一種基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的直流穩(wěn)定電源自動化校準系統(tǒng)

凌勇，袁鶴齡，陸敏玉

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

直流穩(wěn)定電源廣泛運用于科研生產(chǎn)型企業(yè)，隨著科技的發(fā)展，直流穩(wěn)定電源正朝著智能化、高精度、多通道、寬量程的趨勢發(fā)展。目前國內(nèi)直流穩(wěn)定電源的量值溯源標準主要依據(jù)是JJF 1597《直流穩(wěn)定電源校準規(guī)范》以及JJG 77—2015《直流穩(wěn)壓電源檢定規(guī)程》。以JJF 1597 為例，一個單通道單量程的直流穩(wěn)定電源全套校準項目共有13 項[1]，對于一個多通道多量程的直流穩(wěn)定電源來說，整個校準項目總數(shù)一般是13的整數(shù)倍。如果采用傳統(tǒng)的人工校準，非常耗費時間和人力，而且電源量程通道數(shù)量越多，出錯的概率越大。電源產(chǎn)品不僅數(shù)量多、型號雜，而且為避免影響正常生產(chǎn)，電源產(chǎn)品使用人員往往需要盡可能加快電源校準整體作業(yè)速度。在此背景下，直流穩(wěn)定電源自動化校準系統(tǒng)（簡稱電源自校系統(tǒng)）的研發(fā)需求變得日益迫切。

經(jīng)調(diào)研，直流穩(wěn)定電源目前普遍配置至少一類程控通信接口（RS232、GPIB、USB），并且大部分程控儀器都支持可編程儀器標準命令（SCPI）[2]。針對現(xiàn)今較為主流的編譯軟件（VC、.NET、C++等），通過適用度、可編程性等綜合因素的比較分析，本文最終選擇以LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺。LabVIEW 是一個工業(yè)標準的圖形化開發(fā)環(huán)境，它結合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，以及專為測試、測量與自動化控制應用設計的高端性能與配置功能。LabVIEW 配備了種類豐富、功能強大的可擴展函數(shù)庫和子程序庫，可用于GPIB 設備控制、VXI 總線控制、串行口設備控制以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲等[3]。

綜上所述，基于電源類產(chǎn)品普遍具備可程控化的特點以及LabVIEW 軟件出色的測控編譯性能，本文介紹了一款直流穩(wěn)定電源自動化校準系統(tǒng)。

2 電源自校系統(tǒng)的主體結構

電源自校系統(tǒng)的主體結構如圖1 所示，分為硬件部分和軟件部分，表1 為電源自校系統(tǒng)的主要構成明細表。

表1 電源自校系統(tǒng)的主要構成明細

圖1 電源自校系統(tǒng)的主體結構

3 自動化校準過程

整個直流穩(wěn)定電源的自動化校準過程可以分為校準啟動階段、校準作業(yè)階段以及校準收尾階段?，F(xiàn)針對各階段較典型的技術難點和解決方案進行闡述。

3.1 校準啟動階段

該階段的主要任務是實現(xiàn)校準啟動過程信息的導入，導入信息包括被校電源的特征信息、程控指令以及各項技術參數(shù)。其技術難點主要在于市面上電源型號、種類繁多，因此需要建立一套較為簡單、完備的編碼規(guī)則，針對各類電源的主要校準信息以標準化格式錄入，在數(shù)據(jù)庫中也需要構建一個較為合理且對應關系清晰的數(shù)據(jù)結構模型，從而確保LabVIEW 主體程序能夠從數(shù)據(jù)庫中準確地識別和提取所需要的相關信息。為解決上述技術難點，主要采取了2 條解決措施。

3.1.1 制定電源信息編碼規(guī)則

本系統(tǒng)采用了雙字段編碼方式，具體格式為XXXX-n1-n2-n3-n4。其中，XXXX 代表電源型號字段，主要由數(shù)字、英文字母或特殊字符組成，一般是直接引用電源廠商的編號規(guī)則。需要注意的是，如果廠商提供的型號名稱包含“-”，需要將其替換成“#”。n1-n2-n3-n4代表通道量程信息字段，主要由4 個獨立數(shù)位非0 自然數(shù)組成。n1代表該電源型號的通道總數(shù)，n2代表該電源型號的通道序號，n3代表該電源型號某通道的量程總數(shù)，n4代表該電源型號某通道的量程序號。

如某型號電源編碼為IT6952A-1-1-1-1，表示電源型號是IT6952A，設備通道總數(shù)為1，量程數(shù)量也為1。又如某型號電源編碼為E3633A-1-1-2-1，表示電源型號是E3633A，該設備通道總數(shù)為1，量程數(shù)量為2，目前指向該型電源第1 個量程。

采用這種編碼方式有2 個優(yōu)點：一是清晰直觀，從編碼名稱上就能夠迅速了解產(chǎn)品的通道和量程數(shù)量；二是編碼方式簡單，鑒于不同電源設備的性能千差萬別，這種編碼方式可以防止遺漏，并且每個通道量程可以通過程序準確識別和賦值。

3.1.2 建立關系模型

電源自校系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一共包括12 張數(shù)據(jù)表，以通道量程數(shù)據(jù)表為核心，圖2 為通道量程數(shù)據(jù)表的設計視圖，可以看出，通道量程數(shù)據(jù)表的主鍵字段是通道名稱，且該字段采用了電源信息編碼規(guī)則。

圖2 通道量程數(shù)據(jù)表的設計視圖

自校系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關系映射模型如圖3 所示。其中，設備型號數(shù)據(jù)表與設備校準信息庫數(shù)據(jù)表的表間關系為一對一模式，通道量程等10 張數(shù)據(jù)表的表間關系為一對多模式。采用該數(shù)據(jù)表關系映射模型，可以快速、準確地從數(shù)據(jù)庫中識別和提取指定的型號電源和量程通道所需的相關校準信息。

圖3 自校系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關系映射模型

3.2 校準作業(yè)階段

該階段的主要任務是解決校準作業(yè)過程的數(shù)據(jù)交互和處理，主要包括LabVIEW 主體程序與數(shù)據(jù)庫、LabVIEW 主體程序與被測電源、LabVIEW 主體程序與直流穩(wěn)定電源校準裝置、LabVIEW 主體程序與校準人員之間的信息交互處理。LabVIEW 主體程序由44個VI 功能模塊組成，其中包括6 個主功能模塊，9 個子功能模塊和29 個支持功能模塊。LabVIEW 自動化校準系統(tǒng)的初始化頁面如圖4 所示，流程結構框圖如圖5 所示。

圖4 自動化校準系統(tǒng)的初始化頁面

圖5 LabVIEW 主體程序的流程結構框圖

在數(shù)據(jù)交互和處理的過程中，如何保證LabVIEW主體程序顯示界面的實時準確切換是主要技術難點之一。為解決該問題，在編程過程中靈活、綜合運用了標準狀態(tài)機控制技術[4]、數(shù)組/字符串函數(shù)以及循環(huán)/事件/條件結構的嵌套等，確保程序的穩(wěn)定運行。

典型LabVIEW 狀態(tài)機由一個While 循環(huán)、一個條件結構和一組移位寄存器組成，LabVIEW 狀態(tài)機的基本框架結構如圖6 所示。其中，While 循環(huán)用來保證程序的連續(xù)運行；條件結構各種分支中的代碼用來描述狀態(tài)機的各種狀態(tài)以及下一狀態(tài)的選擇；移位寄存器用來將上個狀態(tài)所做的選擇傳遞到下一次循環(huán)的選擇端子。

圖6 LabVIEW 狀態(tài)機的基本框架結構

以圖5 中LabVIEW 主體程序主功能模塊之一的信息錄入模塊為例，該功能模塊一共包含“起始態(tài)”、“查詢態(tài)”、“顯示態(tài)”以及“退出態(tài)”4 種主要狀態(tài)頁面，并且在數(shù)據(jù)交互處理過程中，這4 個主要狀態(tài)頁面會出現(xiàn)反復來回切換的情況。信息錄入模塊采用了如圖6 所示的LabVIEW 狀態(tài)機的基本框架結構，有效地解決了不同狀態(tài)頁面切換的技術難點。信息錄入模塊的程序流程如圖7 所示。

圖7 信息錄入模塊的程序流程

3.3 校準收尾階段

該階段的主要任務是實現(xiàn)校準結果的保存和輸出。其技術難點是如何將校準結果輸出并制作成定制化的Excel 格式的校準報告和校準證書。李征采用Excel 內(nèi)嵌的VBA 腳本代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算和報告格式生成[5]，但該方法需要針對不同型號的電源制作不同樣式的證書模板。李華等采用LabVIEW 提供的報表工具包實現(xiàn)報表生成[6]，但輸入?yún)?shù)有數(shù)量限制，并不能完全滿足實際使用過程中的多樣化要求。為解決上述技術難點，主要采取了2 條解決措施。

3.3.1 校準證書和記錄的模板布局設計

本系統(tǒng)針對校準證書和記錄的模板布局進行優(yōu)化設計。以校準證書制作為例，證書模板布局設計如圖8 所示。這種布局不同于僅按照校準項目的布局方式，而是先將直流穩(wěn)定電源拆解為獨立的單一量程通道，再針對每個量程通道按照校準項目進行布局設計。

圖8 證書模板布局設計

3.3.2 采用ActiveX 技術制作校準證書和記錄

在完成上述證書模板布局設計的基礎上，電源自校系統(tǒng)采用ActiveX 技術生成校準證書和校準記錄。ActiveX 是微軟提出的一組部件對象模型（COM），主要 包 括Active 控 件、Active 文 檔、Active 自 動 化。ActiveX 控件是一種獨立的控件對象。它通過屬性和方法來實現(xiàn)和應用程序的交互[7-8]。以校準證書為例，采用ActiveX 技術分成“證書模板復制”和“數(shù)據(jù)定位輸入”2 道步驟。假設某電源設備需要校準的通道量程數(shù)量為N，頁面賦值：Sheet1 為1，Sheet2 為2，Sheetn（2＜n≤N）為2i-3。證書模板復制的ActiveX 典型程序框圖如圖9 所示，從賦值公式和圖9 可以看出，基于ActiveX 技術，通過LabVIEW 啟動Excel 自動化服務器，打開校準證書模板，針對Sheet3 頁面復制N 次；完成復制后，利用程序循環(huán)結構對證書各頁面的頁碼通過i 次[i=0～(N-1)]循環(huán)實現(xiàn)頁碼賦值和證書模板復制。

圖9 證書模板復制的ActiveX 典型程序框圖

類似證書模板復制，數(shù)據(jù)定位輸入同樣基于ActiveX 技術，通過LabVIEW 啟動Excel 自動化服務器，調(diào)用Workbooks 對象，調(diào)用方法為Open，同時輸入Excel 表格的路徑及文件名稱，然后打開工作表Worksheets，分別調(diào)用Sheets 對象以及Range 對象，并將校準證書的相應Sheet 頁碼、擬定位輸入數(shù)據(jù)的相應單元格坐標以及擬定位輸入的數(shù)據(jù)傳遞給LabVIEW 主體程序，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)定位輸入的目的，數(shù)據(jù)定位輸入的ActiveX 典型程序框圖如圖10 所示。

圖10 數(shù)據(jù)定位輸入的ActiveX 典型程序框圖

4 電源自校系統(tǒng)的整體實施效果

基于上述技術方案，已成功研制出直流穩(wěn)定電源自動化校準系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要具備5 個特點：校準信息全程可視化，可實現(xiàn)校準信息的實時查詢和動態(tài)跟蹤；校準過程個性化選擇，校準量程通道以及校準項目順序可自由選擇；設備通信智能匹配，可實現(xiàn)通信地址自行識別以及通信串口自動配置；校準數(shù)據(jù)精準采集，單次測量數(shù)據(jù)采集6 次，異常采集數(shù)據(jù)自動剔除；證書制作規(guī)范高效，可實現(xiàn)校準數(shù)據(jù)自行修約，并一鍵生成證書記錄。

通過市場調(diào)研，橫向?qū)Ρ攘藝鴥?nèi)較為知名的甲、乙2 家計量技術機構有關電源自動化校準系統(tǒng)的實現(xiàn)方式和應用情況，結果如表2 所示。

表2 不同計量技術機構的電源自動化校準系統(tǒng)性能對比

從表2 可以看出，本系統(tǒng)與其他計量技術機構的電源自動化校準系統(tǒng)相比，在證書制作方式、應用范圍以及實用性等方面具備一定的優(yōu)勢。為進一步量化對比實施效果，專門抽選了3 臺典型型號的電源設備進行測試驗證，設備信息明細詳見表3。

表3 3 臺典型型號電源設備信息明細

針對上述型號的電源，分別采用人工和電源自校系統(tǒng)進行校準并出具證書。人工校準與自動化校準實施數(shù)據(jù)比對如圖11 所示。從圖11 可以看出，與人工校準相比，實施自動化校準整體耗時平均減少73%，單日整體工作效率平均提升2.3 倍。從2022 年9 月起，該系統(tǒng)已正式開始用于本單位直流穩(wěn)定電源的日常校準工作，目前已經(jīng)可以覆蓋本單位90%的電源型號，電源數(shù)量覆蓋率達到96%，每年預計至少可以節(jié)約計量費用30 萬元，實際運行效果令人滿意。

圖11 人工校準與自動化校準實施數(shù)據(jù)比對

5 結論

基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，本文研究開發(fā)了一種直流穩(wěn)定電源自動化校準系統(tǒng)，通過對自動化校準各個階段技術難點的分析和解決，全面實現(xiàn)了預期目標。該電源自動化校準系統(tǒng)的成功研發(fā)，不僅使技術團隊初步掌握了LabVIEW 的編程技巧和設備測控技術，而且為后續(xù)其他領域自動化校準系統(tǒng)的研發(fā)奠定了基礎。