全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 劉仁寰

手持式數(shù)字萬用表在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，但當(dāng)前數(shù)字萬用表的檢定流程需要繁瑣的人工操作，需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間成本?；诖?，文章設(shè)計(jì)全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)，描述其工作流程，并且通過對(duì)其硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的詳細(xì)介紹，說明其設(shè)計(jì)思路和工作模式。該檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠極大的提高手持式數(shù)字萬用表的檢定效率，減少檢定員的工作量，降低萬用表的檢定成本，從而推動(dòng)手持式數(shù)字萬用表在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

手持式數(shù)字萬用表因其使用便捷、測量參數(shù)眾多、價(jià)格低廉，已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。作為重要的測量儀器，按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要周期性的為其進(jìn)行檢定服務(wù)，以保證手持式數(shù)字萬用表測量的準(zhǔn)確性。手持式數(shù)字萬用表的檢定服務(wù)需要測量的參數(shù)多樣，包括直流電壓電流、交流電壓電流、電阻、電容、頻率等，并且每種測量參數(shù)都涵蓋不同量程，運(yùn)用傳統(tǒng)手動(dòng)檢定方式，檢定員需要不斷地切換測量參數(shù)與參數(shù)量程，通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)源，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)并計(jì)算誤差，造成了測量時(shí)間較長，檢定成本幾乎占到手持式數(shù)字萬用表價(jià)格的50%。因此，提升手持式數(shù)字萬用表檢定服務(wù)的自動(dòng)化水平，有效的降低檢定員的工作量，有助于進(jìn)一步降低手持式數(shù)字萬用表檢定服務(wù)價(jià)格，設(shè)計(jì)一套真正意義上把人從繁瑣的檢定工作中解放的全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)意義重大。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在于自動(dòng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)源，自動(dòng)切換量程，以及自動(dòng)識(shí)別與記錄。根據(jù)關(guān)鍵部件的要求，全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)的組成如圖1所示，包括：主控計(jì)算機(jī)、多功能校準(zhǔn)源、量程/參數(shù)切換裝置、視覺識(shí)別系統(tǒng)、控制電纜。其中，量程/參數(shù)切換裝置包含一個(gè)具有角度反饋的步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)水平機(jī)械槽；視覺識(shí)別系統(tǒng)包含攝像機(jī)和照明系統(tǒng)。全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)的工作流程如下。

圖1 全自動(dòng)手持式數(shù)字式萬用表檢定系統(tǒng)部件

（1）將待測手持式數(shù)字萬用表固定在測量夾具中，測量夾具具備調(diào)節(jié)孔，用于調(diào)整萬用表的切換旋鈕，使其放置于水平機(jī)械槽的正下方。

（2）根據(jù)手持式數(shù)字萬用表的型號(hào)確定相應(yīng)的檢定程序，包括測量要素、量程范圍、測量順序等，用于后續(xù)步驟的自動(dòng)化流程操作。

（3）將多功能校準(zhǔn)源與手持式數(shù)字萬用表通過線纜進(jìn)行連接，多功能校準(zhǔn)源能夠提供高于待測萬用表的精度等級(jí)。

（4）控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)量程/參數(shù)旋鈕，確定當(dāng)前所需測量的參數(shù)與量程，并利用角度編碼器反饋當(dāng)前旋鈕位置。

（5）通過控制電纜，主控計(jì)算機(jī)將按照檢定規(guī)范調(diào)整當(dāng)前所需測量參數(shù)的輸出值，并通過多功能校準(zhǔn)源輸出。

（6）待測萬用表數(shù)值顯示穩(wěn)定后，通過攝像機(jī)顯示并識(shí)別當(dāng)前讀數(shù)，完成記錄和存儲(chǔ)。

（7）重復(fù)4-6流程，完成所有參數(shù)及量程的檢定任務(wù)，并出具檢定證書。

上述流程可針對(duì)同一型號(hào)的手持式數(shù)字萬用表執(zhí)行批量化的全自動(dòng)檢定服務(wù)，能夠快速的完成檢定流程，并出具檢定證書。

2 硬件執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)是全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)的基本組成部分，是實(shí)現(xiàn)萬用表檢定自動(dòng)化的核心模塊。硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊包括以下三部分，分別是多功能校準(zhǔn)源，量程/參數(shù)切換裝置，視覺識(shí)別系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均采用模塊化的思想，便于今后系統(tǒng)的維修與功能升級(jí)。以下將詳細(xì)介紹各模塊的功能與設(shè)計(jì)思路。

2.1 多功能校準(zhǔn)源

多功能校準(zhǔn)源是全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)的基準(zhǔn)源，決定了待測萬用表的精度等級(jí)，對(duì)其設(shè)計(jì)十分重要。根據(jù)多功能校準(zhǔn)源的工作要求，通過IEEE488.2通訊接口，主控計(jì)算機(jī)可以控制多功能校準(zhǔn)源發(fā)送直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、電阻、電容、單頻正弦波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，供待測萬用表讀取。需要注意的是，手持式數(shù)字萬用表讀取電流參數(shù)的接線方式與其他參數(shù)不同，因此多功能校準(zhǔn)源的輸出線纜需要特別關(guān)注，避免損壞待測萬用表。多功能校準(zhǔn)源的參數(shù)類別、數(shù)值以及時(shí)間間隔均通過檢定程序自動(dòng)控制，該功能由嵌入到主控計(jì)算機(jī)中的SCPI語言實(shí)現(xiàn)。

2.2 量程/參數(shù)切換裝置

量程/參數(shù)切換裝置是加快手持式數(shù)字萬用表檢定流程的關(guān)鍵裝置，該裝置不僅能實(shí)現(xiàn)不同量程和參數(shù)的切換，并且通過配備的角度編碼器反饋當(dāng)前旋鈕位置，保證測量參數(shù)的正確性。切換裝置通過控制電纜與主控計(jì)算機(jī)連接，利用計(jì)算機(jī)發(fā)送RS232電平的專有控制西指令，控制單片機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)水平機(jī)械槽，將待測萬用表的旋鈕旋至所需量程或參數(shù)。步進(jìn)電機(jī)所需扭矩應(yīng)不小于5N·m，保證旋鈕正常轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與角度編碼器連接，能夠?qū)崟r(shí)記錄步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，確定當(dāng)前旋鈕位置。

圖2 檢定系統(tǒng)軟件管理系統(tǒng)

2.3 視覺識(shí)別系統(tǒng)

視覺識(shí)別系統(tǒng)作為檢定系統(tǒng)的測量值反饋通道，其對(duì)數(shù)字識(shí)別的準(zhǔn)確性決定了檢定系統(tǒng)的性能。通過攝像頭拍攝待測萬用表的顯示屏，并利用二值圖像處理方法進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，得到當(dāng)前待測萬用表的數(shù)值。結(jié)合當(dāng)前旋鈕位置，即可確定待測萬用表的輸出量，并記錄在檢定表格中。在設(shè)計(jì)過程中，需要保證攝像頭鏡頭正對(duì)待測萬用表的顯示屏，鏡頭光軸與顯示屏平面的垂直誤差小于15°，顯示屏圖像與水平面之間的傾斜角小于15°，顯示屏圖像在整個(gè)鏡頭中的面積占比應(yīng)大于10%，保證圖像清晰完整地顯示在鏡頭中。當(dāng)待測萬用表被測量夾具固定后，自動(dòng)調(diào)整鏡頭拍攝顯示屏，并調(diào)節(jié)補(bǔ)償光源，提高圖像質(zhì)量。在識(shí)別過程中，保證鏡頭與顯示屏的相對(duì)位置不變。通過實(shí)驗(yàn)測量可得，數(shù)值識(shí)別時(shí)間小于0.2s/次，能夠正確識(shí)別小數(shù)點(diǎn)，正確率大于99%。

3 軟件管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

良好的軟件管理系統(tǒng)，是保證全自動(dòng)手持式數(shù)字萬用表檢定系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，因此需要對(duì)軟件管理系統(tǒng)的分布進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。軟件管理系統(tǒng)共分三大模塊，包括數(shù)據(jù)管理模塊，校準(zhǔn)測試模塊，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理模塊。三大模塊采用分布式結(jié)構(gòu)，模塊內(nèi)部的程序相對(duì)獨(dú)立，便于功能的修改與移植。各模塊間開放調(diào)用接口，相互耦合，共同構(gòu)成檢定系統(tǒng)的整體軟件管理系統(tǒng)。檢定系統(tǒng)軟件管理系統(tǒng)如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊的目的，是負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)運(yùn)行所需的關(guān)鍵參數(shù)及待測儀器數(shù)據(jù)庫。當(dāng)前檢定系統(tǒng)所包含的關(guān)鍵參數(shù)包括多功能校準(zhǔn)源檢定參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)控制箱控制參數(shù)，數(shù)字?jǐn)z像頭控制參數(shù)。上述參數(shù)能夠?yàn)闄z定系統(tǒng)的硬件模塊提供初始參數(shù)和校準(zhǔn)參數(shù)，保證各硬件模塊的正常運(yùn)行。相關(guān)的參數(shù)會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理模塊中，便于之后檢定流程的調(diào)用。設(shè)計(jì)系統(tǒng)用戶管理界面，建立良好的人機(jī)交互模式，在實(shí)現(xiàn)手持式數(shù)字萬用表檢定自動(dòng)化的同時(shí)，提供檢定員最高的優(yōu)先級(jí)，保證檢定過程具有可操作性。除此之外，數(shù)據(jù)管理模塊還具有一套待測儀器數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)建立各種類型的被檢儀器檔案信息，包括：管理序號(hào)、儀器名稱、儀器型號(hào)、生產(chǎn)廠家、外觀圖片、功能旋鈕角度以所選功能的對(duì)照表、儀器的量程及校準(zhǔn)點(diǎn)、儀器技術(shù)指標(biāo)、備注等。同類型號(hào)待測萬用表僅需一個(gè)檔案信息，配合檢定系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，即可進(jìn)行批量化的檢定工作；各類數(shù)據(jù)可根據(jù)不同型號(hào)的待測萬用表的相關(guān)信息進(jìn)行修改，適用于各類儀器。因此，待測儀器數(shù)據(jù)庫的建立，既保證了檢定系統(tǒng)的批量檢定能力，有為檢定系統(tǒng)提供普適化檢定方案。

3.2 校準(zhǔn)測試模塊

校準(zhǔn)測試模塊是根據(jù)手持式數(shù)字萬用表的檢定規(guī)程，確定進(jìn)行檢定時(shí)所需要獲取和存儲(chǔ)的相關(guān)參數(shù)配置軟件，屬于人機(jī)交互軟件模式。校準(zhǔn)測試模塊包括開始校準(zhǔn)按鈕、狀態(tài)提示窗口、測試數(shù)據(jù)顯示窗口。在按下“開始校準(zhǔn)按鈕”后，系統(tǒng)提示輸入待測萬用表的唯一標(biāo)識(shí)及現(xiàn)場溫濕度環(huán)境，委托方在完成上述信息后，啟動(dòng)檢定系統(tǒng)開始自動(dòng)校準(zhǔn)。狀態(tài)顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢定狀態(tài)，包括測試量程，測試參數(shù)等信息，測試數(shù)據(jù)區(qū)實(shí)時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)及誤差、誤差判斷?！伴_始測試按鈕”此時(shí)變?yōu)椤巴Ｖ箿y試按鈕”，用戶可隨時(shí)中斷測試，系統(tǒng)彈出是否終止測試對(duì)話框，并將校準(zhǔn)源輸出斷開，如用戶選擇“是”，則系統(tǒng)退至校準(zhǔn)模塊起始點(diǎn)；如用戶選擇“否”，則系統(tǒng)控制校準(zhǔn)源繼續(xù)測試，直至系統(tǒng)完成所有校準(zhǔn)項(xiàng)目。

3.3 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理模塊

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理模塊是視覺識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵處理部分，通過攝像頭采集到待測萬用表的屏幕度數(shù)，結(jié)合量程/參數(shù)切換裝置中角度編碼器返回的當(dāng)前位置，共同確定此時(shí)待測萬用表測量的參數(shù)數(shù)值。獲取參數(shù)數(shù)值后，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理模塊將原始數(shù)值存儲(chǔ)于主控計(jì)算機(jī)中，并開始處理程序，授權(quán)用戶可任意調(diào)閱校準(zhǔn)原始記錄并進(jìn)行相應(yīng)地修改。通過與多功能校準(zhǔn)源的輸出量進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)可確定當(dāng)前數(shù)值的誤差，并可通過設(shè)置閾值判斷待測萬用表的精度等級(jí)，為檢定員提供實(shí)時(shí)信息。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理模塊還包含證書制作窗口，按照檢定規(guī)程，可以將校準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)為校準(zhǔn)證書，并控制打印機(jī)打印證書，完成校準(zhǔn)工作。

總結(jié)：本文提出并設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于手持式數(shù)字萬用表的全自動(dòng)檢定系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確高效的完成手持式數(shù)字萬用表的批量檢定工作，還能夠根據(jù)不同型號(hào)萬用表的檢定需求，自主設(shè)定檢定流程。量程/參數(shù)切換裝置配備角度編碼器，能夠?qū)崟r(shí)反饋當(dāng)前的量程或參數(shù)信息，避免待測萬用表因量程或參數(shù)選擇錯(cuò)誤而導(dǎo)致的損壞。該檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠極大的提高手持式數(shù)字萬用表的檢定效率，減少檢定員的工作量，降低萬用表的檢定成本，從而推動(dòng)手持式數(shù)字萬用表在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。