无通信接口数字多用表智能化计量装置*

姜 鸣 李 宸 王家澍 / 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

数字多用表分为三位半至八位半6个品种，其中三位半和四位半表因体积小、功能多、携带方便、准确度和性价比较高，最为常用。但这两类数表没有GPIB或RS-232总线接口，量值溯源方式只能使用精度等级更高的多功能校准仪（如FLUKE5520A、5700A等）进行点对点计量，人工通过液晶屏或LED数码管读取数据，再进行记录、分析和判断，出具检定证书或校准证书。由于数字多用表包括直流电压、直流电流、交流电压、交流电流和电阻五个主要检定项目，每个项目具有多个量程，而各量程的准确度不一致，且同一量程在不同测试点的技术指标也有所不同，导致人工反复进行校准源输出值的设置及记录、原始数据的手工记录、检测数据的计算机输入、出具相应证书或报告，检定约1 h，校准则需要更多的时间。显而易见，人工计量费时费力费资源，而且对工作人员的依赖性强，在大工作量下易产生人为因素对计量结果的干扰。

文献[1]～ [3]分别描述了有或无通信接口数字多用表进行自动化计量改造的方案。可见，数字多用表智能化计量是目前的发展趋势。本文提出了一种基于CCD图像传感技术和数据库技术的无通信口数字多用表智能化解决方案，开发了一套无通信口数字多用表泛用型智能化计量装置。

1 系统硬件

装置硬件连接如图1所示。

图1 系统结构框图

多功能校准仪作为计量标准器具，是无通信口数字多用表（即被检表）量值溯源的标准源。被检表通过显示屏幕直接读取示值。GPIB/USB数据接口板采用NI产品，搭建起计算机终端与多功能校准仪间通信的桥梁。用瑞典AXIS P1311固定式网络摄像机采集被检表示值图像信息。计算机终端是整套装置的核心，控制多功能校准仪的输出，将网络摄像机采集的图像信息转化为数字信号，对测试数据进行分析和处理，计算每组测试数据的不确定度，自动生成原始记录和证书，并具有数据存储、查询、索引、打印等管理型功能。打印机作为外部输出设备，打印原始记录、检定证书、校准报告、检定结果通知书等。

多功能校准仪与计算机间采用GPIB通信，即利用NI GPIN-USB-HS数据接口板，USB端口连接计算机，GPIB端口连接多功能校准仪，采用FLUKE标准接口，基于LabVIEW编序，实现计算机直接控制多功能校准仪输出参量。多功能校准仪通过两根测试线连接被检表，实现控制指令的传输。被检表与计算机间的通信方式是图像信息采集与数字化处理。计算机通过网络线连接网络摄像机，传输图像信息。网络摄像机通过视觉镜头，非接触地读取被检表显示屏幕上的示值信息。

工作时，根据JJF（沪）1-2003《数字多用表校准规范》等技术规范要求，计算机设定并记录多功能校准仪参量，再由多功能校准仪控制被检表的相关参量。与此同时，计算机通过网络摄像机直接读取被检表的示值信息，并通过模数转换，得到数字化的被测值。计算机比对多功能校准仪的标准值与被检表的被测值，按照事先设定的判断依据，给出检测结果，并直接计算出每组被测值的测量不确定度。

2 软件程序

本套装置的软件部分主要由多功能校准仪管理、客户管理、被检表型号管理、被检表数据管理、计量测试、报告输出等六大管理模块组成，采用C#语言编译。

2.1 多功能校准仪管理

主要实现对多功能校准仪进行信息管理，以便在自动计量被检表时进行计量器具的选择。选择内容包括型号、名称、编号、测量范围及准确度、控制命令、证书编号和有效期限等信息。

2.2 客户管理

主要对客户基本信息进行管理，以便日常工作中进行统计与查询。客户基本信息主要包括客户名称、客户地址、联系人、联系电话等信息。

2.3 被检表型号管理

主要按型号对被检表进行统一的管理，以便在自动计量被检表时按表的型号进行相关测试数据的加载。包括计量器具名称、规格型号、制造单位、准确度、档位自动否、测试项目、测试点标准值、单位、合格上下限等信息。

2.4 被检表数据管理

用于记录所有被检表每次计量时的具体数据。通过长期积累历史数据，可以具备对某台表或某类表进行综合性能分析的数据基础。被检表的检测数据由计量测试模块在测试时自动加入，包括被检表出厂编号、测试日期、测试项目、测试点标准值、实际测量值、单位、分项结论等信息。

2.5 计量测试

该模块是整套软件的关键和核心。可以实现多功能标准仪的自动加载、被检表测试数据图像信息的自动获取、测试数据的自动识别与判定等功能。计量测试模块的工作流程如图2所示。

2.6 报告输出

在计量测试完成后，所有数据由被检表数据管理模块进行存储，按照客户要求和计量结果生成原始记录，出具检定证书或校准报告或检定结果通知书。在校准报告中，根据校准技术规范的要求，自动计算出每组测试数据的不确定度，并在校准报告中予以给出。

图2 计量测试模块流程图

3 测试过程

以数字多用表VC890D为例，校准项目和量程测试点设置如表1所示。每个校准点读取10个测试数据，用于计算不确定度时使用。校准报告上给出10个测试点的平均值。

表1 校准项目和量程测试点

网络摄像头和被检表安装在自行设计和研制的底座上（如图3所示）。被检表支架具有位置调节固件，可以水平和垂直调整安放位置；摄像头支架具有角度调节固件，可以调整镜头角度，保证垂直或近似垂直读取被检表屏幕上的示值图像。

整体测试系统如图4所示。

图3 底座实物图

测试前，先用软件的学习功能进行图像识别的训练，然后根据事先设定的量程测试点，逐点进行测试（如图5所示）。图像稳定时间为1 s，1 s内拍摄5幅图像，读取5个测试数据。

测试数据如图6所示。

图4 系统实物图

图5 图像识别实景图

图6 测试数据实景图

直流电压测试部分自动生成Excel的校准结果，给出合格限判断值以及不确定度，如表2所示。

表2 自动生成的校准结果

4 结语

本套装置借助CDD视频影像、图像提取与分析、数据库处理等技术，有效解决了三位半和四位半等无通信接口的数字多用表计量劳动强度大、容易引入人为误差等顽疾，实现了自动测量与结果判断，并具有数据库管理、报表打印等功能，为类似计量器具数字化解决方案的选择提供了借鉴。

[1]张荣，杨峰，胡华伟.Agilent 34401A数字多用表全自动检定系统设计[J]. 计算机测量与控制，2012, 20（7）：1769-1772.

[2]严洪燕，武桦，谢启瞻，等.数字多用表自动检定系统设计[J].宇航计测技术，2011，31（6）：46-52.

[3]龙志斌. 手持式数字多用表自动检定系统设计[D]. 西安电子科技大学，工程硕士学位论文，2010.