數(shù)字多用表及多功能源遠程測量系統(tǒng)設計*

朱　蕓　白力軍　劉衛(wèi)東　王會肖　王明敬　耿立峰　付進偉

(河北省計量科學研究所，石家莊 050051)

0　引言

數(shù)字多用表、多功能源是電學計量的常用設備，雖然隨著計量儀器與計算機通信技術的融合，目前數(shù)字多用表、多功能源基本都帶有程控接口(GPIB 接口)，使計量檢測計算機控制成為可能，但大多數(shù)計量單位還是采用手動測量的方法。在檢定或校準過程中，需要采集幾十或上百個數(shù)據(jù)，重復、繁瑣和長時間的工作容易使人心不在焉，不但浪費時間、工作效率低下，而且數(shù)據(jù)的準確性會受到一定的影響。另外，有些體積龐大、笨重和精密的設備也不適合送檢(如多功能標準源)，不僅有檢定校準期間的等待對日常工作的影響、花費大量的人員、運輸費用，還有運輸過程中計量儀器被損壞的風險，夏天在恒溫室工作給身體帶來的種種不適等。為此，我們基于Labview平臺、GPIB總線、access數(shù)據(jù)庫、c語言及Labview的Web Server 技術的網(wǎng)絡應用程序，研制了數(shù)字多用表及多功能源遠程測量(檢定、校準)系統(tǒng)。構建一個靈活的遠程校準、自動檢定系統(tǒng)，讓用戶方便地控制儀器、采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行處理、保留原始記錄和出具證書等。人機對話簡單方便，測試速度快，省時省力，同時保證了量值傳遞的準確性，滿足計量檢定規(guī)程的要求。

1　主要構成及功能

該遠程測量系統(tǒng)由現(xiàn)場(主要負責現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)的采集及校準過程的實施)、網(wǎng)絡(遠程通訊)及遠程方(借助遠程面板的網(wǎng)絡應用技術對校準過程進行遠程監(jiān)視、指導和控制)三個部分組成。

測量軟件安裝在服務器上，并把服務器與局域網(wǎng)或者Internet相連接。將測試儀器連接到服務器上，使用者就可以在任何一臺聯(lián)網(wǎng)的電腦上進行測量操作了。

本系統(tǒng)包括測量(檢定、校準)和信息管理兩大功能。其中測量(檢定、校準)參數(shù)為交直流電壓、電流及電阻；信息管理包括信息查詢、數(shù)據(jù)維護及證書報告的生成。

2　主要技術

2.1　編程語言

以Labview為主，C語言為輔，采用Labview語言進行編程數(shù)據(jù)采集。Labview語言是一種基于圖形程序的編程語言，內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析及控制等子程序，特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

2.2　數(shù)據(jù)通訊接口

以IEEE488 -USB(Universal Serial Bus)并行-通用串行總線作為數(shù)據(jù)通信接口。由于IEEE-488標準已經(jīng)成為目前大多數(shù)的智能儀器的標準配置，加之不斷完善的軟件接口的標準化，大部分遠程校準的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集或控制任務都能通過儀器自帶的總線來實現(xiàn)，這也是對智能儀器實現(xiàn)遠程校準最有效和經(jīng)濟的方式；通用串行總線USB作為一種新型的數(shù)據(jù)通信接口在越來越廣闊的領域得到應用，而USB具有速度快、設備安裝和配置容易、易于擴展、能夠采用總線供電和使用靈活等主要優(yōu)點，應用越來越廣泛。

2.3　遠程控制技術

NI公司借助Internet實現(xiàn)遠程測量的方式主要有三種：TCP/IP協(xié)議、DataSocket技術和遠程面板技術。后二者也是基于TCP/IP協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡通訊協(xié)議)的應用技術。TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議，Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎，由網(wǎng)絡層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。TCP/IP定義了電子設備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉藴?。DataSocket是NI公司所特有的網(wǎng)絡編程技術，它以TCP/IP 為基礎，對底層進行了高度封裝，提供了高層的編程接口。借助它元需進行底層較繁瑣的TCP/IP編程，大大簡化了編程過程。特別適用于大量的數(shù)據(jù)訪問與傳輸。遠程面板技術的實現(xiàn)原理是借助于Labview內(nèi)置的Web Server 技術實現(xiàn)的。服務器端利用Labview Web Publishing T ools把虛擬儀器應用程序的前面板發(fā)布到Web頁面上，只要服務器端的應用程序載入內(nèi)存，客戶端的用戶便可以通過瀏覽器對服務器端的遠程面板進行監(jiān)控。遠程面板容易配置，能夠跨平臺，無需A ct iveX控件、Java Applet或者是CGI 腳本，而且可以多同步連接監(jiān)控；控制是動態(tài)的，客戶端在瀏覽器中看到的監(jiān)測畫面同服務器端完全一致。其優(yōu)點是：1)只需瀏覽器，不需要其他額外軟件，利于用戶使用；2)易維護，只需維護服務器端代碼；3)多平臺支持；4)安全性：源代碼客戶端不可見。

遠程面板提供了便捷的遠程控制手段。在實際測量中，無需實時將數(shù)據(jù)傳送至測量中心，只需要可以實時監(jiān)控測量結果，控制測量進程并查詢服務器計算機中數(shù)據(jù)庫的各種數(shù)據(jù)。遠程面板技術就能很好的滿足上述需求。

3　工作流程

工作流程圖如圖1所示。

圖1　工作流程

3.1　校準信息描述

測量信息描述的功能是輸入本次被測儀器及標準器的信息，如果不是首次送檢的儀器，可以直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出，無需再次輸入。并且，廠商、型號和編號是關聯(lián)的，指定其中一項的值，會相應改變其他兩項的值。用戶使用界面如圖2所示。

圖2　基本信息錄入界面

3.2　搜索儀器

點擊“搜索gpib設備”，系統(tǒng)將搜索所有連接到電腦上的gpib設備，并將搜索到的設備顯示在表格中。對所顯示的設備設置角色，儀器角色分為6種：工作源、標準源、被測源、被測表、標準表和未定義。程序根據(jù)儀器被賦予的角色，自動顯示校準模式，校準模式分為3種：源測表、表測源和表測表。如把其中一個儀器定義為標準源，另一儀器定義為被測表，則校準模式自動顯示為源測表。用戶使用界面如圖3所示。

圖3　搜索設備界面

3.3　設置測量參數(shù)

添加選點，可以在程序中設置，用戶通過設置測量項目(電壓、電流或者電阻)、電壓類型(直流/交流和頻率)、量程數(shù)和量程值、計量單位及是否基本量程等。在程序中生成一系列選點，也可以從數(shù)據(jù)庫調(diào)取，系統(tǒng)通過當前被測儀器型號，在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取以前設置的選點，對于特殊的選點還可以手動單獨輸入。本部分用戶使用界面如圖4和圖5。

圖4　測量參數(shù)設置界面

圖5　待測量的界面

3.4　獲得測量結果及數(shù)據(jù)處理

在這里，用戶可以啟動測量、終止測量和保存測量結果。測量過程中，系統(tǒng)同時處理測量數(shù)據(jù)，計算出每一點的示值誤差和不確定度(不確定度可以顯示每一點的A類標準不確定度、B類標準不確定度和擴展不確定度)。如果出現(xiàn)異常值，會彈出對話框提示，并讓用戶選擇重測、繼續(xù)、還是終止測量。點擊“保存數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中(包括校準描述信息和測量數(shù)據(jù))。點擊“生成證書”，系統(tǒng)將將當前的測量數(shù)據(jù)按照證書格式生成一個.htm格式的文件，此文件可以用ms office word來打開。

3.5　信息查詢

在信息查詢界面，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的查詢條件，來搜索所有符合條件的校準信息，并將查詢結果顯示在表格中，用戶使用界面如圖6。然后，右鍵點擊想要查看的校準信息，系統(tǒng)會檢索數(shù)據(jù)庫，把此次測量的測量數(shù)據(jù)顯示到測量數(shù)據(jù)表格中。

圖6　信息查詢界面

4　測量結果

在測試時，使用Fluke5720標準源作為標準源，Agilent 34401A作為被測表。圖7為原始記錄，其中標準值和被測值是自動采集的原始數(shù)據(jù)；電壓類型、頻率、量程、單位和選點值為預先選定的測量參數(shù)；誤差、不確定度是根據(jù)測量結果和預先選定的測量次數(shù)計算得出的。由于采用邊測量邊計算的方法，如果測量數(shù)據(jù)超過了預先設置的警戒值，計算機就會自動提示，并提供三種選項，分別為重測、繼續(xù)和退出，用戶可以根據(jù)情況選擇其一。這樣可以及時發(fā)現(xiàn)測量過程中出現(xiàn)的問題，并解決，提高了測量的有效性，節(jié)省了時間。

圖7的數(shù)據(jù)是以Fluke 5720作為標準源，Agilent 34401A作為被測表為前提得到出的。如果反過來，把Fluke 5720標準源作為被測源，Agilent 34401A作為標準表，測量數(shù)據(jù)一樣，則圖7的誤差將符號相反。

圖7　原始記錄界面

5　結束語

本系統(tǒng)采用模塊化設計，以Labview為主，根據(jù)需要靈活嵌入了其他編程語言，使程序更簡潔、合理；采用多種技術，實現(xiàn)了數(shù)字多用表、多功能標準源的遠程測量及數(shù)據(jù)的管理。具有很強的應用性和可擴展性。實踐證明，該系統(tǒng)測量程序、數(shù)據(jù)處理和證書出具等均符合數(shù)字電壓表、標準源檢定規(guī)程要求，實現(xiàn)了遠程檢定、校準，操作便捷，提高了檢定的準確度與可靠性，大大減少了檢定人員的工作量。

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