一种基于LabVIEW 开发环境的直流稳定电源自动化校准系统

2023-08-03凌勇袁鹤龄陆敏玉

电子与封装 2023年7期

凌勇，袁鹤龄，陆敏玉

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

直流稳定电源广泛运用于科研生产型企业，随着科技的发展，直流稳定电源正朝着智能化、高精度、多通道、宽量程的趋势发展。目前国内直流稳定电源的量值溯源标准主要依据是JJF 1597《直流稳定电源校准规范》以及JJG 77—2015《直流稳压电源检定规程》。以JJF 1597 为例，一个单通道单量程的直流稳定电源全套校准项目共有13 项[1]，对于一个多通道多量程的直流稳定电源来说，整个校准项目总数一般是13的整数倍。如果采用传统的人工校准，非常耗费时间和人力，而且电源量程通道数量越多，出错的概率越大。电源产品不仅数量多、型号杂，而且为避免影响正常生产，电源产品使用人员往往需要尽可能加快电源校准整体作业速度。在此背景下，直流稳定电源自动化校准系统（简称电源自校系统）的研发需求变得日益迫切。

经调研，直流稳定电源目前普遍配置至少一类程控通信接口（RS232、GPIB、USB），并且大部分程控仪器都支持可编程仪器标准命令（SCPI）[2]。针对现今较为主流的编译软件（VC、.NET、C++等），通过适用度、可编程性等综合因素的比较分析，本文最终选择以LabVIEW 作为软件开发平台。LabVIEW 是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能。LabVIEW 配备了种类丰富、功能强大的可扩展函数库和子程序库，可用于GPIB 设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制以及数据分析、显示和存储等[3]。

综上所述，基于电源类产品普遍具备可程控化的特点以及LabVIEW 软件出色的测控编译性能，本文介绍了一款直流稳定电源自动化校准系统。

2 电源自校系统的主体结构

电源自校系统的主体结构如图1 所示，分为硬件部分和软件部分，表1 为电源自校系统的主要构成明细表。

表1 电源自校系统的主要构成明细

图1 电源自校系统的主体结构

3 自动化校准过程

整个直流稳定电源的自动化校准过程可以分为校准启动阶段、校准作业阶段以及校准收尾阶段。现针对各阶段较典型的技术难点和解决方案进行阐述。

3.1 校准启动阶段

该阶段的主要任务是实现校准启动过程信息的导入，导入信息包括被校电源的特征信息、程控指令以及各项技术参数。其技术难点主要在于市面上电源型号、种类繁多，因此需要建立一套较为简单、完备的编码规则，针对各类电源的主要校准信息以标准化格式录入，在数据库中也需要构建一个较为合理且对应关系清晰的数据结构模型，从而确保LabVIEW 主体程序能够从数据库中准确地识别和提取所需要的相关信息。为解决上述技术难点，主要采取了2 条解决措施。

3.1.1 制定电源信息编码规则

本系统采用了双字段编码方式，具体格式为XXXX-n1-n2-n3-n4。其中，XXXX 代表电源型号字段，主要由数字、英文字母或特殊字符组成，一般是直接引用电源厂商的编号规则。需要注意的是，如果厂商提供的型号名称包含“-”，需要将其替换成“#”。n1-n2-n3-n4代表通道量程信息字段，主要由4 个独立数位非0 自然数组成。n1代表该电源型号的通道总数，n2代表该电源型号的通道序号，n3代表该电源型号某通道的量程总数，n4代表该电源型号某通道的量程序号。

如某型号电源编码为IT6952A-1-1-1-1，表示电源型号是IT6952A，设备通道总数为1，量程数量也为1。又如某型号电源编码为E3633A-1-1-2-1，表示电源型号是E3633A，该设备通道总数为1，量程数量为2，目前指向该型电源第1 个量程。

采用这种编码方式有2 个优点：一是清晰直观，从编码名称上就能够迅速了解产品的通道和量程数量；二是编码方式简单，鉴于不同电源设备的性能千差万别，这种编码方式可以防止遗漏，并且每个通道量程可以通过程序准确识别和赋值。

3.1.2 建立关系模型

电源自校系统数据库一共包括12 张数据表，以通道量程数据表为核心，图2 为通道量程数据表的设计视图，可以看出，通道量程数据表的主键字段是通道名称，且该字段采用了电源信息编码规则。

图2 通道量程数据表的设计视图

自校系统数据库的关系映射模型如图3 所示。其中，设备型号数据表与设备校准信息库数据表的表间关系为一对一模式，通道量程等10 张数据表的表间关系为一对多模式。采用该数据表关系映射模型，可以快速、准确地从数据库中识别和提取指定的型号电源和量程通道所需的相关校准信息。

图3 自校系统数据库的关系映射模型

3.2 校准作业阶段

该阶段的主要任务是解决校准作业过程的数据交互和处理，主要包括LabVIEW 主体程序与数据库、LabVIEW 主体程序与被测电源、LabVIEW 主体程序与直流稳定电源校准装置、LabVIEW 主体程序与校准人员之间的信息交互处理。LabVIEW 主体程序由44个VI 功能模块组成，其中包括6 个主功能模块，9 个子功能模块和29 个支持功能模块。LabVIEW 自动化校准系统的初始化页面如图4 所示，流程结构框图如图5 所示。

图4 自动化校准系统的初始化页面

图5 LabVIEW 主体程序的流程结构框图

在数据交互和处理的过程中，如何保证LabVIEW主体程序显示界面的实时准确切换是主要技术难点之一。为解决该问题，在编程过程中灵活、综合运用了标准状态机控制技术[4]、数组/字符串函数以及循环/事件/条件结构的嵌套等，确保程序的稳定运行。

典型LabVIEW 状态机由一个While 循环、一个条件结构和一组移位寄存器组成，LabVIEW 状态机的基本框架结构如图6 所示。其中，While 循环用来保证程序的连续运行；条件结构各种分支中的代码用来描述状态机的各种状态以及下一状态的选择；移位寄存器用来将上个状态所做的选择传递到下一次循环的选择端子。

图6 LabVIEW 状态机的基本框架结构

以图5 中LabVIEW 主体程序主功能模块之一的信息录入模块为例，该功能模块一共包含“起始态”、“查询态”、“显示态”以及“退出态”4 种主要状态页面，并且在数据交互处理过程中，这4 个主要状态页面会出现反复来回切换的情况。信息录入模块采用了如图6 所示的LabVIEW 状态机的基本框架结构，有效地解决了不同状态页面切换的技术难点。信息录入模块的程序流程如图7 所示。

图7 信息录入模块的程序流程

3.3 校准收尾阶段

该阶段的主要任务是实现校准结果的保存和输出。其技术难点是如何将校准结果输出并制作成定制化的Excel 格式的校准报告和校准证书。李征采用Excel 内嵌的VBA 脚本代码实现数据计算和报告格式生成[5]，但该方法需要针对不同型号的电源制作不同样式的证书模板。李华等采用LabVIEW 提供的报表工具包实现报表生成[6]，但输入参数有数量限制，并不能完全满足实际使用过程中的多样化要求。为解决上述技术难点，主要采取了2 条解决措施。

3.3.1 校准证书和记录的模板布局设计

本系统针对校准证书和记录的模板布局进行优化设计。以校准证书制作为例，证书模板布局设计如图8 所示。这种布局不同于仅按照校准项目的布局方式，而是先将直流稳定电源拆解为独立的单一量程通道，再针对每个量程通道按照校准项目进行布局设计。

图8 证书模板布局设计

3.3.2 采用ActiveX 技术制作校准证书和记录

在完成上述证书模板布局设计的基础上，电源自校系统采用ActiveX 技术生成校准证书和校准记录。ActiveX 是微软提出的一组部件对象模型（COM），主要包括Active 控件、Active 文档、Active 自动化。ActiveX 控件是一种独立的控件对象。它通过属性和方法来实现和应用程序的交互[7-8]。以校准证书为例，采用ActiveX 技术分成“证书模板复制”和“数据定位输入”2 道步骤。假设某电源设备需要校准的通道量程数量为N，页面赋值：Sheet1 为1，Sheet2 为2，Sheetn（2＜n≤N）为2i-3。证书模板复制的ActiveX 典型程序框图如图9 所示，从赋值公式和图9 可以看出，基于ActiveX 技术，通过LabVIEW 启动Excel 自动化服务器，打开校准证书模板，针对Sheet3 页面复制N 次；完成复制后，利用程序循环结构对证书各页面的页码通过i 次[i=0～(N-1)]循环实现页码赋值和证书模板复制。

图9 证书模板复制的ActiveX 典型程序框图

类似证书模板复制，数据定位输入同样基于ActiveX 技术，通过LabVIEW 启动Excel 自动化服务器，调用Workbooks 对象，调用方法为Open，同时输入Excel 表格的路径及文件名称，然后打开工作表Worksheets，分别调用Sheets 对象以及Range 对象，并将校准证书的相应Sheet 页码、拟定位输入数据的相应单元格坐标以及拟定位输入的数据传递给LabVIEW 主体程序，从而实现数据定位输入的目的，数据定位输入的ActiveX 典型程序框图如图10 所示。

图10 数据定位输入的ActiveX 典型程序框图

4 电源自校系统的整体实施效果

基于上述技术方案，已成功研制出直流稳定电源自动化校准系统。本系统主要具备5 个特点：校准信息全程可视化，可实现校准信息的实时查询和动态跟踪；校准过程个性化选择，校准量程通道以及校准项目顺序可自由选择；设备通信智能匹配，可实现通信地址自行识别以及通信串口自动配置；校准数据精准采集，单次测量数据采集6 次，异常采集数据自动剔除；证书制作规范高效，可实现校准数据自行修约，并一键生成证书记录。

通过市场调研，横向对比了国内较为知名的甲、乙2 家计量技术机构有关电源自动化校准系统的实现方式和应用情况，结果如表2 所示。

表2 不同计量技术机构的电源自动化校准系统性能对比

从表2 可以看出，本系统与其他计量技术机构的电源自动化校准系统相比，在证书制作方式、应用范围以及实用性等方面具备一定的优势。为进一步量化对比实施效果，专门抽选了3 台典型型号的电源设备进行测试验证，设备信息明细详见表3。

表3 3 台典型型号电源设备信息明细

针对上述型号的电源，分别采用人工和电源自校系统进行校准并出具证书。人工校准与自动化校准实施数据比对如图11 所示。从图11 可以看出，与人工校准相比，实施自动化校准整体耗时平均减少73%，单日整体工作效率平均提升2.3 倍。从2022 年9 月起，该系统已正式开始用于本单位直流稳定电源的日常校准工作，目前已经可以覆盖本单位90%的电源型号，电源数量覆盖率达到96%，每年预计至少可以节约计量费用30 万元，实际运行效果令人满意。