基于自动控制的远程计量校准技术研究

徐沛　王文娟

关键词：自动控制；远程；计量校准；研究

中图分类号：TP97 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2023）11-06-06

0 引言

遠程计量校准是借助现代化信息技术远程控制或指导现场完成计量校准的一种工作模式[1]，其具有需求响应快、校准服务周期短、成本低等优点。随着客户对计量校准时间、现场原位计量要求提高，计量机构迫切需要通过远程计量校准的方式开展工作以满足客户需求。远程计量校准主要有两种实现方式：①用远程传递标准量值，直接对仪器设备进行计量校准，这种方式应用范围较窄，主要适合对时间、频率等可传递量值的参数的校准。②通过传递标准器具，现场操作复现标准量值，进而对仪器设备进行计量校准，这种方式应用范围广，但实现较为复杂，对操作人员以及物流、信息流、数据流都有较高的要求。仪器自动控制技术可以降低对操作人员的要求，减少校准过程中的人工操作，消除人工带来的误差，提高计量校准工作的效率及质量。本文基于自动控制技术设计了一种远程计量校准方法，综合考虑了标准器具运输、现场监控、信息安全、校准数据利用等因素，依托我国飞速发展的高速通信网络以及物流服务业，力求为远程计量校准的实施提供较为完整的方案。

1 远程计量校准的发展现状

国际主要研究机构已经启动了远程校准研究并进行了实际应用，美国国家标准与技术研究院（NIST）在远程时间校准、远程频率校准、远程流量计校准及远程GPS 授时校准等方面取得了大量研究成果，其中远程便携式标准器具、远程校准系统等多项研究已经实现了应用。英国国家物理研究所（NPL）对频闪计的远程校准以及远程监控系统设备进行了深入研究，并形成了研究成果。

中国计量科学研究院研究了全球导航卫星系统（GNSS）远程时间频率传递技术和时间传递链路校准技术，研制了具有国际先进水平的高准确远程时间溯源系统，满足了用户对时间频率的准确性、溯源性和稳定性需求。中国计量院已经在黑龙江、新疆和贵州三个省级计量院建立了远程试点站，安装了远程时间频率校准及时间标准装置，同时发布了JJF1206-2008频率标准与数字时钟的远程校准规范。

通过对国内外远程计量校准发展现状的分析可以看出，目前国内对于远程计量校准的应用主要集中在时间、频率的校准领域，其他领域的应用还处在研究阶段。

2 仪器远程自动控制的设计

仪器远程自动控制是计量实验室的控制计算机通过网络远程控制客户现场仪器设备，自动完成操作的过程，如图1 所示。远程自动控制需要解决两个关键问题：一是仪器设备的控制接口、协议与LAN 接口、协议的适配，需要通过仪器接口控制器实现；二是计量校准的自动执行，需要通过控制软件实现。

2.1 接口控制器设计

电子测量仪器的控制接口主要为GPIB、USB、UART 等形式，无法直接接入网络，并且不同接口的底层协议也不相同[2]，特别是GPIB 接口，需要安装底层协议（VISA）才能实现仪器的控制通讯交互[3]。传统的程控方案需要使用不同的线缆以及采用与接口对应的底层通讯协议，才能实现对仪器的控制，显然不适合远程控制。因此需要设计仪器接口控制器，将被控制仪器不同形式的接口转换为LAN 接口，并将通讯协议转换为TCP/IP 协议。接口控制器一端与被控制仪器连接，提供仪器控制需要的USB、UART、GPIB 等接口，另一端通过LAN 接口接入Internet 网络，接收远程计算机的控制指令操作仪器设备，并将测试数据回传。远程计算机与接口控制器按照TCP/IP 协议进行通讯，无需考虑设备的底层通讯协议，只需保持网络畅通，就可以对仪器设备进行控制。

2.1.1 硬件设计

接口控制器采用“微处理器+FPGA”的设计方案，采用赛灵思的XC7K325T 型FPGA，在FPGA 内编写不同接口协议的IP 核用于协议转换。存储器、定时器及不同类型的控制器由FPGA 的内部逻辑单元核提供，CPU 通过Avalon Switch Fabric 总线将存储器、控制器等组件桥接在一起，构成接口协议转换系统。接口控制器除具备硬件接口和通讯协议的转换外，还具备接口挂载仪器设备的自动识别功能、接口挂载仪器设备的注册功能、接口挂载仪器设备的查询功能。接口控制器的硬件设计如图2 所示。

2.1.2 软件设计

接口控制器软件在赛灵思公司的Vivado 平台上，使用Verilog 语言开发。软件采用层次化设计模式，分为执行层、资源层、驱动层、数据交换层。数据交换层是接口控制器软件的核心，基于FPGA 处理器硬件实现数据的运算处理；驱动层实现对不同接口组件的驱动，实现接口控制，执行处理器与接口的通信；资源层包含GPIB、USB、UART 和LAN 组件，实现处理器与GPIB、USB、UART、LAN 等外设的通信；执行层实现命令和数据的发送接收。接口控制器的软件分层架构如图3 所示。

UART 通信通过FPGA 芯片提供的UART 驱动程序，采用标准输入/输出流的方式实现。操作UART 时对其驱动读写数据即可。USB 通信首先由FPGA 芯片发送指令完成对ISP1362 器件的初始化，根据设备描述符完成地址的分配与配置。USB 通信采用中断的方式，分为数据处理与中断服务，当ISP1362 收到输出/输入事务时存储数据，并触发中断，中断服务程序执行相应的操作。GPIB 通信采用中断方式，NAT9914发出的中断信号有发送数据事件（BO）、接收数据时间（BI）、接收数据结束事件（END）、接收GET 命令事件和接收DCAS 命令事件，这些中断信号会触发FPGA的中断，进入中断服务程序，执行相应的操作。GPIB数据通信中断服务流程如图4 所示。

2.2 自动控制软件设计

自动控制软件的主要功能是控制标准器具及待计量仪器设备，执行计量校准任务，完成测量数据的采集、处理，最后生成计量报告。自动控制软件的架构分为界面层、应用层、执行层、资源层、驱动层和数据交换层。界面层完成子系统运行界面以及功能应用的界面搭建。应用层提供子系统功能应用服务。执行层完成功能应用的操作执行，是应用层的具体实现。资源层为应用层及执行层提供必要的资源支持，主要有校准步骤资源、仪器设备控制资源、信息管理表格资源、二次开发函数资源。驱动层实现对仪器设备的驱动。数据交换层连接各功能应用，完成数据跨层、跨系统的交互传递。自动控制软件的层次结构如图5 所示。

自动控制软件分为信息管理、校准检定、二次开发三个子系统，完成远程计量校准中的信息管理[6]、计量任务开发、计量任务执行、计量报告处理、数据分析等工作。信息管理子系统提供被测设备、标准器具、测量记录、证书模板等信息的管理，有信息创建、信息展示、信息编辑、信息查询、信息删除等功能。校准检定子系统执行校准检定任务相关的工作，主要功能是对校准检定项目文件进行任务解析，生成校准检定执行指令序列、编辑校准检定任务参数、配置仪器设备驱动、执行校准检定任务、处理证书报告等。校准检定子系统中底层的仪器控制指令通过TCP/IP 协议发送给接口控制器，由接口控制器进行协议转换，完成仪器控制。二次开发子系统的主要功能是开发仪器驱动、限制规则、项目步骤、报告映射等，为检定校准项目的开发提供资源和平台。二次开发子系统可以提供多样性的系统资源，辅助快速完成计量任务的开发创建，满足计量要求。自动控制软件的工作流程如图6 所示。

3 远程计量校准的总体方案

3.1 实施流程

远程计量校准的实施分为标准器具传递、仪器远程控制和监控、测量数据回传处理三个过程，包括提出计量需求、评估计量需求、发送标准器具及设备、现场配置、自動测量、出具报告等环节，如图7 所示。

3.2 实施方案

根据流程，远程计量校准的实施需要满足两个基本条件：一是仪器设备的远程可控（标准器具和待计量仪器设备均可程控操作，且具有数据接口）；二是计量现场具有网络接入条件，可建立远程连接。

实施远程计量校准需要具备可传递的标准器具、可控的标准器具传递、远程计量过程监控（音视频）设备、可程控的标准器具和被计量仪器设备、现场辅助人员、远程计量校准软件、远程网络环境等要素。远程计量校准的实施方案如图8 所示，主要有以下内容：

⑴ 使用加固和可监控的专用运输箱，通过物流运输的方式传递标准器具；

⑵ 通过专用设备将仪器接口转换为可远程控制的LAN 接口，实现硬件接口和通讯协议的转换；

⑶ 采用身份认证与数据加密处理，满足远程计量数据安全性的要求；

⑷ 使用自动控制软件和监控软件实施并监控远程计量校准过程；

⑸ 对积累的计量校准数据进行分析利用。

3.3 实施关键环节

3.3.1 标准器运输

远程计量校准中，计量机构的标准器具需要通过物流运输发送到客户现场，为便于运输并保护标准器具，需要使用保护面罩和专用运输箱。标准器具的操作面板集合了显示屏、按键、信号端口等，保护面罩能防止操作面板受损。专用运输箱用于放置标准器具，承受运输途中可能的颠簸、碰撞，保护标准器具。

通过设计监控定位装置，监控标准器具的位置，记录标准器具的状态，保障物流运输的安全。监控定位装置安装于专用运输箱内，由定位模块、传感器组、存储单元、供电单元等部分组成。定位模块用于对标准器具进行定位；传感器组包含位置、位移、温湿度等多组传感器，用于记录箱体内温度湿度、倾斜、碰撞等信息。标准器具返回后，计量机构读取监控数据并进行分析，确保运输过程标准器具没有发生异常情况。监控定位装置的结构如图9 所示。

3.3.2 现场监控

计量校准现场的监控使用带有通话装置的监控摄像头，通过远程监控软件实现。监控摄像头通过LAN 接口接入网络，远程监控软件安装于计量机构，通过网络对客户现场计量校准过程的音视频进行全程录制，并与测量数据一起留存，作为远程计量校准的原始信息备案。远程监控软件通过摄像头记录计量校准现场的信息，也可以传输音频，对客户进行远程指导，以保证现场辅助人员正确进行设备连接。远程监控软件的主要功能有远程连接、视频监控、音频通话、音视频录制等。监控软件使用流媒体技术进行音视频数据的传输，可将音视频数据连续实时地传递。远程监控软件的服务框架如图10 所示。

3.3.3 信息安全

接口控制器和监控摄像头等现场设备在与计量实验室的控制计算机进行远程连接时采用安全确认机制，以确保远程连接过程安全有效。控制计算机在接收到现场设备的连接请求后生成连接授权码，发送给现场辅助人员，现场人员输入连接授权码，由计量实验室确认完成设备连接，远程连接交互过程如图11所示。

在远程计量过程中，需要采集标准器具、计量仪器设备、测量数据、现场环境等信息，并通过网络与计量实验室进行数据交互，这些信息为敏感信息，如果泄漏将影响计量机构和企业的信息安全，因此，除控制过程中的身份认证外，还要采用成熟度较高的AES、3DES 等加密算法对远程计量系统中的数据加密，确保远程计量过程中的信息安全。

3.3.4 数据利用

目前我国对绝大多数测试仪器的校准周期只进行了建议，如何对校准周期进行科学规定和调整一直是计量科学研究的热点[3]。远程计量校准实施过程中会积累大量的测量数据及状态数据，这些数据除出具证书报告外，可以借助不断提升的计算机运算能力及数据分析算法进行大数据分析，对被校准设备的性能趋势、标准器具的健康状况、计量需求的预估时长、校准周期等指标进行预测。

预测方法采用按照JJF 139-2005《计量器具检定周期确定原则和方法》进行[4]，采用基于校准参数量值的方法进行预测[5]，分析设备参数的历史校准数据，以测量设备参数历史校准量值及其不确定度作为研究对象，使用威布尔模型进行计算，来预测设备的测量可靠性。威布尔模型如式⑴所示。

其中，β 为形状参数，η 为尺度参数，t 为时间，R₀为初始测量可靠性，一般为90%，R（t）为t 时刻的测量可靠性。用积累的历史计量校准数据，通过回归分析计算威布尔模型各个参数，计算R（t）达到可靠性下限时的时刻t，作为校准日期。同时，不断使用新的计量校准数据更新威布尔模型参数，实现校准周期的动态调整。

4 结束语

本文通过应用仪器自动控制技术设计了远程计量校准方案：①分析了国内外远程计量校准发展现状及目前存在的问题；②设计了接口控制器和自动控制软件，实现了不同类型仪器设备接口、协议的适配和计量校准的自动执行；③研究了远程计量校准中涉及的标准器具运输、现场监控、信息安全、校准数据利用等问题，提高了远程计量校准方案的可行性。

本文基于自动控制的远程计量校准，实现了可操作性强、功能完备、操作简便、资源丰富、自动化程度高的设计目标，适应了计量信息化的发展，满足了客户的需求。同时我们也看到，本文方案还需要根据实际应用情况作出优化，接下来将从提高系统稳定性、可靠性的角度对该方案进行完善。