卞德軍，李賢喆

（中國人民解放軍91388 部隊，廣東 湛江 524000）

0 引 言

信號調(diào)理裝置可以對電壓、電流、頻率、溫度等信號進行降噪、增益、干擾抑制、源激勵、噪聲屏蔽、輸出補償、信號保護等操作，因此信號調(diào)理裝置在科學(xué)試驗和工業(yè)控制系統(tǒng)中起著重要作用。傳統(tǒng)信號調(diào)理裝置需要對測量標準裝置和被測儀器進行人工操作，需頻繁切換不同功能和改變輸入輸出數(shù)值，記錄數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。信號調(diào)理裝置型號眾多，大量數(shù)據(jù)處理過程繁雜，容易出錯。從測量開始到記錄原始數(shù)據(jù)，再到數(shù)據(jù)的計算機錄入和測試證書的制作，需要花費大量的時間。因此為了滿足準確、可靠、迅速、高效的測試要求，自動測量系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為計量部門必須具備的測試手段之一。 本 文 基 于National Instruments 公 司 研 發(fā) 的LabVIEW 軟件平臺進行開發(fā)，通過VISA 驅(qū)動協(xié)議實現(xiàn)計算機與儀器設(shè)備的交互，提出一種基于多通道程控信號源SU1009 和NI6363 數(shù)字采集卡的自動化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將手動操作標準源、記錄測試數(shù)據(jù)、處理測試數(shù)據(jù)、出具證書等程序化和自動化，從而大幅提高了測試工作的效率，同時降低了人工操作帶來的錯誤和誤差。

1 測量原理和系統(tǒng)組成

系統(tǒng)是由多通道程控信號源SU1009、NI6363 數(shù)字采集卡、直流供電電源、被校信號調(diào)理裝置（模塊+板卡）、接口卡及接口電纜、計算機及自動測試軟件組成。通過USB 電纜將計算機與多通道程控信號源SU1009、數(shù)據(jù)采集卡NI6363 連接起來。將標準信號源的16 個輸出通道與待測信號調(diào)理裝置對應(yīng)的通道依次連接，待測信號調(diào)理裝置的16 個輸出通道與數(shù)字采集卡的對應(yīng)通道依次連接，待測信號調(diào)理裝置采用直流穩(wěn)壓電源進行供電。通過計算機及自動化軟件程控標準源發(fā)送標準信號，根據(jù)測試流程開啟或關(guān)閉通道實現(xiàn)不同通道的自動切換。根據(jù)輸入信號的頻率設(shè)置采集卡的采樣頻率，采集對應(yīng)通道的連續(xù)信號，通過離散傅里葉變換獲取標準信號參數(shù)，并與數(shù)據(jù)庫中的標準進行比較，判斷檢測點是否合格，存儲數(shù)據(jù)后根據(jù)需求生成原始數(shù)據(jù)記錄和測試證書報告，從而實現(xiàn)多通道全自動測試。

自動測試系統(tǒng)包括硬件的邏輯控制和軟件的數(shù)據(jù)處理兩個部分，具體為：待測設(shè)備信息的錄入、標準信號源的調(diào)節(jié)控制與輸出、采集卡的設(shè)置與采集、數(shù)據(jù)的存儲與處理、原始記錄和測試報告的生成與打印等，自動化測試系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

自動化測試系統(tǒng)的軟件部分是基于National Instruments 公司研發(fā)的LabVIEW 軟件平臺進行開發(fā)的，是通過VISA 驅(qū)動協(xié)議實現(xiàn)計算機與儀器設(shè)備的交互，結(jié)合通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)的一套信號調(diào)理裝置自動測試和自動分析處理數(shù)據(jù)的軟件。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件部分包含用戶和設(shè)備信息管理模塊、測試項目選擇模塊和測試結(jié)果模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 自動化測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

用戶登錄測試軟件，首先進行通信參數(shù)設(shè)置和待測試信號調(diào)理裝置模板的選擇；然后開始測試任務(wù)信息錄入，如果客戶有特殊的測試點要求，可以適當(dāng)?shù)靥砑踊蛘邉h除測試點，檢測系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)采集通道狀態(tài)是否正常。按預(yù)設(shè)流程開啟測試任務(wù)，所有測量點測試完畢，根據(jù)需求處理和保存測試數(shù)據(jù)。

2.2 各模塊詳細設(shè)計

2.2.1 信息管理模塊

信息管理部分主要完成通信設(shè)置、賬號密碼管理和設(shè)備信息管理。通信設(shè)置主要完成計算機與標準信號源、數(shù)字采集卡通信連接參數(shù)的設(shè)置。本實驗室采用計算機通過USB 纜線將主標準器SU1009 與數(shù)字采集卡連接通信。打開設(shè)置頁面，測試系統(tǒng)自動掃描每臺設(shè)備對應(yīng)的地址，掃描完成后顯示于界面中，檢定員可根據(jù)實際需求更改地址。通信配置信息可保存于數(shù)據(jù)庫中，并在用戶下次開啟動系統(tǒng)時默認顯示該配置信息。設(shè)備信息管理主要的功能是實現(xiàn)對不同型號信號調(diào)理裝置信息的創(chuàng)建、更新、刪除等。不同型號的設(shè)備，其待測項目、測試點及標準值是不同的，在程序設(shè)計時應(yīng)全面考慮，分別建立相應(yīng)命令集。測試時，同樣應(yīng)避免手動錄入或更改參數(shù)，一旦確定被測試設(shè)備的型號，則系統(tǒng)自動調(diào)用所選型號的預(yù)置測試模板。通過預(yù)置模板程序開始測試任務(wù)，可在大幅提高測試工作效率的同時，降低人工操作帶來的錯誤和誤差。當(dāng)數(shù)據(jù)庫中無待測試信號調(diào)理裝置型號時，檢定員可依據(jù)儀器設(shè)備說明書新建儀器設(shè)備信息庫，用戶可以根據(jù)設(shè)備的型號、檢定日期、編號等信息檢索設(shè)備，待測設(shè)備所有信息均顯示于列表中，用戶選定表格中的設(shè)備信息，通過特定控件對設(shè)備信息進行添加、刪除或更新。

2.2.2 測試任務(wù)模塊

為滿足實驗室工作需要，自動化測試系統(tǒng)測試任務(wù)模塊主要包括電壓、電流、頻率信號調(diào)理模塊。其中電壓信號調(diào)理模塊包括直流電壓信號的線性誤差測試模塊、直流電壓信號測試值誤差測試模塊、直流電壓信號增益倍數(shù)測試模塊、線性頻率響應(yīng)測試模塊；電流信號調(diào)理模塊包括線性誤差測試模塊、穩(wěn)定性測試模塊；頻率信號調(diào)理模塊包括線性誤差測試模塊、穩(wěn)定性測試模塊。進入測試任務(wù)模塊后，首先選擇被測試設(shè)備的型號，彈出窗口顯示預(yù)置測試模板，檢定員可根據(jù)用戶的特殊需求對預(yù)置模板的測試項目進行修改保存，下次計量時刻直接調(diào)用。信息配置完成后，即可開始測試任務(wù)，按照模板中流程依次對待測試信號調(diào)理裝置的項目進行計量。測試過程中，控件實時顯示被測試項目的測量值及多次測量的平均值，同時判斷各測試點是否滿足要求。測試任務(wù)完成后，系統(tǒng)停止發(fā)送標準值和采集數(shù)據(jù)，并生成測試數(shù)據(jù)預(yù)覽報表，其流程如圖3 所示。

圖3 測試任務(wù)執(zhí)行流程

2.2.3 測試結(jié)果模塊

測試結(jié)果模塊包括原始數(shù)據(jù)記錄和測試證書報告查詢、原始數(shù)據(jù)記錄的生成、測試證書報告的生成三部分。用戶可根據(jù)測試設(shè)備編號、證書編號、測試時間、送檢單位等信息查詢測試記錄，歷史測試記錄在列表中顯示。選擇表格中的任一記錄，便可預(yù)覽設(shè)備和送檢單位信息，根據(jù)需求生成該設(shè)備的原始數(shù)據(jù)記錄和測試證書報告。本文自動化測試系統(tǒng)按照測試規(guī)范和質(zhì)量體系的要求制作測試證書報告的模板，選擇設(shè)備編號檢索數(shù)據(jù)庫，并按預(yù)置的數(shù)據(jù)處理方法處理測試數(shù)據(jù)，通過LabVIEW 中的VI 程序?qū)⒃O(shè)備信息和處理后的測試數(shù)據(jù)寫入Word 空白模板，導(dǎo)出原始記錄或測試證書報告。

3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

數(shù)據(jù)處理是根據(jù)信號調(diào)理裝置測試規(guī)范，將采集到的測量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中預(yù)置技術(shù)指標庫進行對比，判斷測試數(shù)據(jù)是否滿足要求，作為測試證書報告的結(jié)論。自動化測試系統(tǒng)需要評價是否能夠準確地對儀表進行計量，因此需要對自動化測試系統(tǒng)計量結(jié)果以及手動計量結(jié)果進行可靠性對比試驗，以及自動測試系統(tǒng)本身計量結(jié)果的重復(fù)性實驗。

實驗一使用自動化測試系統(tǒng)和手動測試方法，分別對某一型號信號調(diào)理裝置的線性頻率響應(yīng)進行對比。頻率范圍為20～2 000 Hz，采用1/ 3 倍頻程的方法選取測試點，輸入電壓幅值為2 V。將示值誤差的絕對值換算為相對誤差，分析對比2 組數(shù)據(jù)之間的誤差，最大誤差僅為0.8%，表明自動化測試系統(tǒng)測試結(jié)果能夠很好地滿足設(shè)備指標，且人工和自動化測試結(jié)果具有較好的一致性。系統(tǒng)測試與人工測試結(jié)果對比如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測試與人工測試結(jié)果對比 V

實驗二對同一信號調(diào)理裝置的線性頻率響應(yīng)進行4 次測試，通過計算每個點的測試誤差，對數(shù)據(jù)重復(fù)性進行分析。為了更清晰地看出各測試點的變化趨勢，以輸入值2 V 為參考，將測試數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖4 所示。由表1 中數(shù)據(jù)與圖4 可知，每次測試中各測試點的趨勢相同，且各測量點4 次測試結(jié)果最大誤差小于1%，數(shù)據(jù)重復(fù)性高，系統(tǒng)讀數(shù)穩(wěn)定。

圖4 重復(fù)性實驗結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出一套16 通道信號調(diào)理裝置自動化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單方便，自動化程度高，提高了測試工作的效率和可靠性，降低了人為出錯概率，使計量測試工作更加程序化、規(guī)范化。根據(jù)信號調(diào)理型號建立不同的程序命令和指標數(shù)據(jù)庫，滿足了多種信號調(diào)理裝置的測試需求，大大增加了系統(tǒng)的適用性。本文系統(tǒng)的開發(fā)對推動計量技術(shù)的自動化和規(guī)范化具有重要意義。