基于LabVIEW远程校准系统研究

欧阳红军 丁 丁 李 荧 王晓明

（国防科技大学教研保障中心，湖南长沙410073）

1 引 言

军事计量是以科学的测量技术手段来实施武器装备系统和仪器仪表检定/校准的，保障武器装备在非战时一直处于完好的战备状态，在战争中能够发挥优越的战斗效能。我国国土辽阔，在军事上具有良好的纵深，然而广阔的地域使得武器装备分布范围较大，加大了部队的计量保障任务，尤其在战时环境下，运输条件急剧恶化，使得武器装备的送检工作非常困难，特别是计量参数多的大型尖端武器装备，对实时计量要求高，由于无法满足这些需求，制约武器装备发挥效能。

目前，最常采用的校准方式为部队将武器装备系统和仪器仪表送到上级计量中心，或者由专业计量人员携带计量标准到现场进行校准。这种常见的校准方式所需的时间和金钱成本较高、难于管理，导致校准工作的效率不高，已远滞后于武器装备计量保障的需要。随着计算机网络技术的快速发展，许多测量仪器和设备都可通过编程命令进行控制操作，计算机网络技术与目前常见校准技术相结合的远程校准技术受到越来越多的关注，是未来技术发展的方向［1，2］。通过远程校准技术，专业计量人员可以依托网络完成前线装备的校准和检测，实现机动计量保障功能，同时还可以促进军民融合计量保障体系建立，在国际比对、实验室认可等方面发挥重要作用［3］。

目前，美国NIST（国家标准和技术研究院）、英国NPL（国家物理实验室）、日本NMIJ（国家计量院）和中国NIM（计量科学研究院）等都开展了远程计量方面的相关研究［4］，例如NIST 利用远程校准技术完成气体大流量的校准服务［5］；NPL 通过网络视频通信指导校准工作，并远程发布校准证书；NMIJ 通过3km 光纤完成了量块长度的校准；NIM也将远程校准技术应用在时间频率校准与溯源过程中等。虽然我国已经开始远程校准相关研究工作，但研究成果相对较少。开展远程校准技术研究可以弥补我国计量标准分布较散等缺点，有助于提升计量校准的国际影响力。虚拟仪器（VI）是将软件和硬件结合在一起的测量控制系统［6，7］，由美国仪器公司（NI）开发的图形化编程工具LabVIEW，其提供友好的人机界面，方便专业计量人员在虚拟仪器界面操作仪器，更好地完成校准服务。

2 远程校准系统介绍

远程校准是一种远距离校准，一般由专业计量人员利用网络通信技术实时、异地、远程地控制参与校准过程的各种仪器仪表，从而获取被校准仪器仪表的各项计量特性［8］。类似于常见的校准过程，远程校准过程也具有高等级计量标准、被校准对象、依据的校准文件等要素。在大多数情况下，被校准对象与高等级计量标准在同一个地方。远程校准系统一般采用客户端/服务器模式，主要有客户端、服务器和网络传输这三个必要组成部分。远程校准系模块框图如图1 所示，其中客户端为校准现场，客户端计算机与仪器相连，通过网络传输部分与服务器相连；网络传输部分负责传输客户端与服务器之间的数据和命令；服务器由专业计量人员操作，对客户端的仪器进行远程校准，并全程监督客户端。远程校准系统能够采集远程仪器设备的状态信息，实现设备监控功能，记录和分析测量原始数据，生成和传送校准报告，同时还可以满足一些特殊要求，具有良好的可扩展性［9，10］。

相对于传统校准过程，远程校准具有以下五个优点。

1）被校准仪器不需经路途运输至专业计量人员处，实现了人员与校准现场的分离，大大缩短了校准所需时间，减小校准所需成本；

2）专业计量人员身份信息存储在数据库中，通过用户名和密码登陆校准主界面，若无该校准权限，则无法登陆操作校准，方便管理校准权限；

3）计量技术机构可将校准结果进行电子存档，用户下次校准和检查时可以调用该结果，提供长期的校准历史档案存取和无纸跟踪；

4）用户可以选择在任何地方实行校准，只需通过Internet 与专业计量人员连接即可完成校准操作；

5）远程校准克服了传统校准周期长、不确定度高、溯源链过长、效率低的缺点，可直接溯源较高等级的标准，具有一定的现实意义。

图1 远程校准系统模块框图Fig.1 Block diagram of remote calibration system module

3 远程校准系统实现

本文利用Keithley 2000 数字多用表和费思可编程直流电子负载FT6301A 远程校准Maynuo M8831 程控稳压电源，实现了基于LabVIEW 的远程校准系统，其流程如图2 所示。远程校准系统中的标准仪器是六位半数字多用表Keithley 2000，其直流电压在90 天内的浮动保持在0.002%以内，电阻的阻值在90 天内的浮动保持在0.008%以内［10］；待校准仪器是新一代可编程电源Maynuo M8831，其在实验室中使用较为广泛；电子负载使用的是Faith FT6301A，它是费思科技研制的新一代高性能可编程电子负载［11］；用于实时监督的网络摄像机是AXIS M1011 - W，它兼具有线和无线接口，支持MPEG-4 和H.264 视频流，具有体积小、像素高等特点，满足实时高质量的监控要求。

图2 远程校准系统流程框图Fig.2 Flow chart of remote calibration system

专业计量人员处在服务器端，通过验证用户名和密码进行登陆，登陆成功后进入校准主界面，点击连接客户端，提示成功后即可进行校准操作。校准现场处在客户端，客户端通过远程端口号和服务器端的IP 地址连接服务器，由专业计量人员远程控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三台可编程仪器对Maynuo M8831 进行校准，同时利用网络摄像机AXIS M1011 -W 全程监控校准现场的校准过程。根据Maynuo M8831 的文件要求，远程校准的项目有负载调整率、电压和电流的示值误差等，当校准操作结束后，可自动生成校准结果文件，方便得到待校准仪器的示值误差。

3.1 服务器设计

远程校准系统的登陆界面简洁明了，如图3 所示，包含了前言、产品功能、产品应用、制作团队、帮助等信息，有助于软件使用者快速熟悉该校准系统。专业计量人员通过其注册的用户名和密码进行登陆，若该用户名和密码与后台数据库中数据一致则验证通过，登陆成功，否则失败。专业计量人员信息验证成功之后进入校准主界面，主界面主要包括三台仪器的操作、摄像头监控和控制校准3 个模块，如图4 所示。此时校准现场的客户端通过远程端口号8888 和服务器端的IP 地址进行连接，专业计量人员远程控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三台可编程仪器对Maynuo M8831 进行校准。同时，专业计量人员利用网络摄像机AXIS M1011-W 全程监控校准现场的校准过程，如其身临校准现场。该远程校准平台校准Maynuo M8831 的项目有负载调整率、电压和电流的示值误差；当校准人员需要存储刚刚得到的校准数据，只需点击“保存数据”按键即可自动生成Excel 文档。当校准操作结束之后，点击“校准数据”按键查看校准数据文件，点击“校准结果”按键即可自动生成校准结果文件，方便校准人员得到待校准仪器的示值误差。

图3 服务器的登陆界面Fig.3 The server login interface

图4 校准主界面Fig.4 The calibration main interface

3.2 网络传输部分设计

网络传输部分主要负责传输客户端与服务器之间的通信，目前的网络通信主要有TCP/IP 协议，它可以实现互联网中各电脑之间的通信。LabVIEW软件中带有TCP/IP 网络通讯协议的各种VI，其中TCP Listen 负责监听客户端的端口号8888 是否触发连接需求，当有连接需求触发时，TCP Open Connection 向服务器的端口号8888 请求连接，当服务器和客户端连接后，TCP Write/Read 负责两端的数据交换，当整个校准过程结束后，TCP Close Connection 关闭由TCP Open Connection 创建的连接［5］，服务器端TCP 传输的程序框图如图5所示。

图5 服务器端TCP 传输的程序框图Fig.5 Program chart of serve-side TCP transmission

3.3 客户端设计

客户端为校准现场，标准仪器、待校准仪器及电子负载均通过RS232 接口与计算机连接，网络摄像头通过USB 接口与计算机连接，由客户端的LabVIEW 程序统一进行控制，Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 之间采用普通的电源线实现电流传输，如图6 所示，其中加粗线为电源线，细实线为数据线。计算机经由网口接入局域网或者互联网，与服务器端进行交互。LabVIEW 软件可利用NI 的强大驱动程序，LabVIEW 中基于自底向上结构模型的VISA 创造了一个统一形式的I/O 控制函数集，可以与目前绝大多数中总线通信，客户端与仪器连接程序框图如图7 所示，其利用VISA 实现了RS232 和USB 的连接，客户端计算机统一控制Keithley 2000、Maynuo M8831、Faith FT6301A 三台仪器［6］。

图6 校准现场端仪器连接图Fig.6 Calibration field instrument connection diagram

图7 客户端与仪器连接程序框图Fig.7 Program block diagram of connection between client and instrument

4 远程校准结果分析

本次远程校准Maynuo M8831 的项目有负载调整率、电压和电流的示值误差等。以Maynuo M8831的直流电压示值误差校准项目为例，介绍校准步骤如下。

步骤1:在Faith 选项卡下，点击“On/Off”按键，关闭Faith FT6301A 输入；

步骤2:切换到Maynuo 选项卡，依次点击“VSet”、“0”、“Enter”三个按键，设置Maynuo M8831 电压输出为0V，点击“Recall”按键读取回读Maynuo M8831 输出电压值，点击“保存数据”按键保存数据；

步骤3:切换到Keithley 选项卡，点击“DC”按键读取电压值，点击“保存数据”按键保存数据；

步骤4:设置Maynuo M8831 电压输出依次为5V，10V，15V，20V，25V，30V，重复步骤2、步骤3。

第一次点击“保存数据”按键时，系统根据操作时间自动生成Excel 文档保存数据，当校准操作都结束之后，点击“校准数据”按键查看自动生成的校准数据文件，见表1。点击“校准结果”按键即可自动生成校准结果文件，见表2，其中M8831的负载调整率由式（1）至式（5）计算得到，代入表1 中的测量数据，得到M8831 的负载调整率为0.082 407 4%。

表1 M8831 的校准数据Tab.1 Calibration data for M8831

表2 M8831 的校准结果Tab.2 Calibration results for M8831

通过表2 专业计量人员可以清楚的看到待校准仪器M8831 校准项目的示值误差，根据M8831 说明书给出的最大允许值，该误差在允许范围内。

5 结束语

远程校准技术克服了传统校准必须“人机一体”的缺点，由于其分离了校准人员和校准仪器，使其可应用在复杂恶劣的战场环境中，专业计量人员在远程端即可校准处在战场的武器装备，从而保障武器装备系统和仪器仪表的检定校准，对于军事计量的发展具有重要意义。本文分析了远程校准系统的基本结构，基于LabVIEW 开发平台，从整体到局部完成远程校准系统的设计，实现了高等级万用表Keithley 2000 对电源Maynuo M8831 的远程校准操作，满足了校准要求，该远程校准系统在提高校准工作效率的同时，降低了校准成本，具有重要的现实意义。