一種檢測設備自動計量檢定系統的設計及應用

孫合勇SUN He-yong

（青島四三零八機械廠，青島 266011）

1 概述

目前我國某系列大型機電產品型號較多，生產廠家自研的針對該產品的專用檢測設備在技術含量、復雜程度、功能強弱和自動化水平上存在很大的差別，造成了目前專用檢測設備在計量過程中接口不統一，單純人工計量耗時長、易出現錯漏的落后現狀，為提高計量技術機構保障的效率，滿足產品使用計量保障，急需設計一個自動計量檢定系統，在硬件上采用基于系統集成設計技術，選用LAN、RS232、USB 等總線控制，通用適配器技術，實現各種復雜電信號的自動轉接、控制，實時自動采集、傳輸，在軟件上，采用面向對象的編程方法，固化計量流程，實現自動化測試和信息管理，同時具有兼容性和擴展能力的自動計量檢定系統。

2 總體設計思路

2.1 設計原則

根據計量檢定系統的作用、功能、技術性能指標、使用要求，遵循以下設計原則：①整體計量原則，專用檢測設備種類繁多，在進行計量檢定設計時應統一規劃、統籌設計，切勿將各被檢對象測試資源與標準儀器資源分開分別計量；②計量檢定與功能檢查相結合，對某些比較特殊、確實無法進行檢定的測試資源只進行功能性檢查；③自動與人工操作相結合原則，檢測設備工作方式多種多樣，對具有程控資源的設備進行自動計量，對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計量檢定系統設計應遵循使用的快捷性、機動性原則；⑤確保計量檢定系統中量值傳遞準確、一致、可靠、有效；⑥選用的測量標準儀器及接口模塊，應具備通用性及可擴展性。

2.2 設計思路

根據產品專用檢測設備的計量檢定規程，對計量檢定要求進行研究分析，將被檢測信號進行梳理歸納，在主控計算機控制的控制下，根據被測設備的需求，通過多路開關控制模塊自動實現多型標準儀器與被檢設備之間的信號通道地切換連接，通過LAN、USB 或RS232 通信接口自動實現信號發生器的輸出信號設置、穩壓電源的輸出、數字萬用表和數字示波器等標準儀器的配置和測試，同時將計量檢定數據的自動記錄、報表和打印。選用先進的計量測試技術和方法，選擇技術成熟、穩定可靠、測量不確定度小的測試資源作為計量儀器，實現綜合化、集成化、通用化、自動化的架構，并在實現整體的集成化、多功能化計量檢定中，保證全面監測被檢定設備中的電源狀態、通道狀態、信號狀態等，保證計量系統正確性和專用檢測設備的安全性。

3 設計方案

3.1 硬件設計

計量檢定系統硬件組成主要包括主控計算機、標準模塊Ⅰ、標準模塊Ⅱ、電纜模塊和輔助設備。標準模塊采用機箱加抽屜式模塊化設計，將標準儀表、開關模塊固定在抽屜中，執行計量檢定任務時將抽屜自鎖固定在機箱中，待完成計量檢定任務后，可將標準儀表從抽屜中取出使用。該設計使得該系統具備了一定的擴展性，通過標準儀表的更換和軟件功能的增加，可以實現對其他系列產品檢測設備的計量檢定。

系統硬件組成框圖如圖1。

圖1 系統硬件組成框圖

①主控計算機是系統的控制核心，主要完成人機交互、測量儀表的通信管理、參數設置與讀取，測量數據錄入、檢定報表生成、打印等功能。

②標準模塊Ⅰ和標準模塊Ⅱ主要包括多路開關模塊和標準測量儀表。

多路開關模塊采用安捷倫3499B 型開關控制系統，在3499B 機箱內部配置兩塊N2260A 開關模塊，兩塊開關模塊可以實現多達80 通道的信號測試，滿足檢定系統的多通道功能測試要求。多路開關模塊通過開關切換方式使多路信號與萬用表、示波器、信號發生器連通，實現被檢設備測量信號的多通道測量的自動切換功能，完成計量儀器標準與被檢信號的連接，通過開關矩陣形成通道將前面板統一匯接的信號轉接至相應的儀器上。

標準儀表包含數字示波器、數字萬用表、壓力校驗儀等，用于對被檢設備輸入、輸出信號的測量。

③電纜模塊，完成各被檢設備不同接口到計量適配器前面板統一接口的轉接，它將被檢信號轉接到計量適配器的相應通道上。

④輔助設備，包括為計量檢定提供外界條件的穩壓電源、機柜，也包括打印機。

3.2 軟件設計

3.2.1 開發環境及開發軟件

①操作系統：WindowsXP SP3 系統；

②應用軟件：Microsoft office 套件；

③開發軟件：Microsoft Visual Basic 6.0。

3.2.2 軟件組成

依據該型產品專用檢測設備檢定規程以及數據庫管理、文檔處理等方面的需求，計量檢定系統軟件主要完成標準儀器的通信管理控制、檢測過程的自動實現、檢定人員的引導和幫助、檢定數據的管理維護以及檢定文檔的自動生成與打印等。

計量檢定系統軟件主要由自檢模塊、檢定設備和檢定信息輸入模塊、檢定項目連線幫助模塊、檢定操作過程引導及實現模塊、數據采集模塊、原始記錄和檢定證書打印模塊、檢定設備的通信管理與控制模塊、檢定數據庫管理模塊、溯源模塊、故障診斷模塊等十大模塊組成。系統軟件組成框圖如圖2。

圖2 系統軟件組成框圖

3.2.3 各模塊主要功能

①自檢模塊功能。主要對設備狀態和通訊狀態進行檢查。檢定程序運行后，點擊自檢，程序將與需要程控的設備逐個進行通訊，根據設備返回的信息確定設備狀態是否正常。②檢定設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、測量標準、被檢設備名稱、編號等信息，同時包括被檢設備的使用說明書、檢定規程、標準儀器說明等信息。③檢定項目連線幫助模塊功能。主要完成檢定過程中提示相應的被檢定設備名稱、型號、接口名稱和計量電纜名稱，給出對應項目的電纜連接圖，操作人員可以在線使用。④檢定操作過程引導及實現模塊功能。主要完成檢定操作步驟提示，并調用通信管理模塊對相應設備進行管理，根據不同檢測項目的操作要求，向操作人員發出協助提示，按照相應檢定規程有序完成整個檢定操作。⑤數據采集模塊功能。主要完成十五型專用檢定設備在檢定過程中對配套儀器進行參數設定和參數提取，對測量參數進行自動采集、處理和分類管理，對有技術參數要求的進行判斷，對需要人工讀取的信息進行輸入。⑥原始記錄和檢定證書打印模塊。主要完成檢定結果的打印，打印結果符合“檢定證書”和“檢定表”的格式要求，同時以文本格式進行存儲。⑦檢定設備的通信管理與控制模塊。主要完成對配套儀器設備進行管理和設置，實現對以太網設備、USB 接口設備和RS232 接口設備的通信功能管理和控制。⑧檢定數據庫管理模塊。主要完成原始檢定記錄數據的存儲、查詢和管理，提供原始數據庫的導入/導出功能，以便對原始數據進行備份和恢復，防止原始記錄數據的丟失和毀壞。⑨溯源模塊。主要完成計量檢定系統受通道影響參數的溯源，包括電壓、交流電流、電阻、脈沖幅值等四項測量和電壓輸出。在溯源時，計量檢定系統提示連接電纜連接測試儀表或標準源，計量檢定系統自動連接或斷開對應開關，提示操作系統使用或外接的標準源輸出不同信號，讀取數值。⑩故障診斷模塊。主要完成計量檢定系統在運行過程中遇到的技術難題提供技術支持，盡快確定發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 內部接口

①計量檢定系統各個標準儀器通信接口（USB、RS232、LAN 等）均轉換為USB 接口，連接到7 口USB 高速集線器，最終通過USB 接口與主控計算機通信。多路轉換接口主要指7 口USB 高速集線器和USB 轉換接口。

②多路轉換接口1：多路轉換接口-TDS3032B 型示波器，通過LAN 接口與主控計算機通信，傳輸示波器數據采集控制指令、被檢定設備的波形信號等；

③多路轉換接口2：多路轉換接口-34410A 型數字萬用表，通過USB 接口與主控計算機通信，傳輸數字萬用表數據采集控制指令、被檢定設備的交流信號、直流信號和電阻參數等；

④多路轉換接口3：多路轉換接口-AM300 型任意波形發生器，通過USB 接口與主控計算機通信，傳輸任意波形發生器控制指令，通過多路開關模塊為被檢定設備提供激勵波形；

⑤多路轉換接口4 和5：多路轉換接口-2 個SK3323型程控直流穩壓電源，通過RS232 接口與主控計算機通信，傳輸對程控直流穩壓電源輸出直流電源的控制指令，通過多路開關模塊為被檢定設備提供直流電源；

⑥多路轉換接口6：多路轉換接口-CST273 型智能數字壓力校驗儀，通過RS232 接口與主控計算機通信，傳輸被檢定設備的壓力校驗信號。

3.2.4.2 外部接口

①USB 接口：主控計算機-標準模塊I，主控計算機向各模塊發出控制指令，傳輸采集信號數據。

②RS232 口：標準模塊I-標準模塊II，主控計算機向標準模塊II 設備發出控制指令，傳輸采集信號數據和程控電源指令。

③標準接口A（81 芯適配口）：計量檢定系統-被檢專用檢測設備，傳輸被檢定設備所需電源、信號和測試絕緣、電阻、電壓、電流、波形等信號。

④標準接口B（81 芯適配口）：計量檢定系統-被檢專用檢測設備，傳輸被檢定設備所需電源、信號和測試絕緣、電阻、電壓、電流、波形等信號。

計量檢定系統接口關系如圖3。

圖3 計量檢定系統接口關系

3.2.5 功能流程圖

該計量檢定系統使用時，首先進行系統自檢，主要對設備狀態以及主控計算機和各測量儀表之間的通訊狀態進行檢查。然后根據被檢定設備啟動對應的程序，對標準測量儀表進行設置。設置完成后開始根據程序進行各項數據的測試并進行記錄。測試完畢后關閉標準測量儀表，顯示測試結果，完成測試。

系統功能流程圖如圖4。

圖4 系統功能流程圖

4 結論

該系統的研制與實際使用，實現了集電學、時頻、信號、功能等計量為一體的綜合性檢定，滿足了某型號機電產品專用檢測設備的自動、整體計量檢定，從根本上改變了專用檢測設備人工計量耗時長、易出現錯漏的落后現狀，大大提高了計量技術機構保障效率，實現了各種復雜電信號的自動轉接、控制，實時自動采集、傳輸與處理、顯示和存檔，實現自動化測試和信息管理，集成化、模塊化設計結構，擴展性好，通用性強。