位置中。

4.6 自動檢定結(jié)果

相較于人工檢定，自動檢定系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

圖8 調(diào)用直流電壓子程序

1) 系統(tǒng)采用圖形化操作界面，操作簡便，數(shù)據(jù)顯示直觀，便于檢定員監(jiān)控測量過程。

2) 檢定項目齊全，檢定員可以根據(jù)客戶需要選擇檢定項目。同時根據(jù)檢定規(guī)程的要求選取每個項目的測量點，測量數(shù)據(jù)全面，覆蓋面廣。

3) 在檢定過程中，直接根據(jù)每個型號數(shù)字多用表的技術(shù)指標(biāo)對測量結(jié)果進(jìn)行判斷，及時顯示合格或不合格的結(jié)果，免去事后人工計算的麻煩，提高工作效率。同時，對于不合格的測量點，可進(jìn)行單點復(fù)測，提高測量的可靠性。

4) 被檢儀器的基本信息和測量結(jié)果自動保存在數(shù)據(jù)庫中，可隨時調(diào)用查找。測量結(jié)束后，可根據(jù)客戶要求選擇證書報告類型（檢定或者校準(zhǔn)），自動生成證書報告，免去人工再次輸入的費時費力。

5 結(jié)語

數(shù)字多用表自動檢定系統(tǒng)的研制成功代替了人工操作，解決了數(shù)據(jù)處理量大的問題，降低了人為出錯概率，提高了整體工作效率。更重要的是，該系統(tǒng)自動采集、分析處理、保存打印數(shù)據(jù)，提高了測量準(zhǔn)確度和可靠性，確保檢定過程的安全，使計量工作更加科學(xué)規(guī)范，進(jìn)一步提升計量技術(shù)水平。

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Design of the digital multimeter automatic veri fi cation system

Wu Minjie，Zhu Jianping，Pan Jie，Wang Yili
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduced a set of automatic veri fi cation system of digital multimeter based on GPIB interface and using LabVIEW software. The implement methods of system software and hardware were introduced mainly. The practical application proved that this system has excellent performance on data acquisition, data processing, preservation, generating certi fi cate and so on. It greatly improved the work ef fi ciency and ensured the accuracy of detection.

digital multimeter；automatic veri fi cation；LabVIEW