摘要：针对ATS系统模块多、校准数据量大及现场校准需求，基于COM组件技术设计和实现了现场校准系统软件。软件采用了基于组件的设计模式，使得本系统具有良好的结构性、扩展性和可维护性。该系统能有效地提高校准工作效率，最大程度地体现了ATS的原位误差情况，保证了校准数据的可靠性和精确性。
关键词：现场校准系统；软件结构设计；组件技术
中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）08-0127-03
0引言
目前主流的自动测试系统（简称ATS）是基于VXI、PXI等测试总线，由模块化的仪器、设备所组成。这类ATS具有数据传输率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻，系统组件灵活，扩展容易，资源重复性好，标准化程度高等优点，因此被广泛用于各种工业现场。针对这类自动测试系统的校准具有规模大、种类多、测试量大的特点，手动校准已不满足需求。另外，单个模块的校准不足以体现工作时的误差情况。因此，本文中VXI现场校准系统的设计是为了完成该系统的现场自动化校准工作。
1VXI现场校准系统的组成
本系统主要由硬件设备、校准软件和可移动控制台组成，它们各自承担着不同的任务和功能，协同完成计量任务。系统结构如图1所示。
硬件设备主要包括校准设备、总线控制器、计算机、程控校准适配器及专用电缆等。硬件设备都安装在可移动控制台上。可移动控制台为柜式小车结构，能移动到现场进行校准工作。使用时将控制台推到现场，仅需用配套电缆将被校设备连接到计算机和程控适配器上，通过校准软件控制校准设备、被校设备和程控校准适配器共同协作完成相关校准工作。
2现场校准系统的软件设计
本系统的校准工作由计算机软件控制完成。
本校准软件能够进行单模块校准和整机校准两种计量流程执行模式。根据用户选择的被校设备由软件选择控制相应的校准设备，并切换对应的通道进行校准。可自动完成对数表模块、AD模块、DA模块、数字IO模块、角度模块和转换开关模块等八个模块的校准工作，同时对测试数据进行妥善保存，提供查询、回放，并可按被校准设备校准规范格式对被校准设备进行数据分析、制作报表及打印等功能。
为了保证各模块的独立性，以便于对软件系统进行升级和根据用户的需求进行修改，校准软件采用组件（COM）技术构建，各主要模块均由组件模块实现。采用组件方式主要是为了便于根据用户的要求进行升级和修改。当用户的需求发生变化，或需要增加新的被测试设备时，只需要对所涉及的组件进行升级，或增加新的组件模块，而不需要对整个校准软件进行修改和编译。
为保证本项目的软件方案不随着组件数量的增加而变得过于庞大，本项目建立两个方案（Solution），其中一个方案涵盖所有测试设备的组件，作为服务器端解决方案。在调试过程中根据需要将所需的组件工程加入该方案。在本项目中用户主界面作为一个客户端（Client）放在第二个方案中，作为客户端解决方案。用户通过其发出请求，再通过接口调用服务器端解决方案中的组件完成相关工作。校准软件中的其它功能，如校准项目管理、测试结果的存储和查询等也作为组件模块。整个项目的结构如图2所示。
项目中所有的功能均做成组件，共分为三类：被校设备、标准设备和系统维护组件。三类组件通过相应的接口进行连接。组件总体结构如图3所示。
图3中每个框图代表一个组件。各组件的仅与其上一级组件建立连接关系，如被校设备接口、校准设备接口和系统维护接口都直接与客户端连接，客户端对这三个组件进行接口调用，接口关系如图4所示，图中实线表示组件接口调用，虚线表示源对象对接收对象的调用。
除被校设备接口组件部分稍有不同，其他上下级组件的关系均与客户端组件类似。图5是被校设备接口组件的调用关系。
通过上述的组件结构设计，当新增被校设备时仅需要增加该设备组件，同时在上一级接口组件中进行相应的添加并编译，就能完成软件的扩展。当校准设备升级时也同样方便，仅需要更新校准设备组件即可完成升级。因此，本系统具有良好的可扩展性和维护性。
3现场校准系统的软件实现
根据上述的组件设计，系统软件的客户端流程图如图6。
软件运行时客户端首先初始化界面，包括校准界面和维护界面。
当客户端发出“校准”请求时，软件通过被校设备接口调用客户端所选择的被校设备组件进行校准。再由所选的被校设备组件通过接口调用所需的校准设备组件，共同完成整个校准过程。校准数据则通过调用相关维护组件完成存储和打印等功能。而当客户端发出“维护”请求时，软件则调用系统维护组件，完成客户端选择的维护功能。
本系统中每个被校设备的校准过程因设备特点不尽相同，但主要的校准过程类似，流程图如图7所示。
系统中设备多样化，因此根据不同的特点上述校准过程可能会有少许变动。例如用标准设备5440B和Keithely2000校准96通道IO AgilentE1458时，需要校准每个通道的高电平输入（Hin）、低电平输入（Li）、高电平输出（Hout）和低电平输出（Lout） 这4个测量点。Hin和Lin需要5440B分别输出一个5V和0V的直流电压给该通道，而Hout和Lout则是E1458分别输出高低电平给Keithely2000测量。如果按照通道的顺序依次测量4个点，会导致5440B不断地变换输出电压，而且适配器也要不断地将Keithely2000和5440B交错的切换到E1458的通道上。如按这种校准顺序校准E1458的96个通道，对标准设备和适配器都是极不合理和极不安全的，因此从保护设备和合理安排校准过程的角度考虑都要对被校项目进行流程调整。
4现场校准系统的验证
图8是本系统工作照片。小车平台右上方是被校设备（VXI机箱）。中间左侧为校准程控适配器，右侧和最下一层都是标准设备。
本系统易于移动，能够进行现场校准工作。目前对VXI设备的校准通常是针对单个VXI设备进行的，而本系统直接连接VXI机箱（即整个自动测试系统ATS）进行校准，能更准确地体现各个VXI设备原位误差情况。
此外，针对多通道、大数据量的VXI设备在校准工作中存在的人工校准工作量大、效率低等问题，在该系统中也有很大程度的提高。例如，本系统中有96通道I/O模块，64通道A/D模块及16通道D/A模块等通道多、数据量大的设备，人工校准需要1-2个工作日才能完成，使用本系统自动校准最多半小时即可完成（包括生成证书工作）。
为更准确地体现本系统的优点，下面以数字多用表E1412A为例进行验证。软件初始化后，选中E1412A后，界面右侧上方会从数据库中读取并罗列出可校准项目。由用户选择单个项目或多个项目进行校准。校准开始后界面右侧下方会实时显示校准点信息和校准结果。（图9）
E1412A的校准工作包括1V、10V和100V量程的直流电压校准，1V、10V、100V和120V量程的交流电压校准及400Hz频率校准工作，还要计算常用量程的测量点不确定度，最后生成校准证书。人工校准一般需要1个工作日，而本系统的总耗时不到2分40秒。由此可看出，本校准系统具有校准工作自动化程度高、校准效率高等优点。
选择最常用的直流10V量程校准情况进行分析，测试结果如表1所示。
测试结果可看出所有的测量点均顺利通过。另外，在该量程10V测量点的不确定度为0.0003V，校准结果良好。
综上所述，VXI现场校准系统具有校准工作自动化程度高、校准效率高、校准结果准确等优点。此外，校准软件因采用了COM组件技术构建，设备之间彼此相对独立，使得系统具有良好的可扩展性和维护性。
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