基于Fluke MET/CAL和5700A的 Agilent 34401A自動校準系統

0 引 言
“科技要發(fā)展，計量須先行”。科學技術的進步，產品質量的提高，可以說，沒有精確的計量保障幾乎是不可能的。但是，在我國計量界，雖然所使用的標準裝置、被檢儀表大多已經配備了GPIB、RS232等測試接口，但實際的測試校準過程仍然多數是手工操作。人工操作各種儀器，手工記錄測試數據，人工計算測試不確定度等，不僅工作量巨大，而且容易出錯。為了能提高效率，廣大計量測試人員迫切希望能夠有一種簡便快捷的方法來幫助他們實現計量自動校準系統的開發(fā)和應用。
本文力圖通過介紹校準系統硬件的構成，軟件平臺的選擇，校準校準點的制定，校準軟件的設計、校準報告模板的設計等來闡述如何簡單快速地組建、設計自動校準系統。
1 系統基本工作原理
如圖1所示，作者組建的自動校準系統硬件包括我所電磁學最高計量標準--美國FLUKE公司的多功能校準源5700A(簡稱5700A)，被校準的數字電壓表美國Agi-lent公司的34401A(34401A)，美國NI公司的USB-GPIB接口卡(簡稱GPIB卡)，計算機以及打印機組成的。通過安裝在計算機中的Fluke公司的MET／CAL校準管理軟件平臺(簡稱MET／CAL)及自行編寫的34401A校準程序控制整個系統實現自動校準。

程序首先把所需要的控制指令通過GPIB卡發(fā)送給34401A，命令34401A進入所要校準的功能和量程，然后再根據測試的標稱值把相應的設置指令通過GPIB卡發(fā)送給5700A，命令其輸出所要求的測試信號，再把34401A的讀數返回給計算機，34401A校準程序根據輸出的標稱值和標準值即可計算出該校準點的誤差等數據，并保存到數據庫中。待所有校準點完成后再調用報告模板打印校準報告。

2 系統硬件選擇
Agilent 34401A是一款61／2位精密數字多用表，具有交直流電壓、電流、兩線和四線電阻等測量功能，電壓范圍最高可到1000 V，頻率范圍可達300 kHz，電流可到3 A，電阻可到100MΩ。它具有GPIB，RS-232接口，其指令系統為可編程儀器標準程控指令(SCPI)，兼容性強，方便程控。其直流電壓的基本指標是0．0035％讀數+0．007％量程。
Fluke 5700A是一臺高精度的多功能校準器。它不僅具有一年0．0007％的直流電壓高精度，而且功能非常強大，涵蓋了交直流電壓、交直流電流、電阻五項功能，可以輸出最高到1100 V交直流電壓，交流電壓頻率范圍則可從10 Hz～1 MHz變化，電阻輸出具有0～100MΩ共18個標準電阻，交直流電流到2．2 A，可以校準71／2位以下的精密數字多用表，具有標準的GPIB接口。要校準34401A，毫無疑問5700A是最佳的選擇。
NI公司的USB-GPIB接口卡通過USB接口連接到計算機，而USB接口無論臺式機或最新型的筆記本電腦均可以支持，而且即插即用，其GPIB總線可同時連接16個GPIB設備，使用非常方便。它還具有通信速度快，安全可靠的優(yōu)點，是當前非常流行的GPIB控制器。
3 系統軟件平臺選擇
要通過GPIB接口編程控制5700A和34401A，在軟件平臺選擇上可以有多個方案，像Microsoft的VB，VC／C++，NI的LabView等都是不錯的選擇。但對于普通計量工作者來說，學會這些語言的編程絕非易事。沒有一定的編程經驗，想完成這個校準軟件幾乎是不可能的。而作者發(fā)現，使用Fluke的MET／CAL校準軟件則可以事半功倍，簡單快捷的實現系統的要求。
MET／CAL是我所隨5700A一起購買的一套校準管理軟件，它內部集成了一個Sybase校準引擎，提供了對包括5700A等校準器的支持，利用其簡單易懂的編程語言，類似Basic，可以比較方便的編寫多種儀器的校準程序，通過NI的GPIB接口卡或計算機自帶的COM串行口對具有GPIB或RS-232接口的儀表實現全自動的計量測試，甚至對沒有接口的儀表也可以實現半自動測試。最為人稱道的是它還可以按ISO17025的要求，實現對每一個校準點測量不確定度的自動計算，最后利用配套的Crystal Report(水晶報告)軟件設計校準證書模板，可以檢索MET／CAL產生的校準記錄并自動打印出漂亮的符合各單位要求的校準證書，這無疑可以大大減輕編程人員的負擔。

4 設計校準點
根據國家數字多用表的計量檢定規(guī)程，對34401A進行校準時必須對其交直流電壓、電流、電阻測量功能的各個量程進行檢定，每個量程測量3～5個點，基本量程測量10個點，直流信號還要對正負滿度值進行測量，交流信號要對主要的頻率拐點的性能予以驗證；同時標準器和被校表之間的指標應滿足3～4倍甚至更高的比率，以確保校準的可靠性。
一般情況下要檢查校準器的指標是否可以校準被校表，需要根據每個校準點的標稱值來分別計算校準器和被校表的技術指標，查看TUR=被校表指標／校準器指標是否大于4。例如對直流1 V量程的0．5 V校準點來說，34401A年技術指標是±(0．5×0．004％+1×0．0007％)V=±0．000027 V，而5700A的年技術指標是±(0．5×0．0007％+0．000001)V=±0．0000045 V，因此TUR=6，符合校準要求。而MET／CAL則可以直接報告程序中每一點的TUR，不需要用戶計算，因此可以很方便的確定校準是否符合校準要求。
9．001 5700 1 0．500000V 49％79％2W#! Test+Tol 2 Te-005,SysTol 4 5e-006V，TUR60000(≥4.00)。因此，根據34401A各功能的技術指標及5700A多功能校準器的技術指標和輸出能力，也結合了我所數字多用表在科研生產中的應用情況制定了各功能的校準點。其中交流電壓功能校準點如表1所示。

5 34401A自動校準程序的編寫
5．1 34401A的命令集
在確定了測試順序后，就要著手查閱34401A的用戶手冊的程控章節(jié)，找到相應測試功能的SCPI指令代碼。程序中使用的主要程控命令如表2所示：

5．2 5700A的命令集
若是用其他語言來編寫這個校準程序，還需要查閱5700A的說明書獲取控制5700A的各項功能輸出的GPIB指令。但在MET／CAL中，就無需這個過程了。由于MET／CAL已能夠直接支持5700A，即已經為其定義了5700FSC(Function Selection Code功能選擇代碼)，因此只需查閱MET／CAL的幫助文件獲取各項功能的關鍵字即可實現對5700輸出的控制。同時MET／CAL自動將5700A的指標傳遞給系統以方便計算測試不確定度。如“5700 1．000000V 20kHz 2W”表示“5700A以方式輸出交流電壓1V@20kHz”。
5．3 MET／CAL的部分命令集
在MET／CAL中無需自行設計圖形界面，只需用系統定義的關鍵字輸出相應的提示語句，標題欄等系統即可以標準對話框的形式或固定格式顯示出來。測試結果會在已定義好的窗口中直接按標準格式顯示，等措施都大為簡化了程序的設計，并且保證了所有的MET／CAL程序都具有統一的運行風格。比如“VSET Nthrow＝1Nmeas＝6”是一條全局有效指令，設置在每一個校準點都會自動拋棄第一個可能不夠穩(wěn)定的讀數，然后再自動測量六個讀數用于計算校準不確定度。
5．4 編寫34401A的自動校準程序
在編寫校準程序前，先要詳細閱讀5700A、34401A的軟件說明書。在獲得了被校表和標準器各項功能和輸出的控制指令后，再通過熟悉MET／CAL程序的各項指令及FSC的用法之后，依照前面定義的每個功能的校準點，測試指標、校準點的分辨率等信息就可以著手編寫校準程序了。
首先用ASK指令設置一些測試方式，然后顯示基本的安全操作信息和儀表的參數設置，再根據34401A的測試功能表，進行直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、四線電阻和兩線電阻六個功能的測量校準，實現對每個校準點的檢定。由于已用VSET指令設置了每個校準點的數據分別測量6次，并且用ASK+K指令激活了測量不確定度的計算，因此在每個校準點，MET／CAL都會自動求得這六個測量值的平均值進行評定，如評定不合格，通過Target指令控制實現重復測試。同時系統會計算得出各A類、B類測量不確定度分量并合成為擴展不確定度。程序流程圖如圖2所示，其中每個校準點都是依據基本相同的流程進行的。
34401A校準程序中直流電壓100 mV量程的一個校準點程序片段和注解如表3所示。

完整程序因篇幅原因，此處略去。

6 執(zhí)行校準程序
34401A校準程序編寫完成后，可以在MET／CALRuntime環(huán)境下運行該程序，按照程序的要求創(chuàng)建被校表的資產記錄，選擇GPIB接口，連接測試線等，程序會自動控制整個系統進入校準狀態(tài)，逐一測試完畢，校準結果就存入了MET／CAL所定義的Sybase數據庫中，方便隨時調出查閱，打印報告。程序運行界面如圖3所示。

7 設計校準報告證書模板
要輸出測量結果，可以調用MET／CAL自定義的Crystal Report(水晶報告，MET／CAL附帶的所見即所得高級報告軟件)證書模板，也可以使用自定義模板。自定義模板可以自行創(chuàng)建，也可以在MET／CAL的標準模板基礎上稍加修改，然后另存即可。具體做法就是打開一個空模板或標準模板，首先根據各單位實際的校準證書式樣在Crystal Report下編輯生成一個新的證書文件，然后將相應的校準引擎的Sybase數據庫字段一一插入到證書的相應位置，如資產號，生產廠家，校準時間，校準環(huán)境條件，校準程序名，校準標準編號、有效期時間以及詳細的校準數據等，并不斷調整格式、位置等使其與實際證書相仿。最后編輯完畢后保存證書模板。以后當校準程序執(zhí)行完畢，調用這個證書模板即可輸出實際結果的校準證書，如圖4所示。

8 結束語
該自動校準系統具有數據可靠、操作方便、功能齊全等優(yōu)點，測試完畢可以報告出每一個校準點的測量不確定度，完全貫徹了ISO17025的要求。同時，該程序具有簡單易懂、容易修改的特點，可以非常方便地克隆到滿足其他型號數字多用表的校準。該自動校準系統保證了系統的測量精度，減少了人工操作，大約在20分鐘的時間完成以上所定義的約110個校準點的校準，并且直接打印出測量不確定度報告，可以極大的提高計量工作的效率。