一種檢測設(shè)備自動(dòng)計(jì)量檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

孫合勇SUN He-yong

（青島四三零八機(jī)械廠，青島 266011）

1 概述

目前我國某系列大型機(jī)電產(chǎn)品型號(hào)較多，生產(chǎn)廠家自研的針對(duì)該產(chǎn)品的專用檢測設(shè)備在技術(shù)含量、復(fù)雜程度、功能強(qiáng)弱和自動(dòng)化水平上存在很大的差別，造成了目前專用檢測設(shè)備在計(jì)量過程中接口不統(tǒng)一，單純?nèi)斯び?jì)量耗時(shí)長、易出現(xiàn)錯(cuò)漏的落后現(xiàn)狀，為提高計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)保障的效率，滿足產(chǎn)品使用計(jì)量保障，急需設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)計(jì)量檢定系統(tǒng)，在硬件上采用基于系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)，選用LAN、RS232、USB 等總線控制，通用適配器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜電信號(hào)的自動(dòng)轉(zhuǎn)接、控制，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、傳輸，在軟件上，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ袒?jì)量流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試和信息管理，同時(shí)具有兼容性和擴(kuò)展能力的自動(dòng)計(jì)量檢定系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)計(jì)量檢定系統(tǒng)的作用、功能、技術(shù)性能指標(biāo)、使用要求，遵循以下設(shè)計(jì)原則：①整體計(jì)量原則，專用檢測設(shè)備種類繁多，在進(jìn)行計(jì)量檢定設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，切勿將各被檢對(duì)象測試資源與標(biāo)準(zhǔn)儀器資源分開分別計(jì)量；②計(jì)量檢定與功能檢查相結(jié)合，對(duì)某些比較特殊、確實(shí)無法進(jìn)行檢定的測試資源只進(jìn)行功能性檢查；③自動(dòng)與人工操作相結(jié)合原則，檢測設(shè)備工作方式多種多樣，對(duì)具有程控資源的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量，對(duì)其他資源采用人工操作檢定。就整體而言要盡量減少人工操作，克服人為因素造成的各種誤操作；④計(jì)量檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循使用的快捷性、機(jī)動(dòng)性原則；⑤確保計(jì)量檢定系統(tǒng)中量值傳遞準(zhǔn)確、一致、可靠、有效；⑥選用的測量標(biāo)準(zhǔn)儀器及接口模塊，應(yīng)具備通用性及可擴(kuò)展性。

2.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)產(chǎn)品專用檢測設(shè)備的計(jì)量檢定規(guī)程，對(duì)計(jì)量檢定要求進(jìn)行研究分析，將被檢測信號(hào)進(jìn)行梳理歸納，在主控計(jì)算機(jī)控制的控制下，根據(jù)被測設(shè)備的需求，通過多路開關(guān)控制模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多型標(biāo)準(zhǔn)儀器與被檢設(shè)備之間的信號(hào)通道地切換連接，通過LAN、USB 或RS232 通信接口自動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)設(shè)置、穩(wěn)壓電源的輸出、數(shù)字萬用表和數(shù)字示波器等標(biāo)準(zhǔn)儀器的配置和測試，同時(shí)將計(jì)量檢定數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、報(bào)表和打印。選用先進(jìn)的計(jì)量測試技術(shù)和方法，選擇技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠、測量不確定度小的測試資源作為計(jì)量儀器，實(shí)現(xiàn)綜合化、集成化、通用化、自動(dòng)化的架構(gòu)，并在實(shí)現(xiàn)整體的集成化、多功能化計(jì)量檢定中，保證全面監(jiān)測被檢定設(shè)備中的電源狀態(tài)、通道狀態(tài)、信號(hào)狀態(tài)等，保證計(jì)量系統(tǒng)正確性和專用檢測設(shè)備的安全性。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 硬件設(shè)計(jì)

計(jì)量檢定系統(tǒng)硬件組成主要包括主控計(jì)算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)模塊Ⅰ、標(biāo)準(zhǔn)模塊Ⅱ、電纜模塊和輔助設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)模塊采用機(jī)箱加抽屜式模塊化設(shè)計(jì)，將標(biāo)準(zhǔn)儀表、開關(guān)模塊固定在抽屜中，執(zhí)行計(jì)量檢定任務(wù)時(shí)將抽屜自鎖固定在機(jī)箱中，待完成計(jì)量檢定任務(wù)后，可將標(biāo)準(zhǔn)儀表從抽屜中取出使用。該設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)具備了一定的擴(kuò)展性，通過標(biāo)準(zhǔn)儀表的更換和軟件功能的增加，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他系列產(chǎn)品檢測設(shè)備的計(jì)量檢定。

系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

①主控計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，主要完成人機(jī)交互、測量儀表的通信管理、參數(shù)設(shè)置與讀取，測量數(shù)據(jù)錄入、檢定報(bào)表生成、打印等功能。

②標(biāo)準(zhǔn)模塊Ⅰ和標(biāo)準(zhǔn)模塊Ⅱ主要包括多路開關(guān)模塊和標(biāo)準(zhǔn)測量儀表。

多路開關(guān)模塊采用安捷倫3499B 型開關(guān)控制系統(tǒng)，在3499B 機(jī)箱內(nèi)部配置兩塊N2260A 開關(guān)模塊，兩塊開關(guān)模塊可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)80 通道的信號(hào)測試，滿足檢定系統(tǒng)的多通道功能測試要求。多路開關(guān)模塊通過開關(guān)切換方式使多路信號(hào)與萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器連通，實(shí)現(xiàn)被檢設(shè)備測量信號(hào)的多通道測量的自動(dòng)切換功能，完成計(jì)量儀器標(biāo)準(zhǔn)與被檢信號(hào)的連接，通過開關(guān)矩陣形成通道將前面板統(tǒng)一匯接的信號(hào)轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的儀器上。

標(biāo)準(zhǔn)儀表包含數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、壓力校驗(yàn)儀等，用于對(duì)被檢設(shè)備輸入、輸出信號(hào)的測量。

③電纜模塊，完成各被檢設(shè)備不同接口到計(jì)量適配器前面板統(tǒng)一接口的轉(zhuǎn)接，它將被檢信號(hào)轉(zhuǎn)接到計(jì)量適配器的相應(yīng)通道上。

④輔助設(shè)備，包括為計(jì)量檢定提供外界條件的穩(wěn)壓電源、機(jī)柜，也包括打印機(jī)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 開發(fā)環(huán)境及開發(fā)軟件

①操作系統(tǒng)：WindowsXP SP3 系統(tǒng)；

②應(yīng)用軟件：Microsoft office 套件；

③開發(fā)軟件：Microsoft Visual Basic 6.0。

3.2.2 軟件組成

依據(jù)該型產(chǎn)品專用檢測設(shè)備檢定規(guī)程以及數(shù)據(jù)庫管理、文檔處理等方面的需求，計(jì)量檢定系統(tǒng)軟件主要完成標(biāo)準(zhǔn)儀器的通信管理控制、檢測過程的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)、檢定人員的引導(dǎo)和幫助、檢定數(shù)據(jù)的管理維護(hù)以及檢定文檔的自動(dòng)生成與打印等。

計(jì)量檢定系統(tǒng)軟件主要由自檢模塊、檢定設(shè)備和檢定信息輸入模塊、檢定項(xiàng)目連線幫助模塊、檢定操作過程引導(dǎo)及實(shí)現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、原始記錄和檢定證書打印模塊、檢定設(shè)備的通信管理與控制模塊、檢定數(shù)據(jù)庫管理模塊、溯源模塊、故障診斷模塊等十大模塊組成。系統(tǒng)軟件組成框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件組成框圖

3.2.3 各模塊主要功能

①自檢模塊功能。主要對(duì)設(shè)備狀態(tài)和通訊狀態(tài)進(jìn)行檢查。檢定程序運(yùn)行后，點(diǎn)擊自檢，程序?qū)⑴c需要程控的設(shè)備逐個(gè)進(jìn)行通訊，根據(jù)設(shè)備返回的信息確定設(shè)備狀態(tài)是否正常。②檢定設(shè)備和檢定信息輸入模塊功能。主要完成檢定信息的輸入，包括送檢方、檢定單位、測量標(biāo)準(zhǔn)、被檢設(shè)備名稱、編號(hào)等信息，同時(shí)包括被檢設(shè)備的使用說明書、檢定規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)儀器說明等信息。③檢定項(xiàng)目連線幫助模塊功能。主要完成檢定過程中提示相應(yīng)的被檢定設(shè)備名稱、型號(hào)、接口名稱和計(jì)量電纜名稱，給出對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的電纜連接圖，操作人員可以在線使用。④檢定操作過程引導(dǎo)及實(shí)現(xiàn)模塊功能。主要完成檢定操作步驟提示，并調(diào)用通信管理模塊對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行管理，根據(jù)不同檢測項(xiàng)目的操作要求，向操作人員發(fā)出協(xié)助提示，按照相應(yīng)檢定規(guī)程有序完成整個(gè)檢定操作。⑤數(shù)據(jù)采集模塊功能。主要完成十五型專用檢定設(shè)備在檢定過程中對(duì)配套儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和參數(shù)提取，對(duì)測量參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集、處理和分類管理，對(duì)有技術(shù)參數(shù)要求的進(jìn)行判斷，對(duì)需要人工讀取的信息進(jìn)行輸入。⑥原始記錄和檢定證書打印模塊。主要完成檢定結(jié)果的打印，打印結(jié)果符合“檢定證書”和“檢定表”的格式要求，同時(shí)以文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)。⑦檢定設(shè)備的通信管理與控制模塊。主要完成對(duì)配套儀器設(shè)備進(jìn)行管理和設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)設(shè)備、USB 接口設(shè)備和RS232 接口設(shè)備的通信功能管理和控制。⑧檢定數(shù)據(jù)庫管理模塊。主要完成原始檢定記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和管理，提供原始數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)入/導(dǎo)出功能，以便對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)，防止原始記錄數(shù)據(jù)的丟失和毀壞。⑨溯源模塊。主要完成計(jì)量檢定系統(tǒng)受通道影響參數(shù)的溯源，包括電壓、交流電流、電阻、脈沖幅值等四項(xiàng)測量和電壓輸出。在溯源時(shí)，計(jì)量檢定系統(tǒng)提示連接電纜連接測試儀表或標(biāo)準(zhǔn)源，計(jì)量檢定系統(tǒng)自動(dòng)連接或斷開對(duì)應(yīng)開關(guān)，提示操作系統(tǒng)使用或外接的標(biāo)準(zhǔn)源輸出不同信號(hào)，讀取數(shù)值。⑩故障診斷模塊。主要完成計(jì)量檢定系統(tǒng)在運(yùn)行過程中遇到的技術(shù)難題提供技術(shù)支持，盡快確定發(fā)生故障的可能線路和位置，縮小排查范圍，盡快解決故障，提高工作效率。

3.2.4 接口

3.2.4.1 內(nèi)部接口

①計(jì)量檢定系統(tǒng)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)儀器通信接口（USB、RS232、LAN 等）均轉(zhuǎn)換為USB 接口，連接到7 口USB 高速集線器，最終通過USB 接口與主控計(jì)算機(jī)通信。多路轉(zhuǎn)換接口主要指7 口USB 高速集線器和USB 轉(zhuǎn)換接口。

②多路轉(zhuǎn)換接口1：多路轉(zhuǎn)換接口-TDS3032B 型示波器，通過LAN 接口與主控計(jì)算機(jī)通信，傳輸示波器數(shù)據(jù)采集控制指令、被檢定設(shè)備的波形信號(hào)等；

③多路轉(zhuǎn)換接口2：多路轉(zhuǎn)換接口-34410A 型數(shù)字萬用表，通過USB 接口與主控計(jì)算機(jī)通信，傳輸數(shù)字萬用表數(shù)據(jù)采集控制指令、被檢定設(shè)備的交流信號(hào)、直流信號(hào)和電阻參數(shù)等；

④多路轉(zhuǎn)換接口3：多路轉(zhuǎn)換接口-AM300 型任意波形發(fā)生器，通過USB 接口與主控計(jì)算機(jī)通信，傳輸任意波形發(fā)生器控制指令，通過多路開關(guān)模塊為被檢定設(shè)備提供激勵(lì)波形；

⑤多路轉(zhuǎn)換接口4 和5：多路轉(zhuǎn)換接口-2 個(gè)SK3323型程控直流穩(wěn)壓電源，通過RS232 接口與主控計(jì)算機(jī)通信，傳輸對(duì)程控直流穩(wěn)壓電源輸出直流電源的控制指令，通過多路開關(guān)模塊為被檢定設(shè)備提供直流電源；

⑥多路轉(zhuǎn)換接口6：多路轉(zhuǎn)換接口-CST273 型智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀，通過RS232 接口與主控計(jì)算機(jī)通信，傳輸被檢定設(shè)備的壓力校驗(yàn)信號(hào)。

3.2.4.2 外部接口

①USB 接口：主控計(jì)算機(jī)-標(biāo)準(zhǔn)模塊I，主控計(jì)算機(jī)向各模塊發(fā)出控制指令，傳輸采集信號(hào)數(shù)據(jù)。

②RS232 口：標(biāo)準(zhǔn)模塊I-標(biāo)準(zhǔn)模塊II，主控計(jì)算機(jī)向標(biāo)準(zhǔn)模塊II 設(shè)備發(fā)出控制指令，傳輸采集信號(hào)數(shù)據(jù)和程控電源指令。

③標(biāo)準(zhǔn)接口A（81 芯適配口）：計(jì)量檢定系統(tǒng)-被檢專用檢測設(shè)備，傳輸被檢定設(shè)備所需電源、信號(hào)和測試絕緣、電阻、電壓、電流、波形等信號(hào)。

④標(biāo)準(zhǔn)接口B（81 芯適配口）：計(jì)量檢定系統(tǒng)-被檢專用檢測設(shè)備，傳輸被檢定設(shè)備所需電源、信號(hào)和測試絕緣、電阻、電壓、電流、波形等信號(hào)。

計(jì)量檢定系統(tǒng)接口關(guān)系如圖3。

圖3 計(jì)量檢定系統(tǒng)接口關(guān)系

3.2.5 功能流程圖

該計(jì)量檢定系統(tǒng)使用時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，主要對(duì)設(shè)備狀態(tài)以及主控計(jì)算機(jī)和各測量儀表之間的通訊狀態(tài)進(jìn)行檢查。然后根據(jù)被檢定設(shè)備啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的程序，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測量儀表進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后開始根據(jù)程序進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測試并進(jìn)行記錄。測試完畢后關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)測量儀表，顯示測試結(jié)果，完成測試。

系統(tǒng)功能流程圖如圖4。

圖4 系統(tǒng)功能流程圖

4 結(jié)論

該系統(tǒng)的研制與實(shí)際使用，實(shí)現(xiàn)了集電學(xué)、時(shí)頻、信號(hào)、功能等計(jì)量為一體的綜合性檢定，滿足了某型號(hào)機(jī)電產(chǎn)品專用檢測設(shè)備的自動(dòng)、整體計(jì)量檢定，從根本上改變了專用檢測設(shè)備人工計(jì)量耗時(shí)長、易出現(xiàn)錯(cuò)漏的落后現(xiàn)狀，大大提高了計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)保障效率，實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜電信號(hào)的自動(dòng)轉(zhuǎn)接、控制，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、傳輸與處理、顯示和存檔，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試和信息管理，集成化、模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性好，通用性強(qiáng)。