徐沛　王文娟

關(guān)鍵詞：自動控制；遠(yuǎn)程；計量校準(zhǔn)；研究

中圖分類號：TP97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-06-06

0 引言

遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)是借助現(xiàn)代化信息技術(shù)遠(yuǎn)程控制或指導(dǎo)現(xiàn)場完成計量校準(zhǔn)的一種工作模式[1]，其具有需求響應(yīng)快、校準(zhǔn)服務(wù)周期短、成本低等優(yōu)點。隨著客戶對計量校準(zhǔn)時間、現(xiàn)場原位計量要求提高，計量機(jī)構(gòu)迫切需要通過遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的方式開展工作以滿足客戶需求。遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)主要有兩種實現(xiàn)方式：①用遠(yuǎn)程傳遞標(biāo)準(zhǔn)量值，直接對儀器設(shè)備進(jìn)行計量校準(zhǔn)，這種方式應(yīng)用范圍較窄，主要適合對時間、頻率等可傳遞量值的參數(shù)的校準(zhǔn)。②通過傳遞標(biāo)準(zhǔn)器具，現(xiàn)場操作復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量值，進(jìn)而對儀器設(shè)備進(jìn)行計量校準(zhǔn)，這種方式應(yīng)用范圍廣，但實現(xiàn)較為復(fù)雜，對操作人員以及物流、信息流、數(shù)據(jù)流都有較高的要求。儀器自動控制技術(shù)可以降低對操作人員的要求，減少校準(zhǔn)過程中的人工操作，消除人工帶來的誤差，提高計量校準(zhǔn)工作的效率及質(zhì)量。本文基于自動控制技術(shù)設(shè)計了一種遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)方法，綜合考慮了標(biāo)準(zhǔn)器具運輸、現(xiàn)場監(jiān)控、信息安全、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)利用等因素，依托我國飛速發(fā)展的高速通信網(wǎng)絡(luò)以及物流服務(wù)業(yè)，力求為遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的實施提供較為完整的方案。

1 遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀

國際主要研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動了遠(yuǎn)程校準(zhǔn)研究并進(jìn)行了實際應(yīng)用，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）在遠(yuǎn)程時間校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程頻率校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程流量計校準(zhǔn)及遠(yuǎn)程GPS 授時校準(zhǔn)等方面取得了大量研究成果，其中遠(yuǎn)程便攜式標(biāo)準(zhǔn)器具、遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)等多項研究已經(jīng)實現(xiàn)了應(yīng)用。英國國家物理研究所（NPL）對頻閃計的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了深入研究，并形成了研究成果。

中國計量科學(xué)研究院研究了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）遠(yuǎn)程時間頻率傳遞技術(shù)和時間傳遞鏈路校準(zhǔn)技術(shù)，研制了具有國際先進(jìn)水平的高準(zhǔn)確遠(yuǎn)程時間溯源系統(tǒng)，滿足了用戶對時間頻率的準(zhǔn)確性、溯源性和穩(wěn)定性需求。中國計量院已經(jīng)在黑龍江、新疆和貴州三個省級計量院建立了遠(yuǎn)程試點站，安裝了遠(yuǎn)程時間頻率校準(zhǔn)及時間標(biāo)準(zhǔn)裝置，同時發(fā)布了JJF1206-2008頻率標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)字時鐘的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)規(guī)范。

通過對國內(nèi)外遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀的分析可以看出，目前國內(nèi)對于遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的應(yīng)用主要集中在時間、頻率的校準(zhǔn)領(lǐng)域，其他領(lǐng)域的應(yīng)用還處在研究階段。

2 儀器遠(yuǎn)程自動控制的設(shè)計

儀器遠(yuǎn)程自動控制是計量實驗室的控制計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制客戶現(xiàn)場儀器設(shè)備，自動完成操作的過程，如圖1 所示。遠(yuǎn)程自動控制需要解決兩個關(guān)鍵問題：一是儀器設(shè)備的控制接口、協(xié)議與LAN 接口、協(xié)議的適配，需要通過儀器接口控制器實現(xiàn)；二是計量校準(zhǔn)的自動執(zhí)行，需要通過控制軟件實現(xiàn)。

2.1 接口控制器設(shè)計

電子測量儀器的控制接口主要為GPIB、USB、UART 等形式，無法直接接入網(wǎng)絡(luò)，并且不同接口的底層協(xié)議也不相同[2]，特別是GPIB 接口，需要安裝底層協(xié)議（VISA）才能實現(xiàn)儀器的控制通訊交互[3]。傳統(tǒng)的程控方案需要使用不同的線纜以及采用與接口對應(yīng)的底層通訊協(xié)議，才能實現(xiàn)對儀器的控制，顯然不適合遠(yuǎn)程控制。因此需要設(shè)計儀器接口控制器，將被控制儀器不同形式的接口轉(zhuǎn)換為LAN 接口，并將通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP 協(xié)議。接口控制器一端與被控制儀器連接，提供儀器控制需要的USB、UART、GPIB 等接口，另一端通過LAN 接口接入Internet 網(wǎng)絡(luò)，接收遠(yuǎn)程計算機(jī)的控制指令操作儀器設(shè)備，并將測試數(shù)據(jù)回傳。遠(yuǎn)程計算機(jī)與接口控制器按照TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通訊，無需考慮設(shè)備的底層通訊協(xié)議，只需保持網(wǎng)絡(luò)暢通，就可以對儀器設(shè)備進(jìn)行控制。

2.1.1 硬件設(shè)計

接口控制器采用“微處理器+FPGA”的設(shè)計方案，采用賽靈思的XC7K325T 型FPGA，在FPGA 內(nèi)編寫不同接口協(xié)議的IP 核用于協(xié)議轉(zhuǎn)換。存儲器、定時器及不同類型的控制器由FPGA 的內(nèi)部邏輯單元核提供，CPU 通過Avalon Switch Fabric 總線將存儲器、控制器等組件橋接在一起，構(gòu)成接口協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。接口控制器除具備硬件接口和通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換外，還具備接口掛載儀器設(shè)備的自動識別功能、接口掛載儀器設(shè)備的注冊功能、接口掛載儀器設(shè)備的查詢功能。接口控制器的硬件設(shè)計如圖2 所示。

2.1.2 軟件設(shè)計

接口控制器軟件在賽靈思公司的Vivado 平臺上，使用Verilog 語言開發(fā)。軟件采用層次化設(shè)計模式，分為執(zhí)行層、資源層、驅(qū)動層、數(shù)據(jù)交換層。數(shù)據(jù)交換層是接口控制器軟件的核心，基于FPGA 處理器硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算處理；驅(qū)動層實現(xiàn)對不同接口組件的驅(qū)動，實現(xiàn)接口控制，執(zhí)行處理器與接口的通信；資源層包含GPIB、USB、UART 和LAN 組件，實現(xiàn)處理器與GPIB、USB、UART、LAN 等外設(shè)的通信；執(zhí)行層實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。接口控制器的軟件分層架構(gòu)如圖3 所示。

UART 通信通過FPGA 芯片提供的UART 驅(qū)動程序，采用標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出流的方式實現(xiàn)。操作UART 時對其驅(qū)動讀寫數(shù)據(jù)即可。USB 通信首先由FPGA 芯片發(fā)送指令完成對ISP1362 器件的初始化，根據(jù)設(shè)備描述符完成地址的分配與配置。USB 通信采用中斷的方式，分為數(shù)據(jù)處理與中斷服務(wù)，當(dāng)ISP1362 收到輸出/輸入事務(wù)時存儲數(shù)據(jù)，并觸發(fā)中斷，中斷服務(wù)程序執(zhí)行相應(yīng)的操作。GPIB 通信采用中斷方式，NAT9914發(fā)出的中斷信號有發(fā)送數(shù)據(jù)事件（BO）、接收數(shù)據(jù)時間（BI）、接收數(shù)據(jù)結(jié)束事件（END）、接收GET 命令事件和接收DCAS 命令事件，這些中斷信號會觸發(fā)FPGA的中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行相應(yīng)的操作。GPIB數(shù)據(jù)通信中斷服務(wù)流程如圖4 所示。

2.2 自動控制軟件設(shè)計

自動控制軟件的主要功能是控制標(biāo)準(zhǔn)器具及待計量儀器設(shè)備，執(zhí)行計量校準(zhǔn)任務(wù)，完成測量數(shù)據(jù)的采集、處理，最后生成計量報告。自動控制軟件的架構(gòu)分為界面層、應(yīng)用層、執(zhí)行層、資源層、驅(qū)動層和數(shù)據(jù)交換層。界面層完成子系統(tǒng)運行界面以及功能應(yīng)用的界面搭建。應(yīng)用層提供子系統(tǒng)功能應(yīng)用服務(wù)。執(zhí)行層完成功能應(yīng)用的操作執(zhí)行，是應(yīng)用層的具體實現(xiàn)。資源層為應(yīng)用層及執(zhí)行層提供必要的資源支持，主要有校準(zhǔn)步驟資源、儀器設(shè)備控制資源、信息管理表格資源、二次開發(fā)函數(shù)資源。驅(qū)動層實現(xiàn)對儀器設(shè)備的驅(qū)動。數(shù)據(jù)交換層連接各功能應(yīng)用，完成數(shù)據(jù)跨層、跨系統(tǒng)的交互傳遞。自動控制軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

自動控制軟件分為信息管理、校準(zhǔn)檢定、二次開發(fā)三個子系統(tǒng)，完成遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)中的信息管理[6]、計量任務(wù)開發(fā)、計量任務(wù)執(zhí)行、計量報告處理、數(shù)據(jù)分析等工作。信息管理子系統(tǒng)提供被測設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器具、測量記錄、證書模板等信息的管理，有信息創(chuàng)建、信息展示、信息編輯、信息查詢、信息刪除等功能。校準(zhǔn)檢定子系統(tǒng)執(zhí)行校準(zhǔn)檢定任務(wù)相關(guān)的工作，主要功能是對校準(zhǔn)檢定項目文件進(jìn)行任務(wù)解析，生成校準(zhǔn)檢定執(zhí)行指令序列、編輯校準(zhǔn)檢定任務(wù)參數(shù)、配置儀器設(shè)備驅(qū)動、執(zhí)行校準(zhǔn)檢定任務(wù)、處理證書報告等。校準(zhǔn)檢定子系統(tǒng)中底層的儀器控制指令通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給接口控制器，由接口控制器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成儀器控制。二次開發(fā)子系統(tǒng)的主要功能是開發(fā)儀器驅(qū)動、限制規(guī)則、項目步驟、報告映射等，為檢定校準(zhǔn)項目的開發(fā)提供資源和平臺。二次開發(fā)子系統(tǒng)可以提供多樣性的系統(tǒng)資源，輔助快速完成計量任務(wù)的開發(fā)創(chuàng)建，滿足計量要求。自動控制軟件的工作流程如圖6 所示。

3 遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的總體方案

3.1 實施流程

遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的實施分為標(biāo)準(zhǔn)器具傳遞、儀器遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控、測量數(shù)據(jù)回傳處理三個過程，包括提出計量需求、評估計量需求、發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)器具及設(shè)備、現(xiàn)場配置、自動測量、出具報告等環(huán)節(jié)，如圖7 所示。

3.2 實施方案

根據(jù)流程，遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的實施需要滿足兩個基本條件：一是儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程可控（標(biāo)準(zhǔn)器具和待計量儀器設(shè)備均可程控操作，且具有數(shù)據(jù)接口）；二是計量現(xiàn)場具有網(wǎng)絡(luò)接入條件，可建立遠(yuǎn)程連接。

實施遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)需要具備可傳遞的標(biāo)準(zhǔn)器具、可控的標(biāo)準(zhǔn)器具傳遞、遠(yuǎn)程計量過程監(jiān)控（音視頻）設(shè)備、可程控的標(biāo)準(zhǔn)器具和被計量儀器設(shè)備、現(xiàn)場輔助人員、遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)軟件、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等要素。遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的實施方案如圖8 所示，主要有以下內(nèi)容：

⑴ 使用加固和可監(jiān)控的專用運輸箱，通過物流運輸?shù)姆绞絺鬟f標(biāo)準(zhǔn)器具；

⑵ 通過專用設(shè)備將儀器接口轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)程控制的LAN 接口，實現(xiàn)硬件接口和通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換；

⑶ 采用身份認(rèn)證與數(shù)據(jù)加密處理，滿足遠(yuǎn)程計量數(shù)據(jù)安全性的要求；

⑷ 使用自動控制軟件和監(jiān)控軟件實施并監(jiān)控遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)過程；

⑸ 對積累的計量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析利用。

3.3 實施關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)器運輸

遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)中，計量機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)器具需要通過物流運輸發(fā)送到客戶現(xiàn)場，為便于運輸并保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)器具，需要使用保護(hù)面罩和專用運輸箱。標(biāo)準(zhǔn)器具的操作面板集合了顯示屏、按鍵、信號端口等，保護(hù)面罩能防止操作面板受損。專用運輸箱用于放置標(biāo)準(zhǔn)器具，承受運輸途中可能的顛簸、碰撞，保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)器具。

通過設(shè)計監(jiān)控定位裝置，監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)器具的位置，記錄標(biāo)準(zhǔn)器具的狀態(tài)，保障物流運輸?shù)陌踩１O(jiān)控定位裝置安裝于專用運輸箱內(nèi)，由定位模塊、傳感器組、存儲單元、供電單元等部分組成。定位模塊用于對標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行定位；傳感器組包含位置、位移、溫濕度等多組傳感器，用于記錄箱體內(nèi)溫度濕度、傾斜、碰撞等信息。標(biāo)準(zhǔn)器具返回后，計量機(jī)構(gòu)讀取監(jiān)控數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，確保運輸過程標(biāo)準(zhǔn)器具沒有發(fā)生異常情況。監(jiān)控定位裝置的結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

3.3.2 現(xiàn)場監(jiān)控

計量校準(zhǔn)現(xiàn)場的監(jiān)控使用帶有通話裝置的監(jiān)控攝像頭，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件實現(xiàn)。監(jiān)控攝像頭通過LAN 接口接入網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件安裝于計量機(jī)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)對客戶現(xiàn)場計量校準(zhǔn)過程的音視頻進(jìn)行全程錄制，并與測量數(shù)據(jù)一起留存，作為遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)的原始信息備案。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件通過攝像頭記錄計量校準(zhǔn)現(xiàn)場的信息，也可以傳輸音頻，對客戶進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，以保證現(xiàn)場輔助人員正確進(jìn)行設(shè)備連接。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的主要功能有遠(yuǎn)程連接、視頻監(jiān)控、音頻通話、音視頻錄制等。監(jiān)控軟件使用流媒體技術(shù)進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)的傳輸，可將音視頻數(shù)據(jù)連續(xù)實時地傳遞。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的服務(wù)框架如圖10 所示。

3.3.3 信息安全

接口控制器和監(jiān)控攝像頭等現(xiàn)場設(shè)備在與計量實驗室的控制計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接時采用安全確認(rèn)機(jī)制，以確保遠(yuǎn)程連接過程安全有效?？刂朴嬎銠C(jī)在接收到現(xiàn)場設(shè)備的連接請求后生成連接授權(quán)碼，發(fā)送給現(xiàn)場輔助人員，現(xiàn)場人員輸入連接授權(quán)碼，由計量實驗室確認(rèn)完成設(shè)備連接，遠(yuǎn)程連接交互過程如圖11所示。

在遠(yuǎn)程計量過程中，需要采集標(biāo)準(zhǔn)器具、計量儀器設(shè)備、測量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場環(huán)境等信息，并通過網(wǎng)絡(luò)與計量實驗室進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這些信息為敏感信息，如果泄漏將影響計量機(jī)構(gòu)和企業(yè)的信息安全，因此，除控制過程中的身份認(rèn)證外，還要采用成熟度較高的AES、3DES 等加密算法對遠(yuǎn)程計量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加密，確保遠(yuǎn)程計量過程中的信息安全。

3.3.4 數(shù)據(jù)利用

目前我國對絕大多數(shù)測試儀器的校準(zhǔn)周期只進(jìn)行了建議，如何對校準(zhǔn)周期進(jìn)行科學(xué)規(guī)定和調(diào)整一直是計量科學(xué)研究的熱點[3]。遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)實施過程中會積累大量的測量數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)除出具證書報告外，可以借助不斷提升的計算機(jī)運算能力及數(shù)據(jù)分析算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對被校準(zhǔn)設(shè)備的性能趨勢、標(biāo)準(zhǔn)器具的健康狀況、計量需求的預(yù)估時長、校準(zhǔn)周期等指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。

預(yù)測方法采用按照J(rèn)JF 139-2005《計量器具檢定周期確定原則和方法》進(jìn)行[4]，采用基于校準(zhǔn)參數(shù)量值的方法進(jìn)行預(yù)測[5]，分析設(shè)備參數(shù)的歷史校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以測量設(shè)備參數(shù)歷史校準(zhǔn)量值及其不確定度作為研究對象，使用威布爾模型進(jìn)行計算，來預(yù)測設(shè)備的測量可靠性。威布爾模型如式⑴所示。

其中，β 為形狀參數(shù)，η 為尺度參數(shù)，t 為時間，R₀為初始測量可靠性，一般為90%，R（t）為t 時刻的測量可靠性。用積累的歷史計量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過回歸分析計算威布爾模型各個參數(shù)，計算R（t）達(dá)到可靠性下限時的時刻t，作為校準(zhǔn)日期。同時，不斷使用新的計量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更新威布爾模型參數(shù)，實現(xiàn)校準(zhǔn)周期的動態(tài)調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文通過應(yīng)用儀器自動控制技術(shù)設(shè)計了遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)方案：①分析了國內(nèi)外遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀及目前存在的問題；②設(shè)計了接口控制器和自動控制軟件，實現(xiàn)了不同類型儀器設(shè)備接口、協(xié)議的適配和計量校準(zhǔn)的自動執(zhí)行；③研究了遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)中涉及的標(biāo)準(zhǔn)器具運輸、現(xiàn)場監(jiān)控、信息安全、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)利用等問題，提高了遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)方案的可行性。

本文基于自動控制的遠(yuǎn)程計量校準(zhǔn)，實現(xiàn)了可操作性強(qiáng)、功能完備、操作簡便、資源豐富、自動化程度高的設(shè)計目標(biāo)，適應(yīng)了計量信息化的發(fā)展，滿足了客戶的需求。同時我們也看到，本文方案還需要根據(jù)實際應(yīng)用情況作出優(yōu)化，接下來將從提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的角度對該方案進(jìn)行完善。