基于Fluke MET/CAL和5700A的 Agilent 34401A自动校准系统

0 引 言
    “科技要发展，计量须先行”。科学技术的进步，产品质量的提高，可以说，没有精确的计量保障几乎是不可能的。但是，在我国计量界，虽然所使用的标准装置、被检仪表大多已经配备了GPIB、RS232等测试接口，但实际的测试校准过程仍然多数是手工操作。人工操作各种仪器，手工记录测试数据，人工计算测试不确定度等，不仅工作量巨大，而且容易出错。为了能提高效率，广大计量测试人员迫切希望能够有一种简便快捷的方法来帮助他们实现计量自动校准系统的开发和应用。
    本文力图通过介绍校准系统硬件的构成，软件平台的选择，校准校准点的制定，校准软件的设计、校准报告模板的设计等来阐述如何简单快速地组建、设计自动校准系统。
1 系统基本工作原理
    如图1所示，作者组建的自动校准系统硬件包括我所电磁学最高计量标准--美国FLUKE公司的多功能校准源5700A(简称5700A)，被校准的数字电压表美国Agi-lent公司的34401A(34401A)，美国NI公司的USB-GPIB接口卡(简称GPIB卡)，计算机以及打印机组成的。通过安装在计算机中的Fluke公司的MET／CAL校准管理软件平台(简称MET／CAL)及自行编写的34401A校准程序控制整个系统实现自动校准。

    程序首先把所需要的控制指令通过GPIB卡发送给34401A，命令34401A进入所要校准的功能和量程，然后再根据测试的标称值把相应的设置指令通过GPIB卡发送给5700A，命令其输出所要求的测试信号，再把34401A的读数返回给计算机，34401A校准程序根据输出的标称值和标准值即可计算出该校准点的误差等数据，并保存到数据库中。待所有校准点完成后再调用报告模板打印校准报告。

2 系统硬件选择
    Agilent 34401A是一款61／2位精密数字多用表，具有交直流电压、电流、两线和四线电阻等测量功能，电压范围最高可到1000 V，频率范围可达300 kHz，电流可到3 A，电阻可到100MΩ。它具有GPIB，RS-232接口，其指令系统为可编程仪器标准程控指令(SCPI)，兼容性强，方便程控。其直流电压的基本指标是0．0035％读数+0．007％量程。
    Fluke 5700A是一台高精度的多功能校准器。它不仅具有一年0．0007％的直流电压高精度，而且功能非常强大，涵盖了交直流电压、交直流电流、电阻五项功能，可以输出最高到1100 V交直流电压，交流电压频率范围则可从10 Hz～1 MHz变化，电阻输出具有0～100MΩ共18个标准电阻，交直流电流到2．2 A，可以校准71／2位以下的精密数字多用表，具有标准的GPIB接口。要校准34401A，毫无疑问5700A是最佳的选择。
    NI公司的USB-GPIB接口卡通过USB接口连接到计算机，而USB接口无论台式机或最新型的笔记本电脑均可以支持，而且即插即用，其GPIB总线可同时连接16个GPIB设备，使用非常方便。它还具有通信速度快，安全可靠的优点，是当前非常流行的GPIB控制器。
3 系统软件平台选择
    要通过GPIB接口编程控制5700A和34401A，在软件平台选择上可以有多个方案，像Microsoft的VB，VC／C++，NI的LabView等都是不错的选择。但对于普通计量工作者来说，学会这些语言的编程绝非易事。没有一定的编程经验，想完成这个校准软件几乎是不可能的。而作者发现，使用Fluke的MET／CAL校准软件则可以事半功倍，简单快捷的实现系统的要求。
    MET／CAL是我所随5700A一起购买的一套校准管理软件，它内部集成了一个Sybase校准引擎，提供了对包括5700A等校准器的支持，利用其简单易懂的编程语言，类似Basic，可以比较方便的编写多种仪器的校准程序，通过NI的GPIB接口卡或计算机自带的COM串行口对具有GPIB或RS-232接口的仪表实现全自动的计量测试，甚至对没有接口的仪表也可以实现半自动测试。最为人称道的是它还可以按ISO17025的要求，实现对每一个校准点测量不确定度的自动计算，最后利用配套的Crystal Report(水晶报告)软件设计校准证书模板，可以检索MET／CAL产生的校准记录并自动打印出漂亮的符合各单位要求的校准证书，这无疑可以大大减轻编程人员的负担。

4 设计校准点
    根据国家数字多用表的计量检定规程，对34401A进行校准时必须对其交直流电压、电流、电阻测量功能的各个量程进行检定，每个量程测量3～5个点，基本量程测量10个点，直流信号还要对正负满度值进行测量，交流信号要对主要的频率拐点的性能予以验证；同时标准器和被校表之间的指标应满足3～4倍甚至更高的比率，以确保校准的可靠性。
    一般情况下要检查校准器的指标是否可以校准被校表，需要根据每个校准点的标称值来分别计算校准器和被校表的技术指标，查看TUR=被校表指标／校准器指标是否大于4。例如对直流1 V量程的0．5 V校准点来说，34401A年技术指标是±(0．5×0．004％+1×0．0007％)V=±0．000027 V，而5700A的年技术指标是±(0．5×0．0007％+0．000001)V=±0．0000045 V，因此TUR=6，符合校准要求。而MET／CAL则可以直接报告程序中每一点的TUR，不需要用户计算，因此可以很方便的确定校准是否符合校准要求。
    9．001 5700 1 0．500000V 49％79％2W#! Test+Tol 2 Te-005,SysTol 4 5e-006V，TUR60000(≥4.00)。因此，根据34401A各功能的技术指标及5700A多功能校准器的技术指标和输出能力，也结合了我所数字多用表在科研生产中的应用情况制定了各功能的校准点。其中交流电压功能校准点如表1所示。

5 34401A自动校准程序的编写
5．1 34401A的命令集
    在确定了测试顺序后，就要着手查阅34401A的用户手册的程控章节，找到相应测试功能的SCPI指令代码。程序中使用的主要程控命令如表2所示：

5．2 5700A的命令集
    若是用其他语言来编写这个校准程序，还需要查阅5700A的说明书获取控制5700A的各项功能输出的GPIB指令。但在MET／CAL中，就无需这个过程了。由于MET／CAL已能够直接支持5700A，即已经为其定义了5700FSC(Function Selection Code功能选择代码)，因此只需查阅MET／CAL的帮助文件获取各项功能的关键字即可实现对5700输出的控制。同时MET／CAL自动将5700A的指标传递给系统以方便计算测试不确定度。如“5700 1．000000V 20kHz 2W”表示“5700A以方式输出交流电压1V@20kHz”。
5．3 MET／CAL的部分命令集
    在MET／CAL中无需自行设计图形界面，只需用系统定义的关键字输出相应的提示语句，标题栏等系统即可以标准对话框的形式或固定格式显示出来。测试结果会在已定义好的窗口中直接按标准格式显示，等措施都大为简化了程序的设计，并且保证了所有的MET／CAL程序都具有统一的运行风格。比如“VSET Nthrow＝1Nmeas＝6”是一条全局有效指令，设置在每一个校准点都会自动抛弃第一个可能不够稳定的读数，然后再自动测量六个读数用于计算校准不确定度。
5．4 编写34401A的自动校准程序
    在编写校准程序前，先要详细阅读5700A、34401A的软件说明书。在获得了被校表和标准器各项功能和输出的控制指令后，再通过熟悉MET／CAL程序的各项指令及FSC的用法之后，依照前面定义的每个功能的校准点，测试指标、校准点的分辨率等信息就可以着手编写校准程序了。
    首先用ASK指令设置一些测试方式，然后显示基本的安全操作信息和仪表的参数设置，再根据34401A的测试功能表，进行直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、四线电阻和两线电阻六个功能的测量校准，实现对每个校准点的检定。由于已用VSET指令设置了每个校准点的数据分别测量6次，并且用ASK+K指令激活了测量不确定度的计算，因此在每个校准点，MET／CAL都会自动求得这六个测量值的平均值进行评定，如评定不合格，通过Target指令控制实现重复测试。同时系统会计算得出各A类、B类测量不确定度分量并合成为扩展不确定度。程序流程图如图2所示，其中每个校准点都是依据基本相同的流程进行的。
    34401A校准程序中直流电压100 mV量程的一个校准点程序片段和注解如表3所示。

    完整程序因篇幅原因，此处略去。

6 执行校准程序
    34401A校准程序编写完成后，可以在MET／CALRuntime环境下运行该程序，按照程序的要求创建被校表的资产记录，选择GPIB接口，连接测试线等，程序会自动控制整个系统进入校准状态，逐一测试完毕，校准结果就存入了MET／CAL所定义的Sybase数据库中，方便随时调出查阅，打印报告。程序运行界面如图3所示。

7 设计校准报告证书模板
    要输出测量结果，可以调用MET／CAL自定义的Crystal Report(水晶报告，MET／CAL附带的所见即所得高级报告软件)证书模板，也可以使用自定义模板。自定义模板可以自行创建，也可以在MET／CAL的标准模板基础上稍加修改，然后另存即可。具体做法就是打开一个空模板或标准模板，首先根据各单位实际的校准证书式样在Crystal Report下编辑生成一个新的证书文件，然后将相应的校准引擎的Sybase数据库字段一一插入到证书的相应位置，如资产号，生产厂家，校准时间，校准环境条件，校准程序名，校准标准编号、有效期时间以及详细的校准数据等，并不断调整格式、位置等使其与实际证书相仿。最后编辑完毕后保存证书模板。以后当校准程序执行完毕，调用这个证书模板即可输出实际结果的校准证书，如图4所示。

8 结束语
    该自动校准系统具有数据可靠、操作方便、功能齐全等优点，测试完毕可以报告出每一个校准点的测量不确定度，完全贯彻了ISO17025的要求。同时，该程序具有简单易懂、容易修改的特点，可以非常方便地克隆到满足其他型号数字多用表的校准。该自动校准系统保证了系统的测量精度，减少了人工操作，大约在20分钟的时间完成以上所定义的约110个校准点的校准，并且直接打印出测量不确定度报告，可以极大的提高计量工作的效率。