基于VB.NET的砝码自动校准系统软件设计与实现

史志伟 赵 健 赵 欣

(1.中国人民解放军96623部队，上饶 334000； 2.北京航天计量测试技术研究所，北京100076； 3.北方科技信息研究所，北京 100076)

1 引 言

砝码校准是质量计量的核心部分。传统的砝码检定/校准通常采用手动测量方法，速度慢，工作量大，重复劳动较多，效率不高，工作空间不密闭，易引入人为误差和环境干扰误差。在实际工作中人们越来越希望将校准仪器设备与计算机连接起来组成一个由计算机控制的自动校准系统完成检定/校准任务。本文介绍的全自动砝码校准装置可用于校准、比对、量值传递工作，是目前国防计量部门的最高标准。其中，经改造的多量程电子天平(测量范围2kg～20kg)是该标准装置的重要组成部分，并在机械结构上实现了多项技术改进，使得砝码在密闭环境下的自动校准工作成为可能，本软件的设计与实现就是在此基础上建立的。与传统的砝码手动校准相比，砝码自动校准系统可以大幅度减轻校准人员的工作负担，减少人为引入误差，有效减小测量结果的不确定度。

2 砝码自动校准系统构成

砝码自动校准系统主要由多量程电子天平、天平控制器、计算机及自动校准软件、数据采集器、电机、传感器等组构成，系统连接框图如图1所示。其中，多量程电子天平的称量范围为2～20kg，具有多项技术改进：自动交换砝码、自动定心、电磁恢复力矩、同步加载以及刀子刀承不脱离等[1]；天平动作控制器是由PLC可编程控制器实现，由计算机COM通讯发送指令控制天平的开关、砝码托盘的旋转和升降，具有紧急制动、手动/自动控制切换等功能；三部电机用于驱动天平动作；传感器组用于识别天平状态，并将状态信息返回到天平动作控制器；数采系统通过与计算机COM通讯将采集到的砝码称量数据传送到自动校准软件进行数据处理。

图1 系统构成Fig.1 System composition

3 功能分析

砝码自动校准系统的主要功能是按照国家检定规程要求的工作流程对砝码进行自动校准，记录实验数据，并出具校准报告。主要应包括：新建/保存自动校准试验任务，自动校准过程设置、估算实验时间、砝码数据库管理、自动生成实验报告、天平控制、自动校准过程监控等功能，具体系统功能描述如下：

(1)新建/保存自动校准试验任务：新建一个试验任务；将设置好的试验任务保存到指定文件；

(2)自动校准过程设置：设置特定参数使自动校准过程可以按照实验任务自动进行；

(3)估算校准实验时间：估算当前实验任务所需要的时间；

(4)砝码数据库管理：包括标准砝码和待测砝码数据库的新建、更新、删除；

(5)自动生成实验报告：实验结束或中断后自动生成实验报告；

(6)通讯端口设置：设置与PLC和数据采集器的通讯端口参数；

(7)天平控制：通过计算机发送天平动作指令，手动控制天平状态；

(8)自动校准过程监控：根据试验任务开始实验后，实时监控天平状态，显示称量数据及实验结果趋势曲线；

(9)数据采集及处理：将天平称量数据进行采集并计算处理得到称量结果。

4 软件总体设计

根据上述系统功能需求分析的结果，对砝码自动校准系统进行了软件总体设计，如图2所示。 依据总体设计方案，利用模块化的设计思想编写程序实现各个功能，下面说明以下几个主要模块的功能[2]。

4.1 新建/保存实验任务模块

本模块可以将设置好的实验参数保存为“*.bwd”文件，如果需要重复实验只需要打开上次保存的“*.bwd”文件即可快速开始实验。被保存的实验任务信息包括：标准砝码信息，待测砝码信息，自动校准过程设置参数，报告内容参数，通讯端口参数，应用模式参数等。

4.2 自动校准过程设置模块

本模块可以设置自动校准的过程参数，设置界面如图3所示，过程参数介绍如下：

(1)开始延时时间：指天平自动称量工作开始之前，天平进入稳定状态需要的时间，即开始称量前的暂停时间。

图2 系统软件总体设计框图Fig.2 Overall system software design block diagram

图3 自动校准过程参数设置界面Fig.3 Automatic calibration process parameter setting interface

(2)自动定心次数：指天平自动称量工作开始之前，A盘和B盘砝码执行自动定心操作的次数，该动作在延时时间动作之前。

(3)称量平均次数：指每得到一个称量结果，需要称量B-A差值的次数。

(4)称量次数：指本次实验需要平均后的称量结果的个数。

(5)变阻尼稳定时间：指当天平到半开状态时，变阻尼系数阻尼器对天平托盘的阻尼时间[3]。

(6)称量稳定时间：指当天平到全开状态时，天平称量有效需要的稳定时间。

(7)是否称量(A-A)差值：指每次称量B-A差值结束后，是否需要称量A-A差值，选中为“是”，不选为“否”。

(8)称量方式：指称量B-A差值使用A-B-A方法，还是使用A-B-B-A方法。

(9)称量估计需要用时：指按照上述设置参数进行一次自动称量所需要的总时间，点击“更新”按钮时间更新一次，否则不更新。

(10)点击“默认值”按钮，以上所有参数恢复默认值。

(11)点击“确定”按钮，将以上设置参数保存为实验过程参数，并关闭本窗口。

(12)点击“退出”按钮，退出本窗口，不作任何操作。

4.3 自动估算试验时间模块

该模块嵌入于自动校准过程设置模块内，可以根据过程参数计算出当前试验任务需要的大致时间。

4.4 砝码数据库管理

本模块应用了Access数据库技术，将标准和待测砝码信息保存在数据库表单中实现数据信息新建、更新、删除功能。砝码数据信息包括：砝码编号，标准砝码名称，型号，编号，标称值(g)，修正值(mg)，密度(kg/m3)，备注。数据库操作界面如图4所示。

4.5 与PLC通讯模块

本模块应用了PLC可编程控制器技术，使用RS-232通讯端口，与计算机通讯的控制指令和状态协议如表1所示。

表1 PLC控制指令和状态协议

Tab.1 PLC control instruction and state agreement

图4 砝码数据库操作界面Fig.4 Weight database operation interface

4.6 与数据采集器通讯模块

本模块实现与数据采集器的通讯，发送读取数据指令后，返回一个16位字符即为数据采集器采集得到的称量数据，存储于内存和指定文件内。

4.7 通讯端口设置模块

本模块用于设置PLC和数据采集器与计算机的的通讯参数，包括：通讯端口、每秒位数、数据位、奇偶校验、停止位以及流控制。

4.8 自动校准过程监控模块

本模块根据过程设置参数自动生成砝码差值天平称量动作流程，并控制天平完成称量工作，工作流程如图5所示。

图5 砝码差值自动称量工作流程图Fig.5 Work flow chart of weight difference automatic weighing

本模块监控的信息包括：当前状态，过程参数设置，砝码信息，称量过程图表显示，称量数据，另外还有当前工作流程进度条。当前状态包含的信息有：当前的称量次数，当前称量内容，当前平均次数，当前称量位置，当前称量状态，当前天平读数和数据保存路径。过程参数设置包含的信息主要是当前实验的过程参数。砝码信息包含的信息有标准砝码信息和被校砝码信息。称量过程图表显示以图表形式显示，横坐标X-轴为称量结果的编号，编号mn为组合编号，m和n为2位十进制数字，m——代表第m次称量，n——代表称量结果数组中的第n个待平均数，例如，编号“0302”代表——第3次称量数组中的第2个待平均数。如图6所示，上方曲线表示A盘砝码在第mn次ABA(或ABBA称量过程中的平均值，下方曲线表示B盘砝码在第mn次ABA(或ABBA)称量过程中的平均值。

图6 称量过程图表显示Fig.6 Weighing process chart display

4.9 天平控制模块

本模块作为天平控制单元，可以实现的功能有：开关天平，转动砝码托盘，升降砝码托盘，指示天平状态。

4.10 自动生成实验报告模块

本模块使用了OLE Office自动化技术，使用VB调用WORD程序，当实验结束或中断后，自动将实验结果以校准证书的形式生成WORD文档保存于指定目录中。

5 实验数据处理及保存

根据天平示值实际情况，采用以下判据进行读数有效性判别

(1)

式中：Imax——n个读数中的最大值，mg；Imin——n个读数中的最小值，mg；m——被检砝码标称值，kg。

当天平读数示值满足式(1)所示判据后，即认为有效，而天平读数示值采用堆栈数据结构线性平均方法进行数据处理。如图7所示，细实线为天平实时数据采集结果，粗实线是经过实时数据处理后的示值结果。

图7 天平读数示值Fig.7 Balance reading indication

砝码自动校准实验数据结果保存为*.txt文件，其文件名采用自动命名的方式，其中包含称量开始时间、称量次数、是否称量A-A、称量平均次数以及称量方式等信息。实验数据结果文件中主要包含4部分信息：实验过程参数、砝码信息、称量实验数据以及称量结果。其中，称量实验数据信息包含：测量时间，测量编号，位置，测量值，差值(B-A)，差值平均值，砝码修正值，标准差；称量结果信息包含：试验测量编号，B-A平均值，B-A标准差，结果平均值，B砝码修正值。

6 结束语

本文设计的砝码自动校准系统已经调试成功，现已应用于砝码检定校准的实践工作中。该软件运行稳定、操作简便、功能齐全、数据信息完整可靠，有效地提高了工作的效率，避免了人为因素对校准结果的干扰。

[1] 赵宝瑞, 刘明.一种提高天平计量性能的方法[J]. 计量学报，1990(2).

[2] 龚佩曾. Visual Basic 程序设计教程[M]. 北京:高教出版社,1998.

[3] 赵宝瑞, 康铁安.天平自动快速称量的原理与实践[J]. 宇航计测技术，1984(2).