蘇州市計(jì)量測試研究所 孫睿陽

基于Visual Studio和SQL Server的自動(dòng)化計(jì)量測試平臺的開發(fā)

蘇州市計(jì)量測試研究所 孫睿陽

本文介紹了基于Visual Studio軟件和SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用功能模塊化的思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對可編程計(jì)量儀器進(jìn)行自動(dòng)化測試的系統(tǒng)平臺。與傳統(tǒng)的人工計(jì)量過程相比，自動(dòng)化計(jì)量測試平臺有測量快速、計(jì)算準(zhǔn)確、無人工引入誤差等優(yōu)點(diǎn)，適用于重復(fù)、復(fù)雜并采用可編程接口設(shè)備的計(jì)量流程，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。

自動(dòng)化；計(jì)量；測試；平臺；Visual Studio

引言

目前的計(jì)量測試工作主要是由人工來操作儀器，一些計(jì)量工作流程重復(fù)繁雜，再加上操作人員的水平不同，人工操作很容易出錯(cuò)。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，最近十幾年來，儀器設(shè)備之間的通訊控制方式有了很大的提升。

在計(jì)量領(lǐng)域中，很多被檢設(shè)備和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器都有可編程的通訊接口，儀器之間通過通訊接口發(fā)送指令，幾乎可以完成所有的計(jì)量測試工作。因此，我們開發(fā)了自動(dòng)化計(jì)量測試平臺，在測試平臺上，可以為不同種類、不同型號的儀器開發(fā)各自獨(dú)立的自動(dòng)化測試程序。經(jīng)過一段時(shí)間的研發(fā)，自動(dòng)化計(jì)量平臺的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，我們完成了數(shù)字多用表、信號發(fā)生器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備常見型號儀器的自動(dòng)化計(jì)量程序的開發(fā)工作，這同時(shí)也證明了平臺的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

1.系統(tǒng)功能和組成

本自動(dòng)化測試平臺主要有兩個(gè)方面的功能：

1.1 在本平臺搭建的架構(gòu)上，對可編程儀器進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)量測試程序的開發(fā)；

1.2 執(zhí)行已經(jīng)編寫好的、存儲在數(shù)據(jù)庫中的儀器自動(dòng)化計(jì)量流程，并且生成測試報(bào)告。

如圖1，本平臺主要有5個(gè)功能模塊組成：設(shè)備管理模塊、流程設(shè)置模塊、用戶界面模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、對外接口模塊。

這5個(gè)模塊互相獨(dú)立又相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備、驅(qū)動(dòng)的管理，計(jì)量流程的編寫和執(zhí)行，儀器計(jì)量信息和測量點(diǎn)的添加，不確定度的計(jì)算和數(shù)據(jù)修約，證書報(bào)告的生成和數(shù)據(jù)保存以及與外界程序如OA系統(tǒng)的對接等功能。

下面對這5個(gè)主要模塊的功能進(jìn)行逐一介紹。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2.設(shè)備管理模塊

2.1 硬件設(shè)備和線纜

根據(jù)可編程儀器自身不同的通訊接口，自動(dòng)化測試平臺選用不同的通訊線纜，主要包括GPIB，串口，以太網(wǎng)，USB等類型的總線。這些線纜用來連接被檢儀器、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和安裝有自動(dòng)計(jì)量程序的計(jì)算機(jī)等設(shè)備。

2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在總線的基礎(chǔ)上，是測量和控制服務(wù)層。測量和控制服務(wù)層包含靈活的設(shè)備底層命令，用于硬件設(shè)備和軟件之間連接，VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)標(biāo)準(zhǔn)就實(shí)現(xiàn)了這樣的功能，負(fù)責(zé)硬件和軟件之間的通訊。VISA標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立于所使用的儀器總線，所以，無論是使用GPIB，串口，以太網(wǎng)還是USB等總線，VISA都提供了標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)庫和儀器進(jìn)行通訊，從而保證了總線之間的互換性。

SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)標(biāo)準(zhǔn)是一套用于控制可編程測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)語法和命令，可用于GPIB，串口，以太網(wǎng)，USB等類型總線。目前，大部分可編程儀器的指令都符合SCPI標(biāo)準(zhǔn)[1]。

在自動(dòng)計(jì)量測試平臺中，按照儀器的類別、型號，分別給被檢儀器和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器建立儀器驅(qū)動(dòng)庫。根據(jù)可編程儀器的說明手冊，查找各編程指令（如SCPI指令），編寫各自的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能，如復(fù)位，設(shè)置參數(shù)，輸出電壓，取出讀數(shù)等。

例如，在多功能校準(zhǔn)源校準(zhǔn)數(shù)字多用表的計(jì)量程序中，分別給多功能校準(zhǔn)源和數(shù)字多用表編寫了功能驅(qū)動(dòng)程序。多功能校準(zhǔn)源的驅(qū)動(dòng)程序中包括如下功能函數(shù)：初始化、復(fù)位、測量功能選擇和設(shè)置、輸出打開、輸出關(guān)閉等；數(shù)字多用表的驅(qū)動(dòng)程序中包括如下功能函數(shù)：初始化、自檢、清零、復(fù)位、測量功能選擇和設(shè)置、讀取數(shù)據(jù)、計(jì)算最大允許誤差等。因?yàn)閿?shù)字多用表型號眾多，不同廠家、不同型號多用表的準(zhǔn)確度、分辨力、儀器指令等有所不同，所以，不同型號多用表的驅(qū)動(dòng)程序可能不一樣，需要單獨(dú)編寫。

這里使用的編程環(huán)境是Visual Studio 2013，編程語言是C#[2]，在儀器驅(qū)動(dòng)程序文件中引用了KEYSIGHT公司IO 程序庫套件中的Ivi.Visa.Interop.dll文件，用來和硬件設(shè)備進(jìn)行通訊。

此外，各個(gè)儀器的驅(qū)動(dòng)程序中，還可以記錄該儀器其他一些必要的信息。如在5700A多功能校準(zhǔn)源校準(zhǔn)34401A數(shù)字多用表的程序中，5700A和34401A各個(gè)測量點(diǎn)的量程、最大允許誤差或不確定度等指標(biāo)信息，均以DataTable的數(shù)據(jù)形式記錄在各自的驅(qū)動(dòng)程序中，在計(jì)量過程中這些信息可以被用來進(jìn)行不確定度計(jì)算、符合性判定等功能。

2.3 公共程序

除了各個(gè)設(shè)備所屬的驅(qū)動(dòng)程序以外，計(jì)量平臺中還有一些公共的數(shù)據(jù)處理程序。如不確定度計(jì)算程序、不確定度結(jié)果的修約程序、計(jì)量單位轉(zhuǎn)換程序等。這些公共程序適用于所有計(jì)量校準(zhǔn)過程。

3.流程設(shè)置模塊

流程設(shè)置模塊的作用是為了方便直觀地設(shè)計(jì)、表示真實(shí)的計(jì)量測試流程。這里，我們采用了圖形化（樹狀圖）的表示形式。

流程圖中，每一個(gè)方形框圖表示儀器驅(qū)動(dòng)中的一個(gè)特定功能，程序執(zhí)行到某個(gè)方形框圖時(shí)，即執(zhí)行相應(yīng)儀器驅(qū)動(dòng)中的功能驅(qū)動(dòng)代碼。另外，如需編輯某個(gè)方形框圖對應(yīng)的功能驅(qū)動(dòng)，在方形框圖中可以直接跳轉(zhuǎn)到驅(qū)動(dòng)代碼的編輯界面進(jìn)行代碼的查看和修改，非常實(shí)用和方便。

流程圖的執(zhí)行規(guī)則采用從上到下、從左到右的執(zhí)行順序。執(zhí)行流程時(shí)，執(zhí)行過的方形框圖會(huì)變顏色來提示執(zhí)行進(jìn)度。

程序開發(fā)者可以按照一定的規(guī)則，設(shè)計(jì)和配置出符合要求的流程圖。圖2是用多功能校準(zhǔn)源計(jì)量數(shù)字多用表流程圖中的一部分。

除了表示儀器的相關(guān)功能之外，方形框圖還有控制流程執(zhí)行順序等系統(tǒng)功能。如圖2中的流程圖中，有實(shí)現(xiàn)流程循環(huán)、條件判斷、彈出對話框等功能的框圖。和設(shè)備的驅(qū)動(dòng)函數(shù)一樣，每個(gè)方形框圖可以配置輸入?yún)?shù)和返回參數(shù)。

樹狀流程圖類似于LabVIEW軟件的圖形化設(shè)計(jì)界面，而方形框圖類似于LabVIEW中的子VI。這樣，計(jì)量流程用樹狀流程圖表示，清晰明了，每個(gè)方形框圖內(nèi)的儀器功能用C#代碼實(shí)現(xiàn)，功能強(qiáng)大且靈活，從而把圖形化和文本化這兩種編程方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到了一起，大大增強(qiáng)了自動(dòng)校準(zhǔn)平臺的易用性。

圖2 校準(zhǔn)數(shù)字多用表的計(jì)量流程截圖（部分）

4.用戶界面模塊

自動(dòng)化計(jì)量測試平臺的用戶分為2類：普通用戶和開發(fā)用戶，以平臺的登錄賬號來區(qū)分，普通用戶和開發(fā)用戶的使用權(quán)限不同。

普通用戶可以使用“登錄”，“產(chǎn)品計(jì)量”，“產(chǎn)品報(bào)告”等用戶界面。

在“產(chǎn)品計(jì)量”界面中，用戶可以完成被檢儀器的全部計(jì)量流程。首先，用戶選擇或填寫被檢儀器、用于計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)器、計(jì)量方案等信息，信息填寫完整后開始執(zhí)行計(jì)量流程。程序執(zhí)行中，每一個(gè)測量項(xiàng)目的測得值、最大允許誤差、計(jì)算出的測量不確定度、判定結(jié)果都會(huì)以表格形式即時(shí)地顯示在軟件界面上。如果遇到測量值超差或者其他異常情況，程序會(huì)跳出對話框提示用戶重新測試或終止程序等操作；測試中如需要更換儀器之間的接線方式，程序也會(huì)跳出對話框提示用戶。程序執(zhí)行完成后，生成計(jì)量報(bào)告。在“產(chǎn)品報(bào)告”界面中，用戶可以看到已計(jì)量設(shè)備的證書信息。

開發(fā)用戶除了普通用戶可以使用的界面外，還有“設(shè)備管理”，“計(jì)量設(shè)計(jì)”等程序開發(fā)、維護(hù)界面。

“設(shè)備管理”界面中，開發(fā)用戶可以添加儀器類別、儀器型號、編輯儀器各個(gè)功能的驅(qū)動(dòng)。

“計(jì)量設(shè)計(jì)”界面中，開發(fā)用戶可以按照計(jì)量規(guī)程或規(guī)范的要求，把被檢儀器和標(biāo)準(zhǔn)器的各個(gè)功能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行整合，配合一定的流程控件，設(shè)計(jì)出各種計(jì)量測試流程，再把計(jì)量流程和被檢儀器進(jìn)行綁定。此外，開發(fā)用戶還可以給每個(gè)被檢儀器寫入常用的計(jì)量測試點(diǎn)。

以上用戶界面的功能以菜單欄和任務(wù)標(biāo)簽頁面的形式來表示，用Visual Studio開發(fā)環(huán)境結(jié)合DevExpress控件的方式來實(shí)現(xiàn)。圖3為軟件中用戶界面的菜單欄和部分功能標(biāo)簽。

圖3 用戶界面中的菜單欄和部分功能標(biāo)簽

5.數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊采用了SQL Server數(shù)據(jù)庫，該模塊是其余模塊運(yùn)行的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)。

設(shè)備管理模塊中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，流程設(shè)置模塊中的計(jì)量流程、測量點(diǎn)，用戶界面模塊中計(jì)量信息、計(jì)量報(bào)告，都是在數(shù)據(jù)管理模塊中進(jìn)行存儲和讀取的。

6.對外接口模塊

本單位目前已有一套計(jì)量OA系統(tǒng)軟件[3]，在該OA系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)原始記錄的錄入、檢定/校準(zhǔn)證書的生成、打印證書等功能。為了充分利用已有OA系統(tǒng)的功能，也為了實(shí)現(xiàn)本單位原始記錄和證書格式的統(tǒng)一，自動(dòng)化計(jì)量測試平臺需要和OA系統(tǒng)中的相關(guān)功能進(jìn)行對接。對外接口模塊就實(shí)現(xiàn)了這樣的功能。

自動(dòng)化計(jì)量測試平臺把采集或計(jì)算出測量結(jié)果、測量點(diǎn)的上下限、測量不確定度、訂單的客戶信息等數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絆A系統(tǒng)相應(yīng)的程序接口，在OA系統(tǒng)中生成儀器的原始記錄和計(jì)量證書；同樣，計(jì)量平臺也可以從OA系統(tǒng)中讀取、檢索原始記錄模板、計(jì)量報(bào)告等信息。

對外接口模塊，采用了Web Service技術(shù)，該技術(shù)可以在軟件之間傳輸或接收數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了軟件之間的功能對接。

7.結(jié)束語

以上介紹的自動(dòng)化計(jì)量測試平臺的五個(gè)模塊，組成了可編程儀器完整的開發(fā)、檢定/校準(zhǔn)功能。用此計(jì)量平臺對數(shù)字多用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號發(fā)生器的多個(gè)常見型號儀器進(jìn)行多次校準(zhǔn)，所得測量值、測量不確定度等數(shù)據(jù)與本所人工校準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果符合預(yù)期要求。與傳統(tǒng)的人工計(jì)量過程相比，本自動(dòng)化計(jì)量測試平臺有測量快速、計(jì)算準(zhǔn)確、無人工引入誤差等優(yōu)點(diǎn)，適用于重復(fù)、復(fù)雜并采用可編程接口設(shè)備的計(jì)量流程，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。

[1]秦凡,韋高．基于VISA庫及SCPI命令的儀器程控測量[J]．陜西：現(xiàn)代電子技術(shù),2011 (11)：118-120．

[2]Karli Watson．C#入門經(jīng)典(第六版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2014．

[3]張俊峰,宮寧生．計(jì)量檢測原始記錄電子化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．北京：中國計(jì)量,2013(3)：101-103．

孫睿陽（1984-），男，工程師，主要研究方向：時(shí)間頻率、無線通信、自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的開發(fā)等，主要從事電磁學(xué)及無線電計(jì)量工作。