基于MET/CAL的TDS2000系列示波器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

豐淑迎，張華鋒，李濤

(中國人民解放軍92957部隊，浙江舟山316000)

0 引言

現(xiàn)階段數(shù)字示波器以其操作簡便、性能優(yōu)良、易于程控、穩(wěn)定可靠等特點，迅速替代了模擬示波器。但是，由于數(shù)字示波器校準(zhǔn)、檢定項目較多，手動對示波器進(jìn)行測量不僅耗時，而且不易形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的操作，容易出現(xiàn)人為錯誤。所以，為了保證量值準(zhǔn)確可靠的傳遞，提高校準(zhǔn)、檢定工作效率，減少人員失誤，設(shè)計了示波器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用FLUKE5520A(SC600選件)或FLUKE9500為標(biāo)準(zhǔn)器，運行MET/CAL自動校準(zhǔn)軟件，實現(xiàn)示波器的自動校準(zhǔn)、檢定。

1 MET/CAL簡述

1.1 MET/CAL軟件

MET/CAL是FLUKE公司為校準(zhǔn)實驗室開發(fā)的一套分布式(也可單機(jī)運行)自動校準(zhǔn)軟件。主要由MET/TRACK(設(shè)備管理)、MET/BASE(底層服務(wù))兩部分組成。MET/CAL包括執(zhí)行校準(zhǔn)程序的軟件模塊METCAL Run Time和編寫校準(zhǔn)程序的軟件模塊METCAL Editor。

MET/BASE是軟件的核心服務(wù)器，是為MET/CAL和MET/TRACK的運行提供底層服務(wù)，以及完成客戶端的注冊與管理、存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等功能。MET/BASE是一個功能強(qiáng)大的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器——Sybase公司的Adaptive Server Anywhere。而且，該軟件還和微軟公司的開放式數(shù)據(jù)庫連接標(biāo)準(zhǔn)(ODBC)兼容，它可以從任何與ODBC兼容的應(yīng)用程序(如微軟公司的Excel或Word)訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，并為校準(zhǔn)、檢定結(jié)果的報告提供了更加開放的方式。

MET/TRACK完成設(shè)備管理、系統(tǒng)管理。具體包括儀器的登記、校準(zhǔn)記錄、維修，用戶的基本信息，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的向上溯源、向下傳遞，打印證書、報告，操作者的口令、權(quán)限、工時績效的管理。

該軟件包還包含了Crystal Reports Professional預(yù)定格式的報告，可以完成校準(zhǔn)、檢定后的校準(zhǔn)、檢定證書報告。軟件中還擁有各大儀器廠商的各類主流設(shè)備的校準(zhǔn)程序，該程序是依據(jù)設(shè)備制造商的校準(zhǔn)技術(shù)方案編寫的，具有很好的參考意義。

1.2 FSC語言

FSC(Function Selection Codes)語言是MET/CAL的檢定、校準(zhǔn)程序中所使用的程序語言。FSC語言是控制標(biāo)準(zhǔn)源、被檢設(shè)備，數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行誤差、不確定度計算，流程控制等功能的一系列指令的集合。MET/CAL中擁有7種類型的FSC，分別是:儀器類，顯示控制類，評估類，接口控制類，寄存器操作類，程序控制類，其他類［1］。

儀器類FSC用來控制校準(zhǔn)、檢定系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為被檢對象提供激勵或從被檢對象處采集數(shù)據(jù)。該FSC也能自動生成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和被檢對象模擬信號連接情況信息，以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備在測試中的設(shè)置。另外，儀器類FSC還能對測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成合格評價。儀器類FSC對應(yīng)每種不同儀器有其專用指令，具體指令的使用可參考用戶手冊。

顯示控制類FSC是在操作過程中為操作者提供校準(zhǔn)、檢定相關(guān)信息。這些信息直接顯示在屏幕上。相關(guān)FSC有:CON，DISP，HEAD，MESS。

評估類FSC是一種與設(shè)備無關(guān)，用來執(zhí)行評估操作的語句。當(dāng)簡單的儀器類FSC無法滿足評估要求時，則要使用此類FSC。相關(guān)FSC有:DOSE，EVAL，MEMC。

接口控制類FSC可直接控制通過IEEE-488或串口連接、控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備，當(dāng)沒有合適的FSC指令時，通過上述接口連接的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備亦可使用此類指令來控制。相關(guān)FSC有:IEEE，IEEE2，SCPI。

寄存器操作類FSC用于存儲、讀取和維護(hù)寄存器中的數(shù)據(jù)。相關(guān)FSC有:MATH，MEM2，MEME，MEMI，MEM+，MEM-，MEM*，MEM/。

程序控制類FSC是控制程序的走向，此類語句不會進(jìn)行任何測試，也不會產(chǎn)生測試結(jié)果。相關(guān)FSC有:ASK+，ASK-，DO，UNTIL，DOS，IF，ELSEIF，ENDIF，WHILE，ENDW，CALL。

其他類FSC包括儀器重啟、設(shè)置參數(shù)、設(shè)定誤差限等其他功能的語句。相關(guān)FSC有:RESET，TEST，VSET，TOL，ACC，STD。

2 自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計方案

自動校準(zhǔn)系統(tǒng)原理如圖1自動檢定系統(tǒng)方框圖所示。

圖1 自動檢定系統(tǒng)方框圖

自動檢定系統(tǒng)由安裝了MET/CAL軟件的計算機(jī)，帶有SC600示波器選件的5520A作為計量標(biāo)準(zhǔn)器，IEEE-488控制電纜，被校準(zhǔn)、檢定的TDS2000系列示波器和測試電纜等組成。被測對象為TDS2000B和TDS2000C系列示波器時，可以通過示波器自帶的USB端口直接與計算機(jī)連接。TDS2000系列則需要購置TDS2CMAX通信模塊選件，通過該模塊接口IEEE-488電纜與計算機(jī)連接。為了使用方便，GPIB接口選用了美國NI公司的GPIB-USB-HS型控制器，這樣可方便的與計算機(jī)聯(lián)接。

計算機(jī)作為控者，通過GPIB-USB轉(zhuǎn)換器將指令發(fā)送給校準(zhǔn)源和示波器，并傳回測試數(shù)據(jù)，然后完成顯示、存儲、數(shù)據(jù)處理等功能。示波器通道轉(zhuǎn)換時，程序會做出提示，手動將校準(zhǔn)源輸出信號轉(zhuǎn)換至示波器的相應(yīng)通道［2］。

3 程序設(shè)計

3.1 校準(zhǔn)、檢定程序設(shè)計

根據(jù)校準(zhǔn)、檢定規(guī)程，需要對示波器各通道的直流增益、頻帶寬度、上升時間、觸發(fā)靈敏度、時基相對誤差，以及輸入電阻和校準(zhǔn)信號進(jìn)行檢定。檢定時需要注意以下幾點:

1)校準(zhǔn)信號和輸入電阻的檢定因需更換儀器，參數(shù)簡單，而且手動操作較多，便未將其設(shè)計在自動檢定系統(tǒng)中。

2)除時基相對誤差的檢定選任一通道外，其他項目均需檢定兩通道(或四通道，本系統(tǒng)按兩通道進(jìn)行設(shè)計)。

3)在檢定頻帶寬度、上升時間、觸發(fā)靈敏度和時基相對誤差時需要在示波器輸入通道前加50 Ω通過式負(fù)載(某些示波器可以設(shè)置輸入阻抗，就不必再外加負(fù)載)。

參考以上特點，從提高檢定效率、盡量減少手動操作的失誤考慮，主程序設(shè)計如圖2所示。

圖2 檢定程序

3.2 各模塊(檢定項目)程序設(shè)計

主程序確定后，參照數(shù)字示波器檢定規(guī)程、MET/CAL的幫助文件［3］和TDS2000系列示波器編程手冊，編寫各個測試項目的具體程序。由于程序較大，在此只列出具有代表性項目的關(guān)鍵程序。

3.2.1 直流增益的檢定程序

該段程序?qū)κ静ㄆ? mV/div量程的直流增益進(jìn)行檢定。程序控制5520A輸出6.00 mV和-6.00 mV直流信號，示波器分別測得兩個值，然后與12 mV比較，計算誤差，若誤差小于4%，程序便判斷2 mV/div量程的直流增益合格。

3.2.2 上升時間的檢定程序

程序控制5520A輸出幅度為2.5 V，頻率為1 MHz的邊沿信號，并設(shè)置觸發(fā)電平和位置，使波形穩(wěn)定居中顯示，然后測量上升時間，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)判斷是否合格。

其他量程的檢定程序同理。

4 自動生成檢定證書的設(shè)計

利用LabVIEW的第三方數(shù)據(jù)庫工具包LabSQL訪問MET/CAL的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對校準(zhǔn)、檢定數(shù)據(jù)的查詢。LabSQL工具包將ADO和SQL語言封裝起來，用戶不必深入了解下層實現(xiàn)的方式，比較適合工程開發(fā)［4］。數(shù)據(jù)庫采用ODBC技術(shù)連接［5］。校準(zhǔn)、檢定數(shù)據(jù)的查詢與寫入通過ADO技術(shù)開發(fā)的VI實現(xiàn)。

4.1 查詢MET/CAL數(shù)據(jù)庫

MET/CAL的數(shù)據(jù)庫中包含儀器的基本信息、維修記錄、溯源記錄和校準(zhǔn)記錄。輸入儀器名稱、儀器型號、儀器編號和檢定時間，便能唯一確定某臺儀器的一次校準(zhǔn)、檢定記錄的標(biāo)識—ctag(數(shù)據(jù)庫中的字段)。確定標(biāo)識ctag后，可通過SQL指令查詢校準(zhǔn)、檢定的數(shù)據(jù)結(jié)果。圖3的程序即是確定一臺儀器的一次校準(zhǔn)、檢定記錄。

圖3 確定儀器的校準(zhǔn)標(biāo)識

4.2 原始數(shù)據(jù)寫入EXCEL

通過VI將查詢得到的校準(zhǔn)、檢定數(shù)據(jù)填入EXCEL版本的檢定證書中的相應(yīng)單元格內(nèi)，完成檢定數(shù)據(jù)的自動錄入。程序如圖4所示。

圖4 自動生成證書的程序

5 實際應(yīng)用

本系統(tǒng)以數(shù)字示波器TDS2012C(編號C021041)為實驗對象，檢定示波器的直流增益、頻帶寬度、上升時間、觸發(fā)靈敏度、時基相對誤差，以及校準(zhǔn)信號和輸入電阻。手動檢定和自動檢定用時如表1所示?？梢姍z定效率提高了一倍以上。通過LabVIEW平臺，直接訪問MET/CAL數(shù)據(jù)庫，將校準(zhǔn)、檢定的原始數(shù)據(jù)自動錄入Excel證書中，自動完成示波器的檢定工作。

表1 示波器檢定用時對比 min

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)完成了TDS2000系列數(shù)字示波器的絕大多數(shù)項目的自動檢定。自動檢定與手動檢定相比，工作效率顯著提高，而且人員操作失誤的幾率也大大降低。

本系統(tǒng)的檢定程序同樣支持TDS1000系列示波器，對程序代碼稍加修改便可支持TDS3000系列，軟件可移植性好。

［1］雷鳴.MET/CAL自動校準(zhǔn)軟件及FSC語言簡介［J］.湖北電力，2009，33(S1):79-80.

［2］付永杰，郭占山，畢鵬.5520A示波器自動檢定系統(tǒng)的設(shè)計［J］.工業(yè)計量，2003(3):24-25.

［3］MET/CAL Metrology Software Reference，Rev.9［Z］.1995.

［4］張榮.LABVIEW數(shù)據(jù)庫與報表設(shè)計技術(shù)研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2009，23(S0):229-232.

［5］張暉妍，王晶.淺談ODBC技術(shù)［J］.青海氣象，2008(1):51-53.

［6］毛玉蘋.基于Fluke MET/CAL和5700A的Agilent 34401A自動校準(zhǔn)系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.國外電子測量技術(shù)，2009，28(10):55-59.