基于3458A 及160B 掃描開關(guān)的數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計

曹 敏 ，畢志周，李 波，李 毅 王 昕，石少巖，梁鉆仁，劉 暢

(1.云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院南方電網(wǎng)電能計量重點實驗室，昆明650217;2.昆明科瑞迪電網(wǎng)開發(fā)有限公司，昆明650217)

對于數(shù)據(jù)源的長時間采集和監(jiān)測，使用人工操作并記錄數(shù)據(jù)的方式，往往導(dǎo)致操作繁瑣、效率低下，并且很難保證數(shù)據(jù)的完整性和及時性，并且在事后不能及時地對數(shù)據(jù)進行處理，勢必影響后續(xù)的工作開展。隨著先進測試儀器儀表及周邊產(chǎn)品的問世，大量的設(shè)備儀器可以直接與計算機配合完成上述工作，極大的提高了生產(chǎn)效率?；?458A 及160B 掃描開關(guān)的數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計系統(tǒng)完成了對多通道流程的控制以及對多通道數(shù)據(jù)的采集。并通過該系統(tǒng)進行詳盡的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，大大提高了操作使用人員的工作效率，統(tǒng)計結(jié)果直觀易懂，使用人員可以獲取更為具體詳盡的數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計目的

系統(tǒng)的設(shè)計目的在于:系統(tǒng)可以在長時間無人操控的情況下，對多臺信號源進行電壓采集，并記錄所采集到的電壓數(shù)據(jù)，最終對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以監(jiān)測各信號源的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的信號源數(shù)據(jù)為一套交流系統(tǒng)溯源時提供依據(jù)。所以需要長期監(jiān)測信號源的穩(wěn)定性。而這樣的長期監(jiān)測由人工操作很難實現(xiàn)，所以開發(fā)該系統(tǒng)替代人工操作并更好的完成對信號源的穩(wěn)定性監(jiān)測。同時，整套采集系統(tǒng)在實際測量標(biāo)定流程中，以國家計量院標(biāo)定的已標(biāo)定信號源為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定被標(biāo)定信號源時誤差不超過2×10-6。

2 數(shù)據(jù)采集的硬件構(gòu)成設(shè)計

Data Proof 160B 低熱電勢電子掃描開關(guān)是理想的自動化高精度測量設(shè)備。這種多功能掃描開關(guān)有兩對輸出線，使它的應(yīng)用范圍更為廣泛。它可用于比較電壓參考標(biāo)準(zhǔn)及電阻的四端測量功能。設(shè)備背面，設(shè)有GPIB 通信口，可以通過USB/GPIB 總線與計算機相連。

Agilent3458A 多用表突破了生產(chǎn)測試線、研發(fā)和校準(zhǔn)實驗室中速度和精度的性能壁壘［1］，是一款快速、靈活并且精確的多用八位半數(shù)字萬用表，它具備7 種測量功能，提供100，000 讀數(shù)/s 得到最大的測試吞吐率或以8.5 bit 的測量分辨率和0.1×10-6傳遞精度得到最高精度級別［2］。在該設(shè)備背面，設(shè)有GPIB 通信口，可以通過USB/GPIB 總線與計算機相連。通過Agilent 配套的驅(qū)動程序，可以使用VISA32 接口程序完成對數(shù)表的控制。

為了完成對多信號源同時接入的數(shù)據(jù)采集要求，使用GPIB 級聯(lián)線將電子掃描開關(guān)的GPIB 端口與3458A 的GPIB 端口進行連接［2］;使用USB/GPIB總線將3458A GPIB 級聯(lián)端與計算機相連;使用信號線將掃描開關(guān)的各通道分別與多信號源逐一相連，使得整體呈現(xiàn)互相連接的狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 硬件構(gòu)成設(shè)計圖

該設(shè)計的最大特點在于只需要通過控制電子掃描開關(guān)，就可以完成多信號源與3458A 的連接，避免了對設(shè)備多次接線引起的低熱電勢誤差帶來的負面效果，同時由于3458A 的8.5 bit 高分辨率和0.1×10-6的高精度級別使得整套采集系統(tǒng)的精確性達到一個新的高度。另外對通道的快速切換也可以實現(xiàn)在高速下對多個信號源的數(shù)據(jù)采集。這里應(yīng)當(dāng)注意，在掃描開關(guān)切換通道后，應(yīng)該暫停數(shù)據(jù)采集1 min 以上，以保證通道切換后的熱電勢影響回歸到最低的狀態(tài)，從而保證采集數(shù)據(jù)的最高精確性。

3 數(shù)據(jù)采集的軟件構(gòu)成設(shè)計

整個軟件使用Visual studio 2005 平臺開發(fā)，使用語言為C#，并使用. NET FrameWork3.0 為基礎(chǔ)。C#是一種全新的語言，它可以利用. Net FrameWork及其開發(fā)環(huán)境中的所有新特性，. Net FrameWork 和C#一開始就完全是基于面向?qū)ο蟮模?］。

為了保證兩臺設(shè)備高效、準(zhǔn)確的進行數(shù)據(jù)讀取，于是將本軟件系統(tǒng)所設(shè)計的流程分為以下3 個部分:準(zhǔn)備采集、數(shù)據(jù)采集流程和數(shù)據(jù)展示，如圖2所示。

圖2 軟件構(gòu)成設(shè)計圖

3.1 準(zhǔn)備采集

發(fā)送命令前需要為計算機安裝Aglient34410A數(shù)字電壓表USB 驅(qū)動程序安裝，將隨機光盤放入光驅(qū)運行Agilent IO Libraries Suite 14.2 進行安裝［4］，HP3458A 設(shè)備的控制命令完全符合SCPI 可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集［5］的要求規(guī)范，命令簡單易操作。

(1)3458A 地址初始化工作

通過Agilent 驅(qū)動軟件Agilent IO control，可以對3458A 進行地址初始化設(shè)置工作［6］。

(2)3458A 連接驗證

在應(yīng)用程序中，通過集成VISA32 接口，向3458A 發(fā)送端口打開命令viOpen()，傳入3458A 的地址(格式為GPIB0::XX::INSTR，XX 為3458A 的預(yù)設(shè)地址)，然后發(fā)送GPIB 指令“ID?”，若返回“HP3458A”，說明計算機與3458A 已經(jīng)連上，可以進行后續(xù)的參數(shù)設(shè)置工作。

(3)3458A 參數(shù)配置［7］

首先發(fā)送命令”PRESET”將3458A 預(yù)設(shè)為NORM、FAST 或者DIG 三種狀態(tài)之一。NORM 狀態(tài)是將3458A 作為類似復(fù)位的操作;FAST 狀態(tài)是將設(shè)備調(diào)整到最快的存貯、讀取狀態(tài);DIG 狀態(tài)是將設(shè)備調(diào)整到直流電壓數(shù)字化狀態(tài);

圖3 設(shè)備配置流程圖

如果要打開設(shè)備的屏幕顯示，可以發(fā)送”DISP”命令，該命令有OFF 和ON 兩個狀態(tài)，分別對應(yīng)屏幕的關(guān)閉和開啟;

發(fā)送“MFORAT”命令，對3458A 中的數(shù)據(jù)讀取內(nèi)存進行的清除，并且對新的數(shù)據(jù)存儲格式進行格式化，該命令有5 個參數(shù):ASC Ⅱ、SINT、DINT、SREAL、DREAL，分別對應(yīng)ASC Ⅱ、Singel Integer，Double Integer，Single Real，Double Real;發(fā) 送“OFORMAT”命令，對3458A 進行GPIB 輸出數(shù)據(jù)的格式化設(shè)置，該命令有5 個參數(shù):ASC Ⅱ、SINT、DINT、SREAL、DREAL，分別對應(yīng)ASCⅡ、Singel Integer，Double Integer，Single Real，Double Real;

發(fā)送“MEM”命令，設(shè)置3458A 啟用或者禁用讀取內(nèi)存，并指定存儲模式。該命令有4 個參數(shù):OFF、LIFO、FIFO、CONT，分別對應(yīng)關(guān)閉、后進先出、先進先出、使用前一個模式。

發(fā)送“DCV”命令調(diào)整3458A 的直流電壓測量檔位;

發(fā)送“NDIG”設(shè)置了3458A 要顯示的位數(shù);

發(fā)送“NPLC”設(shè)置3458A 在電力周期中，AD 轉(zhuǎn)換的時間;

發(fā)送“TRIG”命令設(shè)置3458A 的觸發(fā)事件;

發(fā)送“AZERO”命令設(shè)置3458A 的自動零位功能;

發(fā)送“NRDGS”命令設(shè)置3458A 每次返回數(shù)據(jù)的個數(shù);

發(fā)送“END”命令設(shè)置3458A 啟用或禁用GPIB的EOI 功能;

發(fā)送“TARM”命令設(shè)置3458A 的觸發(fā)事件機制。

(4)電子掃描開關(guān)地址初始化

通過Agilent 配套的驅(qū)動軟件，可以對3458A 進行地址初始化設(shè)置工作。

(5)電子掃描開關(guān)連接驗證

由于掃描開關(guān)的連接命令沒有返回值，只能通過發(fā)送命令來判斷其是否與計算機連接正常。在應(yīng)用程序中，通過集成VISA32 接口，向3458A 發(fā)送端口打開命令viOpen()，傳入160B 的地址(格式為GPIB0::XX::INSTR，XX 為160B 的預(yù)設(shè)地址)，然后發(fā)送指令“A00”和“B00”，關(guān)閉掃描開關(guān)所有端口，根據(jù)設(shè)備上的顯示提示完成連接驗證。

3.2 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)讀取流程設(shè)計需要使用異步多線程技術(shù)［8］，主線程負責(zé)維持程序界面的正常運行，另一條一條線程負責(zé)讀取數(shù)據(jù)，通過委托產(chǎn)生與主線程的通信用于顯示和記錄所測量的數(shù)據(jù)。

如圖4 所示，數(shù)據(jù)讀取流程開始后，首先要將3458A 預(yù)熱，該過程可以保證3458A 在數(shù)據(jù)采集過程中不會因為設(shè)備啟動后的溫度變化產(chǎn)生熱電勢影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

接下來進入3458A 的參數(shù)配置過程，如§3.1中所述，配置好3458A 和160B 才能正確的按照流程進行數(shù)據(jù)采集。為了保證3458A 的讀取精度，可以對3458A 進行自校準(zhǔn)操作。

然后開始進入設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集流程:首先控制掃描開關(guān)打開待測信號源的通道，3458A 自動與該信號源進行連接，計算機通過VISA32 接口程序?qū)?458A 返回的數(shù)據(jù)進行采集。當(dāng)讀數(shù)個數(shù)滿足后，結(jié)束本次讀取操作。然后打開下一個待測信號源通道，通過3458A 完成對下一個信號源的數(shù)據(jù)讀取，直至所有信號源讀取完成。

判斷讀數(shù)個數(shù)滿足條件時，程序中引入了異常值剔除規(guī)則，排除可能因為外在條件(電波，電磁，溫濕度等影響)導(dǎo)致突發(fā)性讀數(shù)異常的情況，這類數(shù)值會對后續(xù)的數(shù)據(jù)分析造成一定的影響。為了使數(shù)據(jù)分析更為準(zhǔn)確，程序中引入了3 種異常值剔除規(guī)則［9］:拉依達法則，格拉布斯準(zhǔn)則，狄克遜準(zhǔn)則。3 種規(guī)則適用條件不同，針對不同的數(shù)據(jù)讀取次數(shù)，拉依達法則適用于讀取次數(shù)50 次以上的情況。格拉布斯準(zhǔn)則適用于20 次～50 次的情況。狄克遜準(zhǔn)則適用于20 次以下的情況。

3.3 數(shù)據(jù)展示及結(jié)果分析

下面4 組圖形是通過本采集系統(tǒng)分別對2 個不同信號源進行數(shù)據(jù)采集的結(jié)果展示。采集時間是在半年時間中進行的245 次完整測試數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都是在無人監(jiān)控和操作的情況下由軟件程序自行采集得到的。由圖中我們可以看出，數(shù)據(jù)的變化量基本穩(wěn)定在2×10-6之內(nèi)，所以根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)顯示，我們可以認(rèn)定該系統(tǒng)已經(jīng)達到了預(yù)想的采集精度及穩(wěn)定度。其中的每一個數(shù)據(jù)點都是由設(shè)備對設(shè)備進行20 次讀數(shù)后的進行平均值運算產(chǎn)生的。在實際的運用中，平均值計算只是其中最簡單的運用之一。

圖5 直流電壓主基準(zhǔn)1#

圖6 直流電壓主基準(zhǔn)2#

4 采集流程中所遇到的問題及解決方案

在長期大量的測試中發(fā)現(xiàn)VISA32 接口協(xié)議在3458A 及電子掃描開關(guān)間進行端口快速切換時，會出現(xiàn)通信端口無法關(guān)閉，致使后續(xù)操作無法繼續(xù)進行的問題。由于該問題一旦出現(xiàn)，就基本失去了對于設(shè)備的控制，很難在出現(xiàn)問題之后使用其他方法來解決設(shè)備的鎖死現(xiàn)象。

經(jīng)過長時間的多種方法的測試，最終形成了一個完全可以處理該問題的解決方法:在打開端口之前，首先關(guān)閉之前使用的端口，如圖7 中虛線部分所示。具體的操作方法是在數(shù)據(jù)采集流程中，每次轉(zhuǎn)換設(shè)備前都對之前的設(shè)備端口進行關(guān)閉，然后使程序等待一段時間，再進入設(shè)備操作類中檢測設(shè)備端口關(guān)閉情況，如果端口未關(guān)閉，則進行再次關(guān)閉的操作。

圖7 設(shè)備端口控制流程圖

5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能主要針對數(shù)據(jù)采集流程中所采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析計算，并將結(jié)果顯示，并生成數(shù)據(jù)變化曲線圖，以便使用者更加直觀高效的研究數(shù)據(jù)變化趨勢及可能出現(xiàn)的問題等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析運行流程如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計流程圖

5.1 查詢條件設(shè)置

數(shù)據(jù)采集流程中，將一次完整的數(shù)據(jù)采集作為一個批次。在查詢條件設(shè)置中就是根據(jù)條件查詢符合條件的批次。查詢條件的多種類靈活設(shè)置為使用者可以有針對性的對部分?jǐn)?shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析提供了更大的便利，既大幅提高了使用者快速統(tǒng)計分析所需數(shù)據(jù)的效率，也提高了使用者的用戶體驗。

5.2 選擇參與統(tǒng)計的批次數(shù)據(jù)項

查詢結(jié)果將列出所有符合查詢條件的批次數(shù)據(jù)項，而使用者仍然可以進一步從這些批次數(shù)據(jù)項中選擇所需要的批次數(shù)據(jù)項進行統(tǒng)計，也可以全部選擇統(tǒng)計。該次選擇也是進一步為使用者的統(tǒng)計分析提供更為精確的待選項。

5.3 統(tǒng)計結(jié)果及曲線圖顯示

統(tǒng)計結(jié)果及曲線圖顯示功能是整個軟件非常重要的功能之一。統(tǒng)計結(jié)果和曲線圖顯示是相互關(guān)聯(lián)的2 部分，首先，統(tǒng)計結(jié)果中會根據(jù)用戶所選擇的所有批次數(shù)據(jù)項中包含的數(shù)據(jù)分別生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)報告，報告中列出了該批次測試數(shù)據(jù)中各設(shè)備的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)項，包括:平均值，極大值，極小值，實驗標(biāo)準(zhǔn)差，相對實驗標(biāo)準(zhǔn)差，極差值，相對極差值，標(biāo)定值等。

平均值:單臺設(shè)備該批次測量數(shù)據(jù)的平均值。

極大值:單臺設(shè)備該批次測量數(shù)據(jù)的最大值。

極小值:單臺設(shè)備該批次測量數(shù)據(jù)的最小值。

實驗標(biāo)準(zhǔn)差:根據(jù)貝塞爾公式［10］

計算得到(其中Xi是一次設(shè)備測量值，ˉX 為該設(shè)備在該批次測量中的平均值。n 為該設(shè)備在該批次測量中的數(shù)據(jù)讀取次數(shù)。)

相對實驗標(biāo)準(zhǔn)差:根據(jù)貝塞爾公式

計算所得(公式中參數(shù)與實驗標(biāo)準(zhǔn)差中相同)

極差值:極差值=極大值-極小值。

相對極差值:極差值/ˉX。

標(biāo)定值:(1)用3458A 測量已標(biāo)定信號源電壓值，以已標(biāo)定信號源上級檢定值作為標(biāo)準(zhǔn)值，其誤差公式如下:

式中:Δ1為電壓測量引入的誤差，包括以下誤差項:Δ11(3458A 測量穩(wěn)定性誤差)、Δ12(3458A 分辨率引起的誤差)、Δ13(測量回路熱電勢引起的誤差)。

X1為已標(biāo)定信號源的測量值(平均值);N1為已標(biāo)定信號源的上級檢定值。

(2)用3458A 測量被標(biāo)定信號源電壓值，其誤差公式如下:

式中:Δ2為電壓測量引入的誤差，包括以下誤差項:Δ21(3458A 測量穩(wěn)定性誤差)、Δ22(3458A 分辨率引起的誤差)、Δ23(測量回路熱電勢引起的誤差)。

X2為被標(biāo)定信號源的測量值;N2為被標(biāo)定信號源的標(biāo)定值。

(3)用式(1)減去式(2)并整理得:

代入Δ1和Δ2的各分量有:

上式中各項的靈敏度系數(shù)的絕對值均為1。

表1

(以上不確定度分量均來源于設(shè)備說明書及國家計量院檢定數(shù)據(jù))

曲線圖的生成，是通過獲取統(tǒng)計中所有批次的設(shè)備特定值如標(biāo)定值，平均值等或經(jīng)過特定計算后的數(shù)值以時間為基礎(chǔ)計算統(tǒng)計生成。曲線圖的生成大大的提高了數(shù)據(jù)的可讀性，簡化了數(shù)據(jù)分析的工作。

5.4 生成Word 及Excel 格式的多種數(shù)據(jù)報告

統(tǒng)計工作完成后生成的多種統(tǒng)計結(jié)果及曲線圖是具有深層的研究意義的，所以軟件更人性化的設(shè)計了將統(tǒng)計結(jié)果及曲線圖通過簡單的操作導(dǎo)出為Word 及Excel 報表［11］，使用人員可以分析文檔中的數(shù)據(jù)即可。除了導(dǎo)出統(tǒng)計結(jié)果及曲線圖，軟件還設(shè)計了導(dǎo)出原始測試數(shù)據(jù)、針對多臺數(shù)據(jù)源中任意幾臺的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能，這也是為了使用人員更具針對性的對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控。

6 結(jié)束語

經(jīng)過長期大量的試驗驗證，該系統(tǒng)完全可以對多個信號源進行自動化的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確度高、持續(xù)性好的特點。該系統(tǒng)具有方便的接口，可以嵌入到其他的數(shù)據(jù)采集模塊中，成為比較理想的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而軟件的統(tǒng)計分析功能更簡化了數(shù)據(jù)分析過程，使設(shè)備狀況更為直觀的展示在使用者面前，并為使用者做出了一定的基礎(chǔ)性分析。大大提高了使用者的工作效率，是非常具有針對性的專業(yè)性軟件。

［1］ Agilent 3458A 數(shù)字多用表技術(shù)資料［S］.2005 年1 月，Agilent Technologies，Inc.2005，出版號:5965-4971CHCN，4-5.

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［9］ 中國計量測試協(xié)會. 一級注冊計量師基礎(chǔ)知識及專業(yè)實務(wù)［M］北京:中國計量出版社，2009:212.

［10］ 中國計量測試協(xié)會. 一級注冊計量師基礎(chǔ)知識及專業(yè)實務(wù)［M］北京:中國計量出版社，2009:205-206.

［11］ 王小科，王軍.C#開發(fā)實戰(zhàn)1200 例［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2011:591-650.