基于Fluke MET/CAL和5700A的 Agilent 34401A自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

0 引 言
    “科技要發(fā)展，計(jì)量須先行”?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，可以說(shuō)，沒(méi)有精確的計(jì)量保障幾乎是不可能的。但是，在我國(guó)計(jì)量界，雖然所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置、被檢儀表大多已經(jīng)配備了GPIB、RS232等測(cè)試接口，但實(shí)際的測(cè)試校準(zhǔn)過(guò)程仍然多數(shù)是手工操作。人工操作各種儀器，手工記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，人工計(jì)算測(cè)試不確定度等，不僅工作量巨大，而且容易出錯(cuò)。為了能提高效率，廣大計(jì)量測(cè)試人員迫切希望能夠有一種簡(jiǎn)便快捷的方法來(lái)幫助他們實(shí)現(xiàn)計(jì)量自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
    本文力圖通過(guò)介紹校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件的構(gòu)成，軟件平臺(tái)的選擇，校準(zhǔn)校準(zhǔn)點(diǎn)的制定，校準(zhǔn)軟件的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)報(bào)告模板的設(shè)計(jì)等來(lái)闡述如何簡(jiǎn)單快速地組建、設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)基本工作原理
    如圖1所示，作者組建的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件包括我所電磁學(xué)最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)--美國(guó)FLUKE公司的多功能校準(zhǔn)源5700A(簡(jiǎn)稱5700A)，被校準(zhǔn)的數(shù)字電壓表美國(guó)Agi-lent公司的34401A(34401A)，美國(guó)NI公司的USB-GPIB接口卡(簡(jiǎn)稱GPIB卡)，計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)組成的。通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)中的Fluke公司的MET／CAL校準(zhǔn)管理軟件平臺(tái)(簡(jiǎn)稱MET／CAL)及自行編寫的34401A校準(zhǔn)程序控制整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)。

    程序首先把所需要的控制指令通過(guò)GPIB卡發(fā)送給34401A，命令34401A進(jìn)入所要校準(zhǔn)的功能和量程，然后再根據(jù)測(cè)試的標(biāo)稱值把相應(yīng)的設(shè)置指令通過(guò)GPIB卡發(fā)送給5700A，命令其輸出所要求的測(cè)試信號(hào)，再把34401A的讀數(shù)返回給計(jì)算機(jī)，34401A校準(zhǔn)程序根據(jù)輸出的標(biāo)稱值和標(biāo)準(zhǔn)值即可計(jì)算出該校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差等數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。待所有校準(zhǔn)點(diǎn)完成后再調(diào)用報(bào)告模板打印校準(zhǔn)報(bào)告。

2 系統(tǒng)硬件選擇
    Agilent 34401A是一款61／2位精密數(shù)字多用表，具有交直流電壓、電流、兩線和四線電阻等測(cè)量功能，電壓范圍最高可到1000 V，頻率范圍可達(dá)300 kHz，電流可到3 A，電阻可到100MΩ。它具有GPIB，RS-232接口，其指令系統(tǒng)為可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)程控指令(SCPI)，兼容性強(qiáng)，方便程控。其直流電壓的基本指標(biāo)是0．0035％讀數(shù)+0．007％量程。
    Fluke 5700A是一臺(tái)高精度的多功能校準(zhǔn)器。它不僅具有一年0．0007％的直流電壓高精度，而且功能非常強(qiáng)大，涵蓋了交直流電壓、交直流電流、電阻五項(xiàng)功能，可以輸出最高到1100 V交直流電壓，交流電壓頻率范圍則可從10 Hz～1 MHz變化，電阻輸出具有0～100MΩ共18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，交直流電流到2．2 A，可以校準(zhǔn)71／2位以下的精密數(shù)字多用表，具有標(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口。要校準(zhǔn)34401A，毫無(wú)疑問(wèn)5700A是最佳的選擇。
    NI公司的USB-GPIB接口卡通過(guò)USB接口連接到計(jì)算機(jī)，而USB接口無(wú)論臺(tái)式機(jī)或最新型的筆記本電腦均可以支持，而且即插即用，其GPIB總線可同時(shí)連接16個(gè)GPIB設(shè)備，使用非常方便。它還具有通信速度快，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前非常流行的GPIB控制器。
3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)選擇
    要通過(guò)GPIB接口編程控制5700A和34401A，在軟件平臺(tái)選擇上可以有多個(gè)方案，像Microsoft的VB，VC／C++，NI的LabView等都是不錯(cuò)的選擇。但對(duì)于普通計(jì)量工作者來(lái)說(shuō)，學(xué)會(huì)這些語(yǔ)言的編程絕非易事。沒(méi)有一定的編程經(jīng)驗(yàn)，想完成這個(gè)校準(zhǔn)軟件幾乎是不可能的。而作者發(fā)現(xiàn)，使用Fluke的MET／CAL校準(zhǔn)軟件則可以事半功倍，簡(jiǎn)單快捷的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。
    MET／CAL是我所隨5700A一起購(gòu)買的一套校準(zhǔn)管理軟件，它內(nèi)部集成了一個(gè)Sybase校準(zhǔn)引擎，提供了對(duì)包括5700A等校準(zhǔn)器的支持，利用其簡(jiǎn)單易懂的編程語(yǔ)言，類似Basic，可以比較方便的編寫多種儀器的校準(zhǔn)程序，通過(guò)NI的GPIB接口卡或計(jì)算機(jī)自帶的COM串行口對(duì)具有GPIB或RS-232接口的儀表實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的計(jì)量測(cè)試，甚至對(duì)沒(méi)有接口的儀表也可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)測(cè)試。最為人稱道的是它還可以按ISO17025的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量不確定度的自動(dòng)計(jì)算，最后利用配套的Crystal Report(水晶報(bào)告)軟件設(shè)計(jì)校準(zhǔn)證書模板，可以檢索MET／CAL產(chǎn)生的校準(zhǔn)記錄并自動(dòng)打印出漂亮的符合各單位要求的校準(zhǔn)證書，這無(wú)疑可以大大減輕編程人員的負(fù)擔(dān)。

4 設(shè)計(jì)校準(zhǔn)點(diǎn)
    根據(jù)國(guó)家數(shù)字多用表的計(jì)量檢定規(guī)程，對(duì)34401A進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)必須對(duì)其交直流電壓、電流、電阻測(cè)量功能的各個(gè)量程進(jìn)行檢定，每個(gè)量程測(cè)量3～5個(gè)點(diǎn)，基本量程測(cè)量10個(gè)點(diǎn)，直流信號(hào)還要對(duì)正負(fù)滿度值進(jìn)行測(cè)量，交流信號(hào)要對(duì)主要的頻率拐點(diǎn)的性能予以驗(yàn)證；同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器和被校表之間的指標(biāo)應(yīng)滿足3～4倍甚至更高的比率，以確保校準(zhǔn)的可靠性。
    一般情況下要檢查校準(zhǔn)器的指標(biāo)是否可以校準(zhǔn)被校表，需要根據(jù)每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)稱值來(lái)分別計(jì)算校準(zhǔn)器和被校表的技術(shù)指標(biāo)，查看TUR=被校表指標(biāo)／校準(zhǔn)器指標(biāo)是否大于4。例如對(duì)直流1 V量程的0．5 V校準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，34401A年技術(shù)指標(biāo)是±(0．5×0．004％+1×0．0007％)V=±0．000027 V，而5700A的年技術(shù)指標(biāo)是±(0．5×0．0007％+0．000001)V=±0．0000045 V，因此TUR=6，符合校準(zhǔn)要求。而MET／CAL則可以直接報(bào)告程序中每一點(diǎn)的TUR，不需要用戶計(jì)算，因此可以很方便的確定校準(zhǔn)是否符合校準(zhǔn)要求。
    9．001 5700 1 0．500000V 49％79％2W#! Test+Tol 2 Te-005,SysTol 4 5e-006V，TUR60000(≥4.00)。因此，根據(jù)34401A各功能的技術(shù)指標(biāo)及5700A多功能校準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)和輸出能力，也結(jié)合了我所數(shù)字多用表在科研生產(chǎn)中的應(yīng)用情況制定了各功能的校準(zhǔn)點(diǎn)。其中交流電壓功能校準(zhǔn)點(diǎn)如表1所示。

5 34401A自動(dòng)校準(zhǔn)程序的編寫
5．1 34401A的命令集
    在確定了測(cè)試順序后，就要著手查閱34401A的用戶手冊(cè)的程控章節(jié)，找到相應(yīng)測(cè)試功能的SCPI指令代碼。程序中使用的主要程控命令如表2所示：

5．2 5700A的命令集
    若是用其他語(yǔ)言來(lái)編寫這個(gè)校準(zhǔn)程序，還需要查閱5700A的說(shuō)明書獲取控制5700A的各項(xiàng)功能輸出的GPIB指令。但在MET／CAL中，就無(wú)需這個(gè)過(guò)程了。由于MET／CAL已能夠直接支持5700A，即已經(jīng)為其定義了5700FSC(Function Selection Code功能選擇代碼)，因此只需查閱MET／CAL的幫助文件獲取各項(xiàng)功能的關(guān)鍵字即可實(shí)現(xiàn)對(duì)5700輸出的控制。同時(shí)MET／CAL自動(dòng)將5700A的指標(biāo)傳遞給系統(tǒng)以方便計(jì)算測(cè)試不確定度。如“5700 1．000000V 20kHz 2W”表示“5700A以方式輸出交流電壓1V@20kHz”。
5．3 MET／CAL的部分命令集
    在MET／CAL中無(wú)需自行設(shè)計(jì)圖形界面，只需用系統(tǒng)定義的關(guān)鍵字輸出相應(yīng)的提示語(yǔ)句，標(biāo)題欄等系統(tǒng)即可以標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框的形式或固定格式顯示出來(lái)。測(cè)試結(jié)果會(huì)在已定義好的窗口中直接按標(biāo)準(zhǔn)格式顯示，等措施都大為簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)，并且保證了所有的MET／CAL程序都具有統(tǒng)一的運(yùn)行風(fēng)格。比如“VSET Nthrow＝1Nmeas＝6”是一條全局有效指令，設(shè)置在每一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)都會(huì)自動(dòng)拋棄第一個(gè)可能不夠穩(wěn)定的讀數(shù)，然后再自動(dòng)測(cè)量六個(gè)讀數(shù)用于計(jì)算校準(zhǔn)不確定度。
5．4 編寫34401A的自動(dòng)校準(zhǔn)程序
    在編寫校準(zhǔn)程序前，先要詳細(xì)閱讀5700A、34401A的軟件說(shuō)明書。在獲得了被校表和標(biāo)準(zhǔn)器各項(xiàng)功能和輸出的控制指令后，再通過(guò)熟悉MET／CAL程序的各項(xiàng)指令及FSC的用法之后，依照前面定義的每個(gè)功能的校準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)試指標(biāo)、校準(zhǔn)點(diǎn)的分辨率等信息就可以著手編寫校準(zhǔn)程序了。
    首先用ASK指令設(shè)置一些測(cè)試方式，然后顯示基本的安全操作信息和儀表的參數(shù)設(shè)置，再根據(jù)34401A的測(cè)試功能表，進(jìn)行直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、四線電阻和兩線電阻六個(gè)功能的測(cè)量校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的檢定。由于已用VSET指令設(shè)置了每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別測(cè)量6次，并且用ASK+K指令激活了測(cè)量不確定度的計(jì)算，因此在每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，MET／CAL都會(huì)自動(dòng)求得這六個(gè)測(cè)量值的平均值進(jìn)行評(píng)定，如評(píng)定不合格，通過(guò)Target指令控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)測(cè)試。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)計(jì)算得出各A類、B類測(cè)量不確定度分量并合成為擴(kuò)展不確定度。程序流程圖如圖2所示，其中每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)都是依據(jù)基本相同的流程進(jìn)行的。
    34401A校準(zhǔn)程序中直流電壓100 mV量程的一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)程序片段和注解如表3所示。

    完整程序因篇幅原因，此處略去。

6 執(zhí)行校準(zhǔn)程序
    34401A校準(zhǔn)程序編寫完成后，可以在MET／CALRuntime環(huán)境下運(yùn)行該程序，按照程序的要求創(chuàng)建被校表的資產(chǎn)記錄，選擇GPIB接口，連接測(cè)試線等，程序會(huì)自動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，逐一測(cè)試完畢，校準(zhǔn)結(jié)果就存入了MET／CAL所定義的Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便隨時(shí)調(diào)出查閱，打印報(bào)告。程序運(yùn)行界面如圖3所示。

7 設(shè)計(jì)校準(zhǔn)報(bào)告證書模板
    要輸出測(cè)量結(jié)果，可以調(diào)用MET／CAL自定義的Crystal Report(水晶報(bào)告，MET／CAL附帶的所見(jiàn)即所得高級(jí)報(bào)告軟件)證書模板，也可以使用自定義模板。自定義模板可以自行創(chuàng)建，也可以在MET／CAL的標(biāo)準(zhǔn)模板基礎(chǔ)上稍加修改，然后另存即可。具體做法就是打開(kāi)一個(gè)空模板或標(biāo)準(zhǔn)模板，首先根據(jù)各單位實(shí)際的校準(zhǔn)證書式樣在Crystal Report下編輯生成一個(gè)新的證書文件，然后將相應(yīng)的校準(zhǔn)引擎的Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)字段一一插入到證書的相應(yīng)位置，如資產(chǎn)號(hào)，生產(chǎn)廠家，校準(zhǔn)時(shí)間，校準(zhǔn)環(huán)境條件，校準(zhǔn)程序名，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)、有效期時(shí)間以及詳細(xì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等，并不斷調(diào)整格式、位置等使其與實(shí)際證書相仿。最后編輯完畢后保存證書模板。以后當(dāng)校準(zhǔn)程序執(zhí)行完畢，調(diào)用這個(gè)證書模板即可輸出實(shí)際結(jié)果的校準(zhǔn)證書，如圖4所示。

8 結(jié)束語(yǔ)
    該自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)可靠、操作方便、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試完畢可以報(bào)告出每一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量不確定度，完全貫徹了ISO17025的要求。同時(shí)，該程序具有簡(jiǎn)單易懂、容易修改的特點(diǎn)，可以非常方便地克隆到滿足其他型號(hào)數(shù)字多用表的校準(zhǔn)。該自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度，減少了人工操作，大約在20分鐘的時(shí)間完成以上所定義的約110個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)，并且直接打印出測(cè)量不確定度報(bào)告，可以極大的提高計(jì)量工作的效率。