基于特种车辆计量系统的设计与实现

1、引言
　　
　　在传统的计量工作中，计量人员需要携带大量的标准仪器才能完成所需的计量任务，其中绝大多数工作仍需手工操作仪器面板上的按钮完成，而且需要手工记录、处理，是一个相当繁琐的过程，因此检定速度较慢，对人员的培训比较困难，不利于计量工作在基层单位的开展与推广。

　　本文针对计量工作中存在的上述问题，根据基于PXI技术的模块化仪器发展现状，采用模块化、标准化及组合化的设计思想，研究满足配备的特种车辆及其维修检测设备相适应的计量系统。

2、特种车辆计量保障分析

　　为了加强计量监督管理，规范计量工作，制定了计量条例，开展计量工作的基本任务是按照计量法律、法规和其他有关规定对装备和检测设备进行计量检定、校准，保证其量值的准确可靠。

　　计量测试是检验特种车辆及其检测设备的性能是否可靠，技术状况是否满足使用要求的基本保证。为确保特种车辆在全寿命周期内的性能状态准确可信，保证装备各系统、分系统、设备运行时量值准确一致并具有溯源性，需要实施有效的计量保障[1]。随着特种车辆由机械化向信息化转变，特种车辆所配备的电子设备功能不断增强，数量不断增多，车辆内部需要数据的准确传输，车辆之间的信息需要传输与共享，同时维修检测设备的数据需要保证准确可靠等，这些都需研制相应的计量校准设备给予技术基础保障。

　　由于特种车辆及其检测设备所包含的技术参数较多，其中装备涉及到动力、传动、通信、电器、火控等性能，检测设备包括通用设备与专用设备，其中通用设备有：数字万用表、示波器、函数信号发生器、射频信号发生器等；专用设备包括：电台综合测试仪、仪表校验仪、火控计算机检测仪等，因此所涉及的参数有：直流、交流电压、直流、交流电流、电阻，时间、频率、射频电平、射频功率、调频、失真等，因此所设计的计量系统应能满足这些参数技术指标的计量需求。

3、特种车辆计量系统的总体构成

　　本系统中，由于被校准的信号种类多，参数范围广，技术指标的准确度高，测试状态下的电源、激励、输出信号的特征复杂程度高，这就要求所研制的计量系统必须有很强的适应性，校准能力、分析能力、激励信号源等应能满足各被校准设备的需求，而PXI总线测试平台则可满足上述要求。

　　PXI是PCI在仪器领域的扩展(PCI extensions for instrumentation）[2]，它是1997年9月1日，NI发布的一种全新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步与定时触发总线，软件的功能得到了增强。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台，因此该系统在诸如测试、军事和航空、航天、通信、机器监控、汽车生产及工业测试等各种领域中得到了推广。为此采用以下技术方案。

　　本系统采用以PXI总线系统为基础的综合计量系统，包括硬件系统和软件系统。由于保障特种车辆的一些综合检测设备技术指标较高，单纯采用PXI模块不能满足被校准参数的技术指标要求，因此硬件系统采用PXI模块与GPIB接口仪器相结合的结构；软件系统采用Windows XP操作系统，测试软件开发采用VC作为编程平台,由于该平台建立在开放式的软件体系架构之上，同时为用户定制的测试执行软件和测试工具软件，因此可以提高编程效率。

3.1 系统的硬件构成

　　系统的硬件组成主要有主控计算机、14槽PXI总线机箱、PXI模块采用NI公司的通用计数器模块、数字多用表模块、函数信号发生器模块、通用开关模块、数字输入与输出模块、矩阵开关模块等，GPIB类接口仪器采用8902A接收机、5520A多功能校准源，另外，还需要一些辅助设备：如校准测试接口，键盘、显示器及打印机等。

　　主控计算机一般采用计量系统研制生产时的主流工控机，以便提高该套系统的测量效率和可靠性，并降低系统的成本。PXI－14槽机箱采用NI公司的3U尺寸的PXI—1044机箱，该机箱具有放大、滤波和隔离等功能，内置有高性能的定时和同步装置，而且可以为机箱内的仪器模块提供强制冷却的空气，可以满足系统在噪声、潮湿和振动等恶劣环境下的工作。

　　由于采用的是外置计算机，因此需要在零槽上插入一块MIX-4控制器卡，以实现计算机对PXI模块的控制；通用计数器模块可以实现对音频信号频率、时间间隔的校准；数字多用表模块则完成对装备及其检测设备的激励信号的电压、电流和电阻等的校准；射频信号发生器和通用开关为综合测试仪的校准提供信号激励源；数字输入输出模块完成主控器对校准数据的输入与输出。

　　多功能校准源选用的是福禄克公司的5520A，该设备性能可靠、使用方便、精度较高、可扩展能力强等特点，可以校准5位半以下的数字多用表的直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、电阻以及模拟式多用表等的校准；由于添加了3O0MHz示波器校准模块，因此可以完成对300MHz以下的示波器校准。

　　8902A接收机完成对电台综合测试仪的射频频率、功率电平、失真、调制信号的检定/校准；5520A可以提供标准的电压、电流和电阻源信号，完成对数字多用表的电压、电流和电阻的检定、校准，该系统添加了示波器校准模块可以完成对1.1GHz以下示波器的校准。

　　PXI-GPIB卡可以使计算机实现对GPIB 总线仪器的控制，从而完成信号的输出、输入，信号的分析与处理、结果显示与打印等。

　　由于特种车辆的检测设备有的是专用测试设备，各个设备信的输入、输出信号接口类型不统一，接口定义不同，因此需要研制相应的校准接口，以满足特种车辆及其测试设备的技术参数检定/校准需求。该系统的检定/校准原理框图如上图所示。

3.2 系统的软件设计

　　本系统采用Windows XP操作系统，其具有图形用户界面和支持32位程序开发，可以提供安全稳定的操作环境；测试软件开发采用VC，易于实现对PXI模块及通用标准仪器的程控操作；同时，系统采用MicrosoftAccess以提供良好的数据库功能支持，而采用Microsoft word作为生成检定证书和测试报告的工具，因为其具有强大的编辑功能。因此，采用的软件开发平台工具有：

　　（1）操作系统：Windows XP操作系统

　　（2）开发语言：Microsoft VC++6.0

　　（3）数据库：Microsoft Access 2003

　　（4）检定证书生成： Microsoft Word 2003

　　传统的自动测试系统是面向仪器的，软件平台和硬件资源紧密绑定在一起，硬件资源更换必然导致软件平台的更换，带来大量的重复劳动，降低了生产效率。

　　本软件平台的较大特点在于运用了面相信号的思想，屏蔽了对底层硬件的操作细节，极大提高了该软件平台的通用性，可互换性；因此，有效地解决了上述问题。面向信号思想是面向对象思想在测试计量技术领域的实际应用。在基于面向信号软件平台的测试程序中，只包括对测试需求的描述，例如，待产生的信号，待测量的信号，不包括对于仪器的具体操作，从而切断了测试程序和仪器的直接联系，提高测试程序的通用性，可移植性。软件系统主要包括以下一些主要内容：检定/校准管理程序、自检程序、检定/校准程序、数据库程序等。其各部分功能描述入下：

　　1、系统检定/校准管理程序为用户提供一套友好的操作程序界面、完整的控制管理程序，用于完成整个检定系统的管理，包括：整个系统的操作说明和帮助、系统自检程序的调度和管理、各检定/校准子程序的调度和管理以及存储和打印程序的管理等；

　　2、系统自检程序包括用于整套计量系统的自检，主要完成程序的初始化自检、系统各功能模块的自检，用以判断整个计量系统是否工作正常；

　　3、检定/校准程序完成对装备的一些技术参数及各类通用仪器及专用测试设备的检定/校准。由于计量工作要求必须严格遵守各类国家制定的检定规程，以保证整个检定/校准结果的准确、真实和可靠，并且具有可溯源性，因此编制本检定/校准程序时，必须按照相关的检定规程进行编写；如果没有相应的检定规程，必须参照相关的检定规程制定相应的检定/校准程序，并通过相关部门的考核验收；

　　4、仪器驱动程序可以帮助计算机完成对GPIB类接口仪器和各种PXI模块的使用和控制；

　　5、保存和打印程序完成对检定/校准数据的存储和打印管理，按照检定规程要求对检定/校准过程中记录的原始数据进行保存，打印出规范的检定/校准证书。该计量系统的软件流程图如下：

 3.3 检定/校准功能的实现

　　由于本系统所要完成的检定/校准的对象比较多，参数范围广，不便于一一列举，在此仅以通用设备的数字多用表为例，介绍其检定/校准程序的实现过程。数字多用表的参数检定一般包括:直流电压、电流，交流电压、电流以及电阻等的检定。由于不同类型的数字多用表其功能范围和准确度不同，需要对检定/校准程序做出不同的调整，分别根据数字表的使用说明书选择各个范围的量程，采用计算机对5520A进行控制使其输出相应的标准校准信号，通过GPIB卡将标准数据传入被校的数字表，然后对数字表所指示的数据进行存储，并且与标准数据对比，从而可以给出各个量程的检定结果，判断其是否符合技术指标要求，较后给出相应的检定/校准证书或测试报告。检定数字多用表的流程图如下图所示：

 2.3.1 数字多用表的录