基于GPIB接口的時鐘測試儀內部晶振頻率自動測試系統

/ 浙江省計量科學研究院

0 引言

在電能表生產領域,計時的準確性非常重要,因為計時性能涉及用電計量的準確性，關系到千家萬戶的切身利益，因此在電能表生產過程中確保計時性能符合國家標準意義重大。時鐘測試儀作為電能表時間準確性的測試儀器，其計量性能好壞對使用企業所生產的電能表計時性能具有重要影響，因此電能表生產企業每年都有大量時鐘測試儀送檢。時鐘測試儀計量具有測試時間長、數據多、臺件數多等特點，如果采用手工測量，需要對不同時鐘測試儀進行手工切換，并且每隔1 h需要進行人工讀數，工作效率比較低，需要人員長時間守候，因此采用自動測量可以克服這些缺點，減少人工干預和工作強度，大大提高測量效率。

1 時鐘測試儀

時鐘測試儀以內部石英晶體振蕩器作為時間基準，能夠顯示日差、周期及頻率，它由波形整形電路、分頻電路、電子控制電路、顯示電路等組成，主要應用于電能表頻率及秒脈沖信號的測量等[1]。

2 自動測試系統硬件平臺

根據JJF(浙)1011-2007《時鐘測試儀》，需要測量內部晶振頻率變化特性、內部晶振頻率準確度、瞬時日差測量誤差和頻率測量準確度等指標。其中瞬時日差測量誤差和頻率測量準確度兩項指標只需在規定預熱時間后對時鐘測試儀進行讀數即可，加上時鐘測試儀不帶通信接口，因此本系統只對內部晶振頻率的頻率變化特性和準確度兩個指標進行測量。根據規范需要，配置銣原子頻率標準（型號MRT-H-101）、通用計數器（型號CNT-91）等標準器。由于需要對多臺時鐘測試儀同時進行測量，需要配置電子切換開關，本系統采用安捷倫公司的型號為3499A的開關控制系統，它配備有GPIB(General-Purpose Interface Bus, 通用接口總線)接口，可以進行編程控制，并同時對多臺設備進行選通切換。

系統框圖如圖1所示，將需要進行計量的n個時鐘測試儀分別接入到開關控制系統的n個輸入口，開關控制系統的輸出口與通用計數器連接，銣原子頻率標準的10 MHz輸出接至通用計數器外參考頻標輸入口，計算機通過GPIB接口卡與通用計數器和開關控制系統連接。測量過程中，計算機控制開關控制系統對多路輸入的時鐘測試儀信號進行切換，在同一時間內只有一路時鐘測試儀信號通過開關控制系統輸入到通用計數器。同時，計算機通過GPIB接口卡控制通用計數器工作狀態，并讀取測量數據以供后期處理。

圖1 系統框圖

3 自動測試系統

整個系統由硬件平臺和軟件系統構成。硬件平臺如圖1所示，由計量標準設備、GPIB接口卡、GPIB電纜和計算機組成。軟件系統以硬件平臺為基礎，采用Visual Basic 6.0進行設計開發，通過GPIB接口對儀器進行控制并完成自動測量功能。

軟件系統主要分為儀器控制、數據采集、數據處理和輸入輸出等部分。

3.1 儀器控制

選定合適指令集來實現對設備的控制。GPIB轉換卡選擇安捷倫公司的GPIB轉USB卡，型號為82357A，使用該卡配套的Agilent IO Libraries作為通信接口。該庫帶有三種指令集，分別是SICL、VISA和 VISA COM。經過實驗，三種指令集對最近幾年新出的設備支持較好，VISA和 VISA COM 對舊型號的設備存在兼容性問題，出現一些指令不支持的情況。SICL對舊型號設備兼容性較好，未出現指令不兼容情況，選用SICL指令集作為該系統的控制指令集。

3.2 數據采集

JJF(浙)1011-2007規定進行內部晶振頻率變化特性測量時，需要在預熱完成后每隔1 h進行測量，共測量8次，每次取3次測量結果的平均值，因此計算機每隔8 h需要對開關控制器進行操作。 首 先 應 用“Call iwrite(3499A,＂OPEN (@000)＂+Chr$(10),11,1,0&)”指令[2，3]對通道0進行開啟。開啟過程具有延時，因此不能馬上進行數據讀取，需要在程序中插入延時指令，這里采用編寫延時子程序timedelay實現延時1 s后讀取數據功能。當通道0所在時鐘測試儀被接入通用計數器后，計算機通過命令設置通用計數器測量模式、取樣時間等工作參數，設置完畢后應用“Call iwrite (CNT91,＂:MEAS:FREQ?＂+Chr$(10),11,1,0&)”指令進行頻率測量讀數采集，根據規范采集三組數據進行平均計算，采集完畢后，應用“Call iwrite(3499A,＂CLOSE (@000)＂+Ch r$(10),11,1,0&)”指令關閉通道0，同時開啟通道1進行數據采集，步驟同前。依次對所有通道進行數據采集并存儲數據供后續處理。在8 h時間段內，每隔1 h重復一次上述步驟，每個通道的時鐘測試儀可以得到8組數據。

依據校準規范，被校準時鐘測試儀在達到預熱后，用通用計數器直接測量頻率值，得到內部晶振頻率準確度。計算機程序可利用內部晶振頻率變化特性測量的空隙時間進行測量，利用“Call iwrite(3499A,＂OPEN (@000)＂+Chr$(10),11,1,0&)”指令分別開啟各個通道，每個通道各測量10次，應用“Call iwrite（CNT91,＂:MEAS:FREQ?＂+Chr$(10),11,1,0&）”指令進行數據采集并存儲。

3.3 數據處理

在用程序對通用計數器進行頻率測量讀數采集后，返回程序數據格式為字符型，形如“+9.99984523373E+04”，需要進行轉換為可用的長實數格式。在程序中采用移位函數Left、取字符函數Mid、字符串轉換函數Val和四舍五入函數round將字符型轉換為長實數，并根據需要取有效位數，形如“99998.452”。數據轉換后按照規范的公式計算內部晶振頻率變化特性和準確度。

3.4 輸出實現

為保證數據輸出準確有效，采用Visual Basic OLE Automation和Microsoft Word Visual Basic，使用指令方式實現對WORD格式原始記錄調用并將測量結果寫入原始記錄，校準完畢后生成WORD格式原始記錄。采用該方法避免使用錄制宏方式導致的代碼冗長效率低的弊端。程序在測量過程中將測量結果實時寫入WORD格式原始記錄并實時顯示。通過這種方式，使用戶非常方便監視系統運行狀況和測量數據。

4 性能分析

為驗證和分析時鐘測試儀自動測試系統性能，對人工和自動兩種方式進行比較。在相同預熱時間和環境條件下，同一臺時鐘測試儀分別進行自動方式和人工方式測量，結果如表1，頻率變化特性差異1.0×10-9，小于評定的測量結果相對擴展不確定度 2.0×10-8。

表1 兩種方法內部晶振頻率變化特性比較

5 結語

本文提出了基于GPIB接口的時鐘測試儀內部晶振頻率自動測試系統實現方案，充分利用系統資源和指令集，對程序進行數據采集、數據處理和輸出方面的優化,使時鐘測試儀測量效率大幅度提高。

[1]浙江省質量技術監督局.JJF(浙)1011-2007[S].杭州：浙江省質量技術監督局，2007.

[2]Agilent Inc.Agilent SICL User's Guide[M/OL].http: //cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/E2094-91001.pdf, 2003-04.

[3]Agilent Inc.3499A/B/C Switch/Control System User's Manual English Version [M/OL].http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/03499-90017.pdf, 2009-03.