一种检测设备自动计量检定系统的设计及应用

孙合勇SUN He-yong

（青岛四三零八机械厂，青岛 266011）

1 概述

目前我国某系列大型机电产品型号较多，生产厂家自研的针对该产品的专用检测设备在技术含量、复杂程度、功能强弱和自动化水平上存在很大的差别，造成了目前专用检测设备在计量过程中接口不统一，单纯人工计量耗时长、易出现错漏的落后现状，为提高计量技术机构保障的效率，满足产品使用计量保障，急需设计一个自动计量检定系统，在硬件上采用基于系统集成设计技术，选用LAN、RS232、USB 等总线控制，通用适配器技术，实现各种复杂电信号的自动转接、控制，实时自动采集、传输，在软件上，采用面向对象的编程方法，固化计量流程，实现自动化测试和信息管理，同时具有兼容性和扩展能力的自动计量检定系统。

2 总体设计思路

2.1 设计原则

根据计量检定系统的作用、功能、技术性能指标、使用要求，遵循以下设计原则：①整体计量原则，专用检测设备种类繁多，在进行计量检定设计时应统一规划、统筹设计，切勿将各被检对象测试资源与标准仪器资源分开分别计量；②计量检定与功能检查相结合，对某些比较特殊、确实无法进行检定的测试资源只进行功能性检查；③自动与人工操作相结合原则，检测设备工作方式多种多样，对具有程控资源的设备进行自动计量，对其他资源采用人工操作检定。就整体而言要尽量减少人工操作，克服人为因素造成的各种误操作；④计量检定系统设计应遵循使用的快捷性、机动性原则；⑤确保计量检定系统中量值传递准确、一致、可靠、有效；⑥选用的测量标准仪器及接口模块，应具备通用性及可扩展性。

2.2 设计思路

根据产品专用检测设备的计量检定规程，对计量检定要求进行研究分析，将被检测信号进行梳理归纳，在主控计算机控制的控制下，根据被测设备的需求，通过多路开关控制模块自动实现多型标准仪器与被检设备之间的信号通道地切换连接，通过LAN、USB 或RS232 通信接口自动实现信号发生器的输出信号设置、稳压电源的输出、数字万用表和数字示波器等标准仪器的配置和测试，同时将计量检定数据的自动记录、报表和打印。选用先进的计量测试技术和方法，选择技术成熟、稳定可靠、测量不确定度小的测试资源作为计量仪器，实现综合化、集成化、通用化、自动化的架构，并在实现整体的集成化、多功能化计量检定中，保证全面监测被检定设备中的电源状态、通道状态、信号状态等，保证计量系统正确性和专用检测设备的安全性。

3 设计方案

3.1 硬件设计

计量检定系统硬件组成主要包括主控计算机、标准模块Ⅰ、标准模块Ⅱ、电缆模块和辅助设备。标准模块采用机箱加抽屉式模块化设计，将标准仪表、开关模块固定在抽屉中，执行计量检定任务时将抽屉自锁固定在机箱中，待完成计量检定任务后，可将标准仪表从抽屉中取出使用。该设计使得该系统具备了一定的扩展性，通过标准仪表的更换和软件功能的增加，可以实现对其他系列产品检测设备的计量检定。

系统硬件组成框图如图1。

图1 系统硬件组成框图

①主控计算机是系统的控制核心，主要完成人机交互、测量仪表的通信管理、参数设置与读取，测量数据录入、检定报表生成、打印等功能。

②标准模块Ⅰ和标准模块Ⅱ主要包括多路开关模块和标准测量仪表。

多路开关模块采用安捷伦3499B 型开关控制系统，在3499B 机箱内部配置两块N2260A 开关模块，两块开关模块可以实现多达80 通道的信号测试，满足检定系统的多通道功能测试要求。多路开关模块通过开关切换方式使多路信号与万用表、示波器、信号发生器连通，实现被检设备测量信号的多通道测量的自动切换功能，完成计量仪器标准与被检信号的连接，通过开关矩阵形成通道将前面板统一汇接的信号转接至相应的仪器上。

标准仪表包含数字示波器、数字万用表、压力校验仪等，用于对被检设备输入、输出信号的测量。

③电缆模块，完成各被检设备不同接口到计量适配器前面板统一接口的转接，它将被检信号转接到计量适配器的相应通道上。

④辅助设备，包括为计量检定提供外界条件的稳压电源、机柜，也包括打印机。

3.2 软件设计

3.2.1 开发环境及开发软件

①操作系统：WindowsXP SP3 系统；

②应用软件：Microsoft office 套件；

③开发软件：Microsoft Visual Basic 6.0。

3.2.2 软件组成

依据该型产品专用检测设备检定规程以及数据库管理、文档处理等方面的需求，计量检定系统软件主要完成标准仪器的通信管理控制、检测过程的自动实现、检定人员的引导和帮助、检定数据的管理维护以及检定文档的自动生成与打印等。

计量检定系统软件主要由自检模块、检定设备和检定信息输入模块、检定项目连线帮助模块、检定操作过程引导及实现模块、数据采集模块、原始记录和检定证书打印模块、检定设备的通信管理与控制模块、检定数据库管理模块、溯源模块、故障诊断模块等十大模块组成。系统软件组成框图如图2。

图2 系统软件组成框图

3.2.3 各模块主要功能

①自检模块功能。主要对设备状态和通讯状态进行检查。检定程序运行后，点击自检，程序将与需要程控的设备逐个进行通讯，根据设备返回的信息确定设备状态是否正常。②检定设备和检定信息输入模块功能。主要完成检定信息的输入，包括送检方、检定单位、测量标准、被检设备名称、编号等信息，同时包括被检设备的使用说明书、检定规程、标准仪器说明等信息。③检定项目连线帮助模块功能。主要完成检定过程中提示相应的被检定设备名称、型号、接口名称和计量电缆名称，给出对应项目的电缆连接图，操作人员可以在线使用。④检定操作过程引导及实现模块功能。主要完成检定操作步骤提示，并调用通信管理模块对相应设备进行管理，根据不同检测项目的操作要求，向操作人员发出协助提示，按照相应检定规程有序完成整个检定操作。⑤数据采集模块功能。主要完成十五型专用检定设备在检定过程中对配套仪器进行参数设定和参数提取，对测量参数进行自动采集、处理和分类管理，对有技术参数要求的进行判断，对需要人工读取的信息进行输入。⑥原始记录和检定证书打印模块。主要完成检定结果的打印，打印结果符合“检定证书”和“检定表”的格式要求，同时以文本格式进行存储。⑦检定设备的通信管理与控制模块。主要完成对配套仪器设备进行管理和设置，实现对以太网设备、USB 接口设备和RS232 接口设备的通信功能管理和控制。⑧检定数据库管理模块。主要完成原始检定记录数据的存储、查询和管理，提供原始数据库的导入/导出功能，以便对原始数据进行备份和恢复，防止原始记录数据的丢失和毁坏。⑨溯源模块。主要完成计量检定系统受通道影响参数的溯源，包括电压、交流电流、电阻、脉冲幅值等四项测量和电压输出。在溯源时，计量检定系统提示连接电缆连接测试仪表或标准源，计量检定系统自动连接或断开对应开关，提示操作系统使用或外接的标准源输出不同信号，读取数值。⑩故障诊断模块。主要完成计量检定系统在运行过程中遇到的技术难题提供技术支持，尽快确定发生故障的可能线路和位置，缩小排查范围，尽快解决故障，提高工作效率。

3.2.4 接口

3.2.4.1 内部接口

①计量检定系统各个标准仪器通信接口（USB、RS232、LAN 等）均转换为USB 接口，连接到7 口USB 高速集线器，最终通过USB 接口与主控计算机通信。多路转换接口主要指7 口USB 高速集线器和USB 转换接口。

②多路转换接口1：多路转换接口-TDS3032B 型示波器，通过LAN 接口与主控计算机通信，传输示波器数据采集控制指令、被检定设备的波形信号等；

③多路转换接口2：多路转换接口-34410A 型数字万用表，通过USB 接口与主控计算机通信，传输数字万用表数据采集控制指令、被检定设备的交流信号、直流信号和电阻参数等；

④多路转换接口3：多路转换接口-AM300 型任意波形发生器，通过USB 接口与主控计算机通信，传输任意波形发生器控制指令，通过多路开关模块为被检定设备提供激励波形；

⑤多路转换接口4 和5：多路转换接口-2 个SK3323型程控直流稳压电源，通过RS232 接口与主控计算机通信，传输对程控直流稳压电源输出直流电源的控制指令，通过多路开关模块为被检定设备提供直流电源；

⑥多路转换接口6：多路转换接口-CST273 型智能数字压力校验仪，通过RS232 接口与主控计算机通信，传输被检定设备的压力校验信号。

3.2.4.2 外部接口

①USB 接口：主控计算机-标准模块I，主控计算机向各模块发出控制指令，传输采集信号数据。

②RS232 口：标准模块I-标准模块II，主控计算机向标准模块II 设备发出控制指令，传输采集信号数据和程控电源指令。

③标准接口A（81 芯适配口）：计量检定系统-被检专用检测设备，传输被检定设备所需电源、信号和测试绝缘、电阻、电压、电流、波形等信号。

④标准接口B（81 芯适配口）：计量检定系统-被检专用检测设备，传输被检定设备所需电源、信号和测试绝缘、电阻、电压、电流、波形等信号。

计量检定系统接口关系如图3。

图3 计量检定系统接口关系

3.2.5 功能流程图

该计量检定系统使用时，首先进行系统自检，主要对设备状态以及主控计算机和各测量仪表之间的通讯状态进行检查。然后根据被检定设备启动对应的程序，对标准测量仪表进行设置。设置完成后开始根据程序进行各项数据的测试并进行记录。测试完毕后关闭标准测量仪表，显示测试结果，完成测试。

系统功能流程图如图4。

图4 系统功能流程图

4 结论

该系统的研制与实际使用，实现了集电学、时频、信号、功能等计量为一体的综合性检定，满足了某型号机电产品专用检测设备的自动、整体计量检定，从根本上改变了专用检测设备人工计量耗时长、易出现错漏的落后现状，大大提高了计量技术机构保障效率，实现了各种复杂电信号的自动转接、控制，实时自动采集、传输与处理、显示和存档，实现自动化测试和信息管理，集成化、模块化设计结构，扩展性好，通用性强。