数字多用表自动检定系统的组建

吴敏婕 朱剑平 潘 洁 王一丽 / 上海市计量测试技术研究院

数字多用表自动检定系统的组建

吴敏婕 朱剑平 潘 洁 王一丽 / 上海市计量测试技术研究院

介绍基于GPIB总线，使用LabVIEW软件开发的数字多用表自动检定系统。重点介绍了系统的软硬件实现方法。通过实际应用证明该系统在数据采集、数据处理、保存、生成证书报告等方面都具有优良的性能，大大提高工作效率，并确保检定的准确性。

数字多用表；自动检定；LabVIEW

0 引言

随着大规模集成电路的不断发展，微处理技术越来越多地运用到测量仪表中，从而诞生了智能化的数字多用表。这类新型仪表不仅功能、结构等发生了重要的变化，而且大多带有程控接口，可利用编程语言对其进行高级开发。

目前，多功能、高准确度、智能化数字多用表在仪器测量领域中日益占据重要的地位，也是试验与科研不可或缺的计量器具，它们是否准确可靠关系到企业的安全生产。计量检定的过程中，由其特点决定了检定项目多、检定数据量大、检定时间长、后期数据处理繁杂，而目前采用的人工检定方法，不但工作强度大、效率低，对检定员的素质要求也非常高，极易引入人为误差。因此，为了快速、准确、可靠地对这些高精度的数字多用表进行检定和校准，有必要研制一套数字多用表自动检定系统，不但实现自动采集数据，还具备数据处理，数据保存、证书自动生成等功能，从而使数字多用表的检定和管理更加科学规范。由此可见，自动测试方法已经不可避免地成为计量部门必须具备的检定手段之一。

1 数字多用表的检定方法

1.1 概述

数字多用表的检定项目主要包括：直流电压、交流电压、交流电压频率响应、电阻、直流电流、交流电流等。一般来说，数字多用表的检定方法采用标准源法（图1），将标准源直接与被检表连接，由标准源输出信号给被检表，记录被检表的读数。

图1 标准源法

以Agilent公司的34401A数字多用表为例，标准源使用Fluke公司的5720A/5725A，比较人工检定和自动检定。

1.2 人工检定

正确连接标准源和被检表，手动调节被检表的被校量程与标准源的输出值，确定标准源输出，待被检表数据稳定后手动记录测量数据。全部性能检测完成后，人工对测量数据进行判断并给出结论。最后人工打印并核查报告、归档原始记录（图2为人工检定34401A的流程图）。

简单计算整个环节中，仅以直流电压为例，共有100 mV、1 V、10 V、100 V、1 000 V五档量程，其中10 V为基本量程。按照检定规程非基本量程每档测三个点，基本量程测十个点，满度测反向，5720A就要改变27次输出，人工需重复27次记录数据，要反复操作按键上百次，如果长期频繁使用，极易导致按键反应缓慢甚至失灵，维修成本极高。

1.3 自动检定

正常连接标准源和被检表，打开软件自动程控两台仪器，被检表采集到的数据通过接口传送到计算机中，由软件自动对数据进行整理、统计得出结论，存储数据，生成证书报告（如图3所示的流程）。

图2 人工检定流程

同样以直流电压为例，可以看出只要正确连接标准源、被检表以及计算机后，整个测量过程不需要人工介入。

如表1所示，对以上两种方法测量34401A所产生的结果进行比较：自动控制的优势明显高于手动操作，从实时测量、记录存储、运算处理和结果评定等操作，自动控制使测试、处理和出具结果一体化。同时高速测量更好地保证了测量重复性，为多次测量、误差处理和不确定度评定创造了有利的条件，减少随机误差。按照计算机提示下完成规定操作，也能减少人为因素造成的损坏，更好地维护设备。

图3 自动检定流程

表1 人工检定与自动检定比较

2 系统工作原理

数字多用表自动检定系统主要由计算机、标准源、被检数表、打印机、GPIB采集卡组成。工作原理：设置各仪器的地址，由计算机通过 GPIB 接口发出程控命令，标准源和被检表相互协调进行各项设置。在计算机控制下，由标准源发送检定所需的各种信号到被检表，依次进行各项参数的检定。测量数据经 GPIB 总线上传至计算机，由计算机再对数据进行存储、修正等处理工作，最后保存原始记录、自动生成证书报告，从而完成数字多用表的检定过程。

2.1 全自动检定

对于带接口（GPIB、RS232、USB等）的数字多用表，如Agilent 34401A，FLUKE 8845A，Keithley 2000等，可以通过计算机和软件控制标准源输出标准信号，同时控制被检表测试输出值，然后计算机自动进行数据处理，最后自动存档，生成证书。

2.2 半自动检定

对于不带接口的数字多用表，如GW GDM- 8145，VICTOR VC8045-Ⅱ，MASTECH MS8050等，可以通过计算机和软件控制标准源输出标准信号，再人工读取被检表的显示值，并将读数值输入计算机，然后计算机自动存档，生成证书，实现半自动检定。

3 系统硬件

系统的硬件组成主要有：FLUKE 5720A/5725A标准源一套，被检表一台，计算机及打印机各一台，GPIB采集卡一块及通信电缆线若干 (GPIB/USB/ RS232等，针对不同接口使用)，其硬件组成如图4所示。

图4 系统硬件组成框图

GPIB采集卡采用美国NI公司的GPIB-USB-HS。其适用性强，系统结构简单，性能稳定，操作方便灵活。由计算机在总线上发射指令，相应地址上的仪器执行命令，最终仪器将采样数据通过总线传回计算机。需注意的是，USB一头连接计算机，另一头连接标准源。

4 系统软件

在自动控制系统中，软件是关键，提高软件编程、使用和维护至关重要。传统的检测程序是把所有的测量参数、仪器程控指令、测试分析结果统统都放在一个程序中，程序的数据管理十分困难，同时可维护性、可扩展性差。为了克服这些缺点，本系统采用模块化、通用化的设计思想。软件开发平台采用NI公司的图形化编译软件LabVIEW。

4.1 软件结构

系统软件采用模块化设计方式。软件总体结构由基本信息记录、自动检定、半自动检定、保存数据及生成证书这四部分组成（如图5所示）。基本信息记录主要是记录送检仪器的详细信息，包括送检单位、地址、仪器型号、器号、厂家、送检日期等；自动检定和半自动检定主要是完成直流电压、交流电压、交流电压频率响应、电阻、直流电流、交流电流、交流电流频率响应等项目的测量；保存数据及生成证书，就是保存原始记录，然后根据客户需要，选择证书报告类型（检定或者校准），系统自动生成所需证书报告，保存打印。

注意自动检定和半自动检定模块的设计有所不同，自动检定模块针对不同型号的被检表需要分别编写仪器程序，而对于半自动检定模块的被检表，由于无法程控，只需完成不同检定项目的程序编写即可，在检定时需要人工手动输入被检表所示数值。

图5 系统软件结构组成框图

4.2 基本信息记录模块

基本信息记录模块分为基本信息和菜单选择两部分。基本信息是记录送检仪器的单位信息、内部流转单号、原始记录编号、环境状况等。菜单选择包括保存信息、自动检定、半自动检定、查询、退出五个按钮。保存信息是为了及时保存送检仪器信息，自动检定和半自动检定按钮会根据仪器类型自动跳出。查询可以调阅已经检定过的仪器信息和数据。该模块编写主要采用事件结构加条件结构，对每一个字符串和布尔控件赋予相关事件，每按下一个按钮就执行一个事件结构。

4.3 自动检定模块

由于目前市场上数字多用表的型号众多，生产厂家不一，导致仪器的命令、技术指标、量程范围不一致，测量点又各不相同，这无疑加大了软件编写的难度，所以针对不同型号的数字多用表需要编写不同的仪器驱动程序和原始记录。

目前市场上一些公司已经公开旗下部分通用型号数字多用表的程序代码，可以直接下载使用，也可以根据厂家提供的用户手册中程序指令部分编写驱动程序。如图6、图7所示，为Agilent 34401A的直流电压单次、多次读数程序。

原始记录采用Microsoft Excel格式，将测量参数、测量点保存于Excel中，不同型号的原始记录组成数据库，再通过编写软件直接调用数据库的内容。使用Excel的优势在于其本身就具备记录数据、分析数据的功能，且其拥有强大的计算能力，可以直接在Excel中处理采集到的数据，进行分析和判断，免去在软件中编写程序的麻烦，减少工作量。

自动检定模块的原理是调用不同型号数字多用表的仪器驱动和数据库。这样的设计思路是为了将测量与数据分离。测量部分即仪器驱动，只负责完成对标准源和数字多用表的程控和数据采集，根据程序下达的命令完成相应的检定项目。在执行一次程序时，系统通过判别选择的数字多用表型号，调用相应的测量程序，自动完成测量流程。所有采集到的数据将直接进入数据库，通过Excel格式的原始记录自动完成数据处理和分析。最后点击保存数据按钮，作为一份完整的原始记录保存下来。这样一来，测量与数据独立运作，后台程序也变得井然有序，减轻软件内存，使系统具有极高的扩展性。

同时，在对数字多用表进行自动检定的过程中，被检表的量程、实际值、指示值、单位、允差、结论等信息全部以表格的形式显示于自动检定界面上。另外有当前测量状态实时监控测量到哪个点，易于观察，清晰明了，方便检定员跟踪测量情况。

图6 34401A的直流电压单次读数程序

图7 34401A的直流电压多次读数程序

4.4 半自动检定模块

半自动检定模块的原理是只要程控标准源，再由人工手动输入数据，最后保存数据、生成报告。由其特殊性决定了不需要针对各类型号的数字多用表编写驱动程序，只需要设计每个检定项目的子程序，再由半自动检定模块调用即可。这里采用的方法是在半自动检定程序的前面板中放置子面板，通过后台程序调用相应的检定项目子程序。如图8所示为调用直流电压子程序的方法。原始记录调用方法同自动检定模块。

4.5 保存/生成证书模块

该模块主要采用条件结构，当选中布尔控件的时候，执行真命令；未选中的时候，执行假命令。其编程原理是将Excel数据库中的数据读取出来，再一对一赋到Word文件的指定位置中。

4.6 自动检定结果

相较于人工检定，自动检定系统具有如下优势：

图8 调用直流电压子程序

1) 系统采用图形化操作界面，操作简便，数据显示直观，便于检定员监控测量过程。

2) 检定项目齐全，检定员可以根据客户需要选择检定项目。同时根据检定规程的要求选取每个项目的测量点，测量数据全面，覆盖面广。

3) 在检定过程中，直接根据每个型号数字多用表的技术指标对测量结果进行判断，及时显示合格或不合格的结果，免去事后人工计算的麻烦，提高工作效率。同时，对于不合格的测量点，可进行单点复测，提高测量的可靠性。

4) 被检仪器的基本信息和测量结果自动保存在数据库中，可随时调用查找。测量结束后，可根据客户要求选择证书报告类型（检定或者校准），自动生成证书报告，免去人工再次输入的费时费力。

5 结语

数字多用表自动检定系统的研制成功代替了人工操作，解决了数据处理量大的问题，降低了人为出错概率，提高了整体工作效率。更重要的是，该系统自动采集、分析处理、保存打印数据，提高了测量准确度和可靠性，确保检定过程的安全，使计量工作更加科学规范，进一步提升计量技术水平。

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Design of the digital multimeter automatic veri fi cation system

Wu Minjie，Zhu Jianping，Pan Jie，Wang Yili
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduced a set of automatic veri fi cation system of digital multimeter based on GPIB interface and using LabVIEW software. The implement methods of system software and hardware were introduced mainly. The practical application proved that this system has excellent performance on data acquisition, data processing, preservation, generating certi fi cate and so on. It greatly improved the work ef fi ciency and ensured the accuracy of detection.

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