基于LabVIEW的功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧澤江，蔣海鋒

（工業(yè)與信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇　蘇州　215011）

基于LabVIEW的功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧澤江，蔣海鋒

（工業(yè)與信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州215011）

通過(guò)利用USB/GPIB線將Fluke公司的5522A、Yokogawa公司的WT310和PC機(jī)箱連接組成的硬件系統(tǒng)，基于LabVIEW編程系統(tǒng),設(shè)計(jì)編寫了功率計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)程序，校準(zhǔn)結(jié)果輸出為Excel文件。討論了5522A的地址配置、狀態(tài)配置、輸出狀態(tài)監(jiān)控和電流切換方法，以及WT 310的地址配置和量程配置的方案。

功率計(jì)；自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)；硬件配置；軟件設(shè)計(jì)

0　引言

隨著儀器生產(chǎn)的日漸成熟與標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)已經(jīng)可以將校準(zhǔn)儀器通過(guò)USB/GPIB線直接與PC連接，通過(guò)相關(guān)的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程控制儀器配置輸出和數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，完成復(fù)雜而規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；且該操作過(guò)程簡(jiǎn)單靈活，能夠極大地提高校準(zhǔn)效率。LabVIEW則是相關(guān)編程語(yǔ)言中的佼佼者。文中利用USB/GPIB線將5522A和WT310連接到PC并基于LabVIEW軟件平臺(tái)，開發(fā)了功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功地通過(guò)了測(cè)試，能夠極大地縮短計(jì)量時(shí)間。隨著測(cè)試點(diǎn)和通道等的增多，自動(dòng)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。

1　自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件配置

本系統(tǒng)的硬件配置如圖1所示[1]，各硬件之間采用串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。

圖1　自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

本文選用的標(biāo)準(zhǔn)器Fluke 5522A多功能校準(zhǔn)儀是校準(zhǔn)多種電子測(cè)量?jī)x器的精密儀器，能夠輸出交直流電壓、電流、功率、電阻和電容等。其中，輸出的直流電壓的范圍為0～1 020 V，最大允許誤差為1.3×10-5～2.0×10-5；輸出的直流電流的范圍為0～20.5 A，最大允許誤差為1.0×10-4～2.0×10-4。不同的量程所對(duì)應(yīng)的值也有所不同，具體的數(shù)值請(qǐng)參考5522A使用手冊(cè)。Yokogawa WT310數(shù)字功率計(jì)是理想的測(cè)量工具，能夠完成交直流電壓、電流和功率的測(cè)量[2]。通過(guò)添加選件，其還能夠完成電壓諧波分析，測(cè)量速度也較上一代有所提高。電壓量程為15～600 V，電流量程為5 mA～20 A，最大允許誤差為±（0.1%of reading+0.2%of range）。但通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，5522A綜合校準(zhǔn)儀的誤差遠(yuǎn)小于WT310，符合相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)程的要求。

2　自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PC、5522A和WT310通過(guò)GPIB線連接后，LabVIEW能夠自動(dòng)地識(shí)別儀器設(shè)備，通過(guò)VISA直接將SCPI命令發(fā)送至儀器，或從NI官網(wǎng)下載儀器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)儀器控制。NI提供絕大多數(shù)商用儀器的驅(qū)動(dòng)程序，能夠使開發(fā)人員不必去閱讀每一個(gè)儀器的說(shuō)明書就能直接進(jìn)行儀器控制，極大地簡(jiǎn)化了開發(fā)過(guò)程，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間[3]。使用Activex控件，LabVIEW能夠直接從Excel中讀寫數(shù)據(jù)，直接從標(biāo)準(zhǔn)Excel模板中讀取測(cè)試信息，校準(zhǔn)完成后就能直接得到Excel文件，方便后期證書的制作?；谏鲜鲈颍到y(tǒng)程序流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)流程圖

3　對(duì)儀器進(jìn)行配置

系統(tǒng)中PC與5522A和WT310之間的通信通過(guò)VISA函數(shù)來(lái)完成。經(jīng)過(guò)GPIB連接的儀器能夠自動(dòng)地被LabVIEW識(shí)別[4-5]。NI提供了一系列的集成好的儀器驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制，本文采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編程，避開了VISA直接發(fā)送命令，簡(jiǎn)化了程序的開發(fā)過(guò)程，縮短了開發(fā)時(shí)間。

a）5522A、WT310初始化

通過(guò)GPIB地址I/O，配置儀器的地址。NI MAX提供了不同地址對(duì)應(yīng)的儀器型號(hào)，直接查看GPIB地址對(duì)應(yīng)的儀器。5522A出廠默認(rèn)地址為4，WT310出廠地址為1。在LabVIEW中設(shè)置5522A地址形式為GPIB0：：4：：INSTER，WT310地址為GPIB0：：1：：INSTER。使用初始化驅(qū)動(dòng)，儀器進(jìn)入遠(yuǎn)程控制狀態(tài)。初始化框圖如圖3所示。

圖3　初始化

b）5522A狀態(tài)配置

通過(guò)Excel讀取數(shù)據(jù)，對(duì)5522A的輸出參數(shù)和輸出狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，5522A的輸出電壓、電流不能設(shè)置為零，否則程序會(huì)報(bào)錯(cuò)，應(yīng)予以注意。完成配置后，將輸出狀態(tài)設(shè)置為Operate，5522A開始輸出。

c）WT310狀態(tài)配置

為了實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)對(duì)WT310的電壓、電流量程進(jìn)行配置，避免自動(dòng)量程調(diào)整的等待時(shí)間，提高測(cè)量精度。WT310量程有兩種模式：1）當(dāng)峰值因素為3時(shí)，量程最大為600 V，最小為15 V；2）當(dāng)峰值因素為6時(shí)，量程最大為300 V，最小為7.5 V。用驅(qū)動(dòng)配置量程時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸入值被限制為峰值因素為6時(shí)的值，即峰值因素設(shè)為3，儀器要將電壓量程配置為15 V，應(yīng)輸入7.5，依此類推，每一個(gè)量程輸入時(shí)都應(yīng)該除以2，應(yīng)予以注意。

d）5522A輸出狀態(tài)監(jiān)控

5522A輸出不同的電壓、電流值時(shí)，上升時(shí)間各不相同。如果直接采用延時(shí)等待的方法，則每一組測(cè)量都要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的等待，不同的建準(zhǔn)點(diǎn)要設(shè)置不同的等待時(shí)間，工作量太大，設(shè)置同樣的等待時(shí)間又會(huì)造成大量的空閑等待時(shí)間，直接降低校準(zhǔn)的效率。基于此，對(duì)5522A的輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控就顯得尤為重要，但5522A并未提供相關(guān)的功能。因此，本文通過(guò)監(jiān)控WT310的測(cè)試值，實(shí)現(xiàn)對(duì)5522A輸出狀態(tài)的監(jiān)控，即當(dāng)WT310采集到的數(shù)據(jù)接近輸入的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則認(rèn)為5522A輸出值穩(wěn)定。為每個(gè)點(diǎn)提供特定的等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)的快速、精確。5522A輸出狀態(tài)的監(jiān)控程序如圖4所示。

圖4　輸出狀態(tài)監(jiān)控

e）大電流切換

5522A在輸出0～2 A電流和2～20 A電流時(shí)，有不同的輸出端子。需要先將所有涉及小電流的項(xiàng)目測(cè)試完成后，使用順序結(jié)構(gòu)暫停程序來(lái)彈出對(duì)話框，提示用戶切換電流端子。用戶切換端子后，點(diǎn)擊一下確定按鈕，程序繼續(xù)執(zhí)行。切換程序如圖5所示。

圖5　大電流切換

4　測(cè)試結(jié)果與討論

按照要求接線后，程序順利地運(yùn)行，準(zhǔn)確無(wú)誤地生成了Excel表格。但是，整個(gè)程序調(diào)試運(yùn)行時(shí)，遇到了以下幾個(gè)問(wèn)題。

a）數(shù)據(jù)的位數(shù)需要通過(guò)Excel來(lái)控制，這是因?yàn)?，?dāng)測(cè)量值是一個(gè)整數(shù)時(shí)，讀取的值為一個(gè)整數(shù)，不帶小數(shù)點(diǎn)后的零。因此，需要采用Excel來(lái)直接控制每一個(gè)單元格的小數(shù)位數(shù)，這樣便能獲得需要的小數(shù)位數(shù)。

b）不同的測(cè)量項(xiàng)目之間進(jìn)行切換時(shí)，直接進(jìn)入下一個(gè)測(cè)量項(xiàng)目時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤，因而需要采用一個(gè)延時(shí)等待，使電壓下降到0后再進(jìn)行下一個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量。

c）5522A從交流電流轉(zhuǎn)直流電流輸出時(shí)，雖然在驅(qū)動(dòng)上有設(shè)置輸出頻率為零，但是仍然輸出的是交流電流。因此，在切換時(shí)，應(yīng)加入一個(gè)將5522A輸出配置成直流電壓的動(dòng)作。

相較于傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量，此自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)大幅度地縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，降低了人工成本，提高了測(cè)量效率。

5　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，雖然校準(zhǔn)過(guò)程中遇到了許多的小問(wèn)題，但都成功地得到了解決。因此，可以判斷本系統(tǒng)完全能夠滿足當(dāng)前賽寶對(duì)功率計(jì)校準(zhǔn)的要求。此外，使用驅(qū)動(dòng)程序的優(yōu)點(diǎn)是方便對(duì)程序進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)，而且程序也能輕松地適應(yīng)模塊的改變。

[1]Fluke Corporation.FLUKE 5522A使用手冊(cè) [M/OL]. [2016-02-29].http://www.do.cin.com/P-602105881.html.

[2]Yokogawa Meters&Instruments Corporation.WT310數(shù)字功率計(jì)操作手冊(cè) [M/OL].[2016-02-29].http://www. docin.com/P-919001708.html.

[3]馬迎建，曹潔，宋彭.基于LabVIEW的3458A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子測(cè)量技術(shù)，2009，32（1）：131-133.

[4]JEFFREY T，KRING J.LabVIEW for everyone[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

Design of a LabVIEW-based Automatic Calibration System of Power Meter

DENG Ze-jiang，JIANG Hai-feng
（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

With the hardware system formed by connecting 5522A produced by Fluke corporation and WT 310 produced by Yokogawa corporation to PC with USB or GPIB cable，a LabVIEW-based automatic calibration system of power meter is designed，and the calibration result is Excel file.Besides，the address configuration，state configuration，output state monitoring and current switching methods of 5522A as well as the address and range configuration methods of WT310 are discussed.

power meter；automatic calibration system；hardware configuration；software design

TM 9333.3;TP 274

A

1672-5468（2016）04-0001-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

2016-02-29

鄧澤江 （1992-），男，四川南充人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所助理工程師，主要從事電磁專業(yè)的儀器校準(zhǔn)工作。