基于LabVIEW遠程校準系統研究

歐陽紅軍 丁 丁 李 熒 王曉明

（國防科技大學教研保障中心，湖南長沙410073）

1 引 言

軍事計量是以科學的測量技術手段來實施武器裝備系統和儀器儀表檢定/校準的，保障武器裝備在非戰時一直處于完好的戰備狀態，在戰爭中能夠發揮優越的戰斗效能。我國國土遼闊，在軍事上具有良好的縱深，然而廣闊的地域使得武器裝備分布范圍較大，加大了部隊的計量保障任務，尤其在戰時環境下，運輸條件急劇惡化，使得武器裝備的送檢工作非常困難，特別是計量參數多的大型尖端武器裝備，對實時計量要求高，由于無法滿足這些需求，制約武器裝備發揮效能。

目前，最常采用的校準方式為部隊將武器裝備系統和儀器儀表送到上級計量中心，或者由專業計量人員攜帶計量標準到現場進行校準。這種常見的校準方式所需的時間和金錢成本較高、難于管理，導致校準工作的效率不高，已遠滯后于武器裝備計量保障的需要。隨著計算機網絡技術的快速發展，許多測量儀器和設備都可通過編程命令進行控制操作，計算機網絡技術與目前常見校準技術相結合的遠程校準技術受到越來越多的關注，是未來技術發展的方向［1，2］。通過遠程校準技術，專業計量人員可以依托網絡完成前線裝備的校準和檢測，實現機動計量保障功能，同時還可以促進軍民融合計量保障體系建立，在國際比對、實驗室認可等方面發揮重要作用［3］。

目前，美國NIST（國家標準和技術研究院）、英國NPL（國家物理實驗室）、日本NMIJ（國家計量院）和中國NIM（計量科學研究院）等都開展了遠程計量方面的相關研究［4］，例如NIST 利用遠程校準技術完成氣體大流量的校準服務［5］；NPL 通過網絡視頻通信指導校準工作，并遠程發布校準證書；NMIJ 通過3km 光纖完成了量塊長度的校準；NIM也將遠程校準技術應用在時間頻率校準與溯源過程中等。雖然我國已經開始遠程校準相關研究工作，但研究成果相對較少。開展遠程校準技術研究可以彌補我國計量標準分布較散等缺點，有助于提升計量校準的國際影響力。虛擬儀器（VI）是將軟件和硬件結合在一起的測量控制系統［6，7］，由美國儀器公司（NI）開發的圖形化編程工具LabVIEW，其提供友好的人機界面，方便專業計量人員在虛擬儀器界面操作儀器，更好地完成校準服務。

2 遠程校準系統介紹

遠程校準是一種遠距離校準，一般由專業計量人員利用網絡通信技術實時、異地、遠程地控制參與校準過程的各種儀器儀表，從而獲取被校準儀器儀表的各項計量特性［8］。類似于常見的校準過程，遠程校準過程也具有高等級計量標準、被校準對象、依據的校準文件等要素。在大多數情況下，被校準對象與高等級計量標準在同一個地方。遠程校準系統一般采用客戶端/服務器模式，主要有客戶端、服務器和網絡傳輸這三個必要組成部分。遠程校準系模塊框圖如圖1 所示，其中客戶端為校準現場，客戶端計算機與儀器相連，通過網絡傳輸部分與服務器相連；網絡傳輸部分負責傳輸客戶端與服務器之間的數據和命令；服務器由專業計量人員操作，對客戶端的儀器進行遠程校準，并全程監督客戶端。遠程校準系統能夠采集遠程儀器設備的狀態信息，實現設備監控功能，記錄和分析測量原始數據，生成和傳送校準報告，同時還可以滿足一些特殊要求，具有良好的可擴展性［9，10］。

相對于傳統校準過程，遠程校準具有以下五個優點。

1）被校準儀器不需經路途運輸至專業計量人員處，實現了人員與校準現場的分離，大大縮短了校準所需時間，減小校準所需成本；

2）專業計量人員身份信息存儲在數據庫中，通過用戶名和密碼登陸校準主界面，若無該校準權限，則無法登陸操作校準，方便管理校準權限；

3）計量技術機構可將校準結果進行電子存檔，用戶下次校準和檢查時可以調用該結果，提供長期的校準歷史檔案存取和無紙跟蹤；

4）用戶可以選擇在任何地方實行校準，只需通過Internet 與專業計量人員連接即可完成校準操作；

5）遠程校準克服了傳統校準周期長、不確定度高、溯源鏈過長、效率低的缺點，可直接溯源較高等級的標準，具有一定的現實意義。

圖1 遠程校準系統模塊框圖Fig.1 Block diagram of remote calibration system module

3 遠程校準系統實現

本文利用Keithley 2000 數字多用表和費思可編程直流電子負載FT6301A 遠程校準Maynuo M8831 程控穩壓電源，實現了基于LabVIEW 的遠程校準系統，其流程如圖2 所示。遠程校準系統中的標準儀器是六位半數字多用表Keithley 2000，其直流電壓在90 天內的浮動保持在0.002%以內，電阻的阻值在90 天內的浮動保持在0.008%以內［10］；待校準儀器是新一代可編程電源Maynuo M8831，其在實驗室中使用較為廣泛；電子負載使用的是Faith FT6301A，它是費思科技研制的新一代高性能可編程電子負載［11］；用于實時監督的網絡攝像機是AXIS M1011 - W，它兼具有線和無線接口，支持MPEG-4 和H.264 視頻流，具有體積小、像素高等特點，滿足實時高質量的監控要求。

圖2 遠程校準系統流程框圖Fig.2 Flow chart of remote calibration system

專業計量人員處在服務器端，通過驗證用戶名和密碼進行登陸，登陸成功后進入校準主界面，點擊連接客戶端，提示成功后即可進行校準操作。校準現場處在客戶端，客戶端通過遠程端口號和服務器端的IP 地址連接服務器，由專業計量人員遠程控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三臺可編程儀器對Maynuo M8831 進行校準，同時利用網絡攝像機AXIS M1011 -W 全程監控校準現場的校準過程。根據Maynuo M8831 的文件要求，遠程校準的項目有負載調整率、電壓和電流的示值誤差等，當校準操作結束后，可自動生成校準結果文件，方便得到待校準儀器的示值誤差。

3.1 服務器設計

遠程校準系統的登陸界面簡潔明了，如圖3 所示，包含了前言、產品功能、產品應用、制作團隊、幫助等信息，有助于軟件使用者快速熟悉該校準系統。專業計量人員通過其注冊的用戶名和密碼進行登陸，若該用戶名和密碼與后臺數據庫中數據一致則驗證通過，登陸成功，否則失敗。專業計量人員信息驗證成功之后進入校準主界面，主界面主要包括三臺儀器的操作、攝像頭監控和控制校準3 個模塊，如圖4 所示。此時校準現場的客戶端通過遠程端口號8888 和服務器端的IP 地址進行連接，專業計量人員遠程控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三臺可編程儀器對Maynuo M8831 進行校準。同時，專業計量人員利用網絡攝像機AXIS M1011-W 全程監控校準現場的校準過程，如其身臨校準現場。該遠程校準平臺校準Maynuo M8831 的項目有負載調整率、電壓和電流的示值誤差；當校準人員需要存儲剛剛得到的校準數據，只需點擊“保存數據”按鍵即可自動生成Excel 文檔。當校準操作結束之后，點擊“校準數據”按鍵查看校準數據文件，點擊“校準結果”按鍵即可自動生成校準結果文件，方便校準人員得到待校準儀器的示值誤差。

圖3 服務器的登陸界面Fig.3 The server login interface

圖4 校準主界面Fig.4 The calibration main interface

3.2 網絡傳輸部分設計

網絡傳輸部分主要負責傳輸客戶端與服務器之間的通信，目前的網絡通信主要有TCP/IP 協議，它可以實現互聯網中各電腦之間的通信。LabVIEW軟件中帶有TCP/IP 網絡通訊協議的各種VI，其中TCP Listen 負責監聽客戶端的端口號8888 是否觸發連接需求，當有連接需求觸發時，TCP Open Connection 向服務器的端口號8888 請求連接，當服務器和客戶端連接后，TCP Write/Read 負責兩端的數據交換，當整個校準過程結束后，TCP Close Connection 關閉由TCP Open Connection 創建的連接［5］，服務器端TCP 傳輸的程序框圖如圖5所示。

圖5 服務器端TCP 傳輸的程序框圖Fig.5 Program chart of serve-side TCP transmission

3.3 客戶端設計

客戶端為校準現場，標準儀器、待校準儀器及電子負載均通過RS232 接口與計算機連接，網絡攝像頭通過USB 接口與計算機連接，由客戶端的LabVIEW 程序統一進行控制，Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 之間采用普通的電源線實現電流傳輸，如圖6 所示，其中加粗線為電源線，細實線為數據線。計算機經由網口接入局域網或者互聯網，與服務器端進行交互。LabVIEW 軟件可利用NI 的強大驅動程序，LabVIEW 中基于自底向上結構模型的VISA 創造了一個統一形式的I/O 控制函數集，可以與目前絕大多數中總線通信，客戶端與儀器連接程序框圖如圖7 所示，其利用VISA 實現了RS232 和USB 的連接，客戶端計算機統一控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三臺儀器［6］。

圖6 校準現場端儀器連接圖Fig.6 Calibration field instrument connection diagram

圖7 客戶端與儀器連接程序框圖Fig.7 Program block diagram of connection between client and instrument

4 遠程校準結果分析

本次遠程校準Maynuo M8831 的項目有負載調整率、電壓和電流的示值誤差等。以Maynuo M8831的直流電壓示值誤差校準項目為例，介紹校準步驟如下。

步驟1:在Faith 選項卡下，點擊“On/Off”按鍵，關閉Faith FT6301A 輸入；

步驟2:切換到Maynuo 選項卡，依次點擊“VSet”、“0”、“Enter”三個按鍵，設置Maynuo M8831 電壓輸出為0V，點擊“Recall”按鍵讀取回讀Maynuo M8831 輸出電壓值，點擊“保存數據”按鍵保存數據；

步驟3:切換到Keithley 選項卡，點擊“DC”按鍵讀取電壓值，點擊“保存數據”按鍵保存數據；

步驟4:設置Maynuo M8831 電壓輸出依次為5V，10V，15V，20V，25V，30V，重復步驟2、步驟3。

第一次點擊“保存數據”按鍵時，系統根據操作時間自動生成Excel 文檔保存數據，當校準操作都結束之后，點擊“校準數據”按鍵查看自動生成的校準數據文件，見表1。點擊“校準結果”按鍵即可自動生成校準結果文件，見表2，其中M8831的負載調整率由式（1）至式（5）計算得到，代入表1 中的測量數據，得到M8831 的負載調整率為0.082 407 4%。

表1 M8831 的校準數據Tab.1 Calibration data for M8831

表2 M8831 的校準結果Tab.2 Calibration results for M8831

通過表2 專業計量人員可以清楚的看到待校準儀器M8831 校準項目的示值誤差，根據M8831 說明書給出的最大允許值，該誤差在允許范圍內。

5 結束語

遠程校準技術克服了傳統校準必須“人機一體”的缺點，由于其分離了校準人員和校準儀器，使其可應用在復雜惡劣的戰場環境中，專業計量人員在遠程端即可校準處在戰場的武器裝備，從而保障武器裝備系統和儀器儀表的檢定校準，對于軍事計量的發展具有重要意義。本文分析了遠程校準系統的基本結構，基于LabVIEW 開發平臺，從整體到局部完成遠程校準系統的設計，實現了高等級萬用表Keithley 2000 對電源Maynuo M8831 的遠程校準操作，滿足了校準要求，該遠程校準系統在提高校準工作效率的同時，降低了校準成本，具有重要的現實意義。