全自動手持式數字萬用表檢定系統設計

廣東產品質量監督檢驗研究院 劉仁寰

手持式數字萬用表在工業生產和科學研究中應用廣泛，但當前數字萬用表的檢定流程需要繁瑣的人工操作，需要耗費大量人力和時間成本。基于此，文章設計全自動手持式數字萬用表檢定系統，描述其工作流程，并且通過對其硬件系統和軟件系統的詳細介紹，說明其設計思路和工作模式。該檢定系統的設計，能夠極大的提高手持式數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，從而推動手持式數字萬用表在工業領域的應用。

手持式數字萬用表因其使用便捷、測量參數眾多、價格低廉，已經廣泛地運用于工業生產和科學研究中。作為重要的測量儀器，按照國家相關標準，需要周期性的為其進行檢定服務，以保證手持式數字萬用表測量的準確性。手持式數字萬用表的檢定服務需要測量的參數多樣，包括直流電壓電流、交流電壓電流、電阻、電容、頻率等，并且每種測量參數都涵蓋不同量程，運用傳統手動檢定方式，檢定員需要不斷地切換測量參數與參數量程，通過調整標準源，記錄相應數據并計算誤差，造成了測量時間較長，檢定成本幾乎占到手持式數字萬用表價格的50%。因此，提升手持式數字萬用表檢定服務的自動化水平，有效的降低檢定員的工作量，有助于進一步降低手持式數字萬用表檢定服務價格，設計一套真正意義上把人從繁瑣的檢定工作中解放的全自動手持式數字萬用表檢定系統意義重大。

1 系統組成及工作流程

全自動手持式數字萬用表檢定系統的關鍵部件，在于自動調整標準源，自動切換量程，以及自動識別與記錄。根據關鍵部件的要求，全自動手持式數字萬用表檢定系統的組成如圖1所示，包括：主控計算機、多功能校準源、量程/參數切換裝置、視覺識別系統、控制電纜。其中，量程/參數切換裝置包含一個具有角度反饋的步進電機和一個水平機械槽；視覺識別系統包含攝像機和照明系統。全自動手持式數字萬用表檢定系統的工作流程如下。

圖1 全自動手持式數字式萬用表檢定系統部件

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

（2）根據手持式數字萬用表的型號確定相應的檢定程序，包括測量要素、量程范圍、測量順序等，用于后續步驟的自動化流程操作。

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

（4）控制步進電機旋轉量程/參數旋鈕，確定當前所需測量的參數與量程，并利用角度編碼器反饋當前旋鈕位置。

（5）通過控制電纜，主控計算機將按照檢定規范調整當前所需測量參數的輸出值，并通過多功能校準源輸出。

（6）待測萬用表數值顯示穩定后，通過攝像機顯示并識別當前讀數，完成記錄和存儲。

（7）重復4-6流程，完成所有參數及量程的檢定任務，并出具檢定證書。

上述流程可針對同一型號的手持式數字萬用表執行批量化的全自動檢定服務，能夠快速的完成檢定流程，并出具檢定證書。

2 硬件執行系統設計與實現

硬件系統是全自動手持式數字萬用表檢定系統的基本組成部分，是實現萬用表檢定自動化的核心模塊。硬件系統的關鍵模塊包括以下三部分，分別是多功能校準源，量程/參數切換裝置，視覺識別系統。硬件系統的設計均采用模塊化的思想，便于今后系統的維修與功能升級。以下將詳細介紹各模塊的功能與設計思路。

2.1 多功能校準源

多功能校準源是全自動手持式數字萬用表檢定系統的基準源，決定了待測萬用表的精度等級，對其設計十分重要。根據多功能校準源的工作要求，通過IEEE488.2通訊接口，主控計算機可以控制多功能校準源發送直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、電阻、電容、單頻正弦波等標準信號，供待測萬用表讀取。需要注意的是，手持式數字萬用表讀取電流參數的接線方式與其他參數不同，因此多功能校準源的輸出線纜需要特別關注，避免損壞待測萬用表。多功能校準源的參數類別、數值以及時間間隔均通過檢定程序自動控制，該功能由嵌入到主控計算機中的SCPI語言實現。

2.2 量程/參數切換裝置

量程/參數切換裝置是加快手持式數字萬用表檢定流程的關鍵裝置，該裝置不僅能實現不同量程和參數的切換，并且通過配備的角度編碼器反饋當前旋鈕位置，保證測量參數的正確性。切換裝置通過控制電纜與主控計算機連接，利用計算機發送RS232電平的專有控制西指令，控制單片機發送PWM信號驅動步進電機，帶動水平機械槽，將待測萬用表的旋鈕旋至所需量程或參數。步進電機所需扭矩應不小于5N·m，保證旋鈕正常轉動。步進電機轉動軸與角度編碼器連接，能夠實時記錄步進電機轉動角度，確定當前旋鈕位置。

圖2 檢定系統軟件管理系統

2.3 視覺識別系統

視覺識別系統作為檢定系統的測量值反饋通道，其對數字識別的準確性決定了檢定系統的性能。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行實時識別，得到當前待測萬用表的數值。結合當前旋鈕位置，即可確定待測萬用表的輸出量，并記錄在檢定表格中。在設計過程中，需要保證攝像頭鏡頭正對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°，顯示屏圖像在整個鏡頭中的面積占比應大于10%，保證圖像清晰完整地顯示在鏡頭中。當待測萬用表被測量夾具固定后，自動調整鏡頭拍攝顯示屏，并調節補償光源，提高圖像質量。在識別過程中，保證鏡頭與顯示屏的相對位置不變。通過實驗測量可得，數值識別時間小于0.2s/次，能夠正確識別小數點，正確率大于99%。

3 軟件管理系統設計

良好的軟件管理系統，是保證全自動手持式數字萬用表檢定系統穩定運行的前提，因此需要對軟件管理系統的分布進行詳細規劃。軟件管理系統共分三大模塊，包括數據管理模塊，校準測試模塊，校準數據處理模塊。三大模塊采用分布式結構，模塊內部的程序相對獨立，便于功能的修改與移植。各模塊間開放調用接口，相互耦合，共同構成檢定系統的整體軟件管理系統。檢定系統軟件管理系統如圖2所示。

3.1 數據管理模塊

數據管理模塊的目的，是負責管理系統運行所需的關鍵參數及待測儀器數據庫。當前檢定系統所包含的關鍵參數包括多功能校準源檢定參數，步進電機控制箱控制參數，數字攝像頭控制參數。上述參數能夠為檢定系統的硬件模塊提供初始參數和校準參數，保證各硬件模塊的正常運行。相關的參數會存儲在數據管理模塊中，便于之后檢定流程的調用。設計系統用戶管理界面，建立良好的人機交互模式，在實現手持式數字萬用表檢定自動化的同時，提供檢定員最高的優先級，保證檢定過程具有可操作性。除此之外，數據管理模塊還具有一套待測儀器數據庫，負責建立各種類型的被檢儀器檔案信息，包括：管理序號、儀器名稱、儀器型號、生產廠家、外觀圖片、功能旋鈕角度以所選功能的對照表、儀器的量程及校準點、儀器技術指標、備注等。同類型號待測萬用表僅需一個檔案信息，配合檢定系統關鍵參數，即可進行批量化的檢定工作；各類數據可根據不同型號的待測萬用表的相關信息進行修改，適用于各類儀器。因此，待測儀器數據庫的建立，既保證了檢定系統的批量檢定能力，有為檢定系統提供普適化檢定方案。

3.2 校準測試模塊

校準測試模塊是根據手持式數字萬用表的檢定規程，確定進行檢定時所需要獲取和存儲的相關參數配置軟件，屬于人機交互軟件模式。校準測試模塊包括開始校準按鈕、狀態提示窗口、測試數據顯示窗口。在按下“開始校準按鈕”后，系統提示輸入待測萬用表的唯一標識及現場溫濕度環境，委托方在完成上述信息后，啟動檢定系統開始自動校準。狀態顯示區實時顯示當前檢定狀態，包括測試量程，測試參數等信息，測試數據區實時顯示測試數據及誤差、誤差判斷。“開始測試按鈕”此時變為“停止測試按鈕”，用戶可隨時中斷測試，系統彈出是否終止測試對話框，并將校準源輸出斷開，如用戶選擇“是”，則系統退至校準模塊起始點；如用戶選擇“否”，則系統控制校準源繼續測試，直至系統完成所有校準項目。

3.3 校準數據處理模塊

校準數據處理模塊是視覺識別系統的關鍵處理部分，通過攝像頭采集到待測萬用表的屏幕度數，結合量程/參數切換裝置中角度編碼器返回的當前位置，共同確定此時待測萬用表測量的參數數值。獲取參數數值后，校準數據處理模塊將原始數值存儲于主控計算機中，并開始處理程序，授權用戶可任意調閱校準原始記錄并進行相應地修改。通過與多功能校準源的輸出量進行對比，系統可確定當前數值的誤差，并可通過設置閾值判斷待測萬用表的精度等級，為檢定員提供實時信息。校準數據處理模塊還包含證書制作窗口，按照檢定規程，可以將校準原始數據自動轉為校準證書，并控制打印機打印證書，完成校準工作。

總結：本文提出并設計了一套應用于手持式數字萬用表的全自動檢定系統，不僅能夠準確高效的完成手持式數字萬用表的批量檢定工作，還能夠根據不同型號萬用表的檢定需求，自主設定檢定流程。量程/參數切換裝置配備角度編碼器，能夠實時反饋當前的量程或參數信息，避免待測萬用表因量程或參數選擇錯誤而導致的損壞。該檢定系統的設計，能夠極大的提高手持式數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，從而推動手持式數字萬用表在工業領域的應用。