摘 要：数字多用表由于准确度高、测量范围宽、测量速度快、体积小、抗干扰能力强、使用方便等特点而广泛应用于国防、科研、工厂、学校、计量测试等技术领域。为了满足种类繁多、接口不一的数字多用表的现场计量校准需求，需要对通用数字多用表自动校准硬件平台及其综合校准软件程序进行研究，借鉴工业控制自动化领域组态的思想构建校准测试系统，站在系统的高度上，完成数字多用表的组态校准平台的构建。
0 引言
数字多用表是相关电子设备科研生产的必备测试设备，随着科技发展和使用环境要求的不同，不断涌现新功能、新性能、新接口的数字多用表，并大量应用于电子行业。数字多用表自动校准技术发展到现在，已经相当成熟，但总体来讲，一般的自动校准系统多是针对特定设备的专用测试系统，随着被测对象的改变，要重新选择相应的仪器总线标准，更换硬件接口设备及其驱动；且相应的自动校准流程、数据处理都需要重新进行修改，其校准系统开发周期长、应用面窄、适应性差的缺点并未得到根本改善。
为实现新型数字多用表的自动校准，尽量减小因数字多用表的计量工作对科研生产进度的影响，迫切需要对通用数字多用表自动校准硬件平台及其综合校准软件程序进行研究，完成数字多用表的组态校准平台的构建。
1 组态校准平台的构成
平台由 USB、GPIB、LAN、RS232、数字 I/O 等多种总线仪器组成，以 USB主控制机为中心控制器，基于模块化、开放化的设计思想，构建了数字多用表的组态校准平台。平台构成包含相应的接口适配器平台，将USB、GPIB、LAN、RS232、数字I/O等多种总线仪器转换为USB总线接口。
1.1 USB 主控制机接口设计
USB 串行通信接口采用的是 Cypress 公司的 CY7C68013芯片，能够充分实现 USB2.0（2000 版） 协议，并向下兼容USB1.1。
CY7C68013 芯片包括 3 种可用的接口模式：端口、GPIF主控和从 FIFO。在“端口”模式下，外部逻辑或外部处理器直接与 FX2 端点 FIFO 相连，外部逻辑可直接控制 FIFO。“GOEF 主控”接口模式使用 PORTB 和 PORTD 构成通向 4 个FX2 端点 FIFO（EP2、EP4、EP6 和 EP8）的 16 位数据接口，以实现多种复杂的控制时序和高速数据传输。
1.2 GPIB 总线协议的实现
GPIB 总线目前仍是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。利用 GPIB 专用芯片实现 GPIB 接口功能，这是目前最主要的GOIB 接口实现方法。现在生产的计算机、测试仪器上的 GPIB 接口电路，绝大多数采用专用芯片实现。系统采用 NI 公司的 NAT9914 完成 GPIB 接口功能，能够实现 IEE488.2 所定义的讲者、听者、控者等的全部接口功能。
系统中，NAT9914 接口通过 USB接口单片机 CY7C68013读取 / 写入其内部寄存器来实现。单片机的地址线与NAT9914 的寄存器选择端 RSO－RS2 直接相连。设计时应注意NAT9914 与单片机间的数据总线的最高位为 DO 位。母线收发器采用专用于与 NAT9914 配合使 用 的 、 适 用 于IEEE- 488 总线的、高速低功耗 8 路总线接口收发器集成电路SN75160B、SN75162B。其中，SN75160B 为数据总线的收发门器件，SN75162B 为控制总线的收发器。
2 组态功能设计
由于实际的数字多用表的校准工作因表而异，需要各种系统资源配置、校准流程、数据处理的重新组合，利用组态设计大大提高了自动校准的开发效率。
2.1 组态的概念
组态的概念来源于英文 configuradion，是随着集散式控制系统（DCS）的出现而逐渐被人们所认识的。在工控领域是指使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使用计算机或软件按照预先的设置自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。
2.2 组态设计的实现
构建的组态校准平台是指通过对丰富的、标准化的总线仪器以及强大的功能软件模块的优化配置，在计算机软件平台下实现可视化的、图形化的、自动校准流程的生成，组态校准可以适应多变的测试对象和测试流程，用户可在组态校准平台下，采用搭“积木”的方式，以图形化的形式，自由配置出符合测试需求的自动校准系统，通过简单而友好的人机交互，让软件系统自动生成校准流程，并最终完成校准。
组态软件与传统应用软件的区别在于它针对使用有更好的适应性。尽管组态软件的底层执行代码是固定的，但是它允许用户在其应用界面上进行接口资源和校准流程的图形化配置、编程。当应用对象发生变化时，用户可以通过提供的组态工具方便地输入变化参数或调整执行程序重新生成适用的程序，而传统应用软件往往不能适应这种变化，需要重新编写程序或者修改源代码。
2.2.1 总线资源组态
传统校准系统没用统一的硬件测试平台，针对不同总线仪器校准需要配备不同的接口适配器，其接线较为混乱，容易出现差错，程序设计也相对复杂，使得试验现场校准的难度增大。而组态校准平台由 USB、GPIB、LAN、RS232、数字 I/O等多种总线仪器组成，完成不同类型仪器的校准过程不需要更换硬件平台，系统在多总线接口适配器硬件支持的基础上，可以任意组合总线资源，满足校准需求，无需再更换接口适配器硬件设备。而其底层的接口驱动和用户应用程序均会根据用户的选择相应配置，也不用再重新编写相应程序。
2.2.2 校准流程组态
该组态是按照相应校准规范设计的，是实现校准功能的核心所在。该组态可以理解为由过程组态和功能组态组成。
过程组态是用户通过简单的人机交互，由组态校准软件自动完成校准仪器的配置并生成自动校准流程。在组态校准中，对仪器的每个具体操作步骤均由相应的控制功能模块来完成，而完成对仪器所有校准功能的控制模块的设计即是功能组态。
2.2.3 数据处理组态
在校准过程中获取大量的实时测试数据是最终的目的，并以此来判断被校仪器是否合格，因此，数据处理也是组态校准平台的一个重要组成部分，对这些实时数据进行处理至关重要。平台中数据处理组态包括数据显示模块、数据库操作模块、误差计算模块、不确定度分析模块、报告生成模块。通过数据处理组态的各个功能模块的组合实现一般需求。
3 系统验证
组态校准系统如果应用于计量校准机构进行数字多用表的校准工作，其工作性能和可靠性至关重要。在标准实验室校准条件下（温度为21℃，湿度为 53%RH），笔者进行了大量校准试验，确定其硬件平台可以稳定工作；通过对不同型号数字多用表的各种组态设计，逐步完善相应组态功能，实现人机良性互动，而校准过程则充分展示其方便实用的优越性。
整个平台已完成了USB、GPIB 和 RS232 的硬件适配器设计及相应的总线资源组态，在组态校准平台下，选用FLUKE 公司新型 6 位半数字多用表 8845A 为被检仪器，以多功能校准器5700A 作为标准器，总线资源组态选用 GPIB，在实验室标准条件下进行校准试验，以不确定度分析模块的计算结果来验证其数据处理组态的合理性。由于在标准实验室条件下校准，所以温湿度及电网电压等因素带来的影响可以忽略不计。
3.1 数字模型
设 5700A输出直流标准电压为 Vn，Vx为被检直流数字电压表上相应的指示值,则被检直流数字电压表指示值的误差为：
为说明分析的有效性，在相同条件（人员、仪器、标准、环境）下进行比对验证试验。试验结果证明，组态校准平台下自动校准与不利用组态校准平台对被校仪器进行手动校准两种方式给出的校准结论相符，校准数据最大相差 3 个字，校准结果的一致性较好。
4 结束语
建立一套通用数字多用表的组态校准平台，满足了种类繁多、接口不一的数字多用表的现场计量校准需求，实现了校准平台的开放化和通用性，大大提高了自动校准系统的开发效率，同时可以推广到其他仪器仪表的校准工作中。
本文作者：成 静
