一种基于LabVIEW开发环境的直流稳定电源自动化校准系统.pdf

电子与封装第2 3 卷，第7 期Vol.23,No.7产品一种基于LabVIEW开发环境的直流稳定电源自动化总第2 43 期ELECTRONICS&PACKAGING2023年7 月用校准系统凌勇，袁鹤龄，陆敏玉（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡2 140 3 5)摘要：为了利用自动化设备替代人工进行电源校准工作，基于LabVIEW开发环境设计了直流稳定电源自动化校准系统，从而实现校准过程整体效能的提升。该自动化校准系统的设计可分为校准启动、校准作业以及校准收尾3 大过程，对每个过程的典型技术难点和实现方案分别进行了阐述。针对单台不同类别电源校准耗时和单日不同类别电源校准件数2 项指标，将自动化校准与传统人工校准进行数据对比，凸显出应用直流稳定电源自动化校准系统进行校准的巨大优势。关键词：LabVIEW；直流稳定电源；自动化校准中图分类号：TM930.9D0I:10.16257/ki.1681-1070.2023.0085中文引用格式：凌勇，袁鹤龄，陆敏玉.一种基于LabVIEW开发环境的直流稳定电源自动化校准系统.电子与封装，2 0 2 3，2 3(7):0 7 0 50 1.英文引用格式：LING Yong，YU A N H e l i n g,LU M i n y u.A u t o m a t i c c a l i b r a t i o n s y s t e m o f D C s t a b i l i z e d p o w e r s u p p l ybased on LabVIEW development environmentJ.Electronics&Packaging,2023,23(7):070501.Automatic Calibration System of DC Stabilized Power Supply Based on(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China)Abstract:The purpose of the automatic calibration system of DC stabilized power supply based on LabVIEWdevelopment environment is to replace the manual power supply calibration work with automatic equipmentand to achieve the improvement of the overall efficiency of the calibration process.The design of theautomatic calibration system can be divided into three major processes:calibration start-up,calibrationoperation and calibration finish.The typical technical difficulties and implementation solutions for eachprocess are described separately.The data comparison between the automatic calibration and the traditionalmanual calibration of time consumption of single power supply calibration of different categories and thenumber of different power supply calibration units in a single day highlights the great advantages of applyingthe automatic calibration system of DC stabilized power supply for calibration.Keywords:LabVIEW;DC stabilized power supply;automatic calibration文献标志码：ALabVIEW Development EnvironmentLING Yong,YUAN Heling,LU Minyu文章编号：16 8 1-10 7 0（2 0 2 3）0 7-0 7 0 50 1收稿日期：2 0 2 2-11-0 9E-mail:凌勇070501-1第2 3 卷第7 期1引言直流稳定电源广泛运用于科研生产型企业，随着科技的发展，直流稳定电源正朝着智能化、高精度、多通道、宽量程的趋势发展。目前国内直流稳定电源的量值溯源标准主要依据是JJF1597直流稳定电源校准规范以及JJG772015直流稳压电源检定规程。以JJF1597为例，一个单通道单量程的直流稳定电源全套校准项目共有13 项，对于一个多通道多量程的直流稳定电源来说，整个校准项目总数一般是13的整数倍。如果采用传统的人工校准，非常耗费时间和人力，而且电源量程通道数量越多，出错的概率越大。电源产品不仅数量多、型号杂，而且为避免影响正常生产，电源产品使用人员往往需要尽可能加快电源校准整体作业速度。在此背景下，直流稳定电源自动化校准系统(简称电源自校系统)的研发需求变得日益迫切。经调研，直流稳定电源目前普遍配置至少一类程控通信接口(RS232、G PI B、U SB），并且大部分程控仪交流调压器被测直流电源电子与封装器都支持可编程仪器标准命令(SCPI)2。针对现今较为主流的编译软件(VC、.NET、C+等），通过适用度、可编程性等综合因素的比较分析，本文最终选择以LabVIEW作为软件开发平台。LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能。LabVIEW配备了种类丰富、功能强大的可扩展函数库和子程序库，可用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制以及数据分析、显示和存储等3 。综上所述，基于电源类产品普遍具备可程控化的特点以及LabVIEW软件出色的测控编译性能，本文介绍了一款直流稳定电源自动化校准系统。2电源自校系统的主体结构电源自校系统的主体结构如图1所示，分为硬件部分和软件部分，表1为电源自校系统的主要构成明细表。标准电压表标准电子负载 转USB,USB转USB校准证书模板+校准记录模板一070501-2针对各阶段较典型的技术难点和解决方案进行阐述。3.1校准启动阶段该阶段的主要任务是实现校准启动过程信息的导入，导入信息包括被校电源的特征信息、程控指令以及各项技术参数。其技术难点主要在于市面上电源型号、种类繁多，因此需要建立一套较为简单、完备的编码规则，针对各类电源的主要校准信息以标准化格式录入，在数据库中也需要构建一个较为合理且对应关系清晰的数据结构模型，从而确保LabVIEW主体程序能够从数据库中准确地识别和提取所需要的相关信息。为解决上述技术难点，主要采取了2 条解决措施。3.1.1制定电源信息编码规则本系统采用了双字段编码方式，具体格式为第2 3 卷第7 期XXXX-ni-n2-n3-n4。其中,XXXX代表电源型号字段，主要由数字、英文字母或特殊字符组成，一般是直接引用电源厂商的编号规则。需要注意的是，如果厂商提供的型号名称包含“”，需要将其替换成“#”。ni-n2-n3-n4代表通道量程信息字段，主要由4个独立数位非0 自然数组成。ni代表该电源型号的通道总数，n2代表该电源型号的通道序号，n3代表该电源型号某通道的量程总数，n4代表该电源型号某通道的量程序号。如某型号电源编码为IT6952A-1-1-1-1,表示电源型号是IT6952A，设备通道总数为1,量程数量也为1。又如某型号电源编码为E3633A-1-1-2-1，表示电源型号是E3633A，该设备通道总数为1,量程数量为2，目前指向该型电源第1个量程。采用这种编码方式有2 个优点：一是清晰直观，从编码名称上就能够迅速了解产品的通道和量程数量；二是编码方式简单，鉴于不同电源设备的性能千差万别，这种编码方式可以防止遗漏，并且每个通道量程可以通过程序准确识别和赋值。凌勇，袁鹤龄，陆敏玉：一种基于LabVIEW开发环境的直流稳定电源自动化校准系统字段名称设备型号表通道名称电流回读精度量程范围电流设置精度设备选择SCPI指含电压回读精度量程选择SCPI指令通道选择SCPI指令电压设置精度恒流负数效应恒流源效应恒压负数效应恒压源效应设备校准信皇库设蓄型号通道量程纹波媒声自校系统数据库的关系映射模型如图3 所示。其中，设备型号数据表与设备校准信息库数据表的表间关系为一对一模式，通道量程等10 张数据表的表间关系为一对多模式。采用该数据表关系映射模型，可以快速、准确地从数据库中识别和提取指定的型号电源和量程通道所需的相关校准信息。3.1.2建立关系模型电源自校系统数据库一共包括12 张数据表，以通道量程数据表为核心，图2 为通道量程数据表的设计视图，可以看出，通道量程数据表的主键字段是通道名称，且该字段采用了电源信息编码规则。所有Access.O通道量程搜素图2 通道量程数据表的设计视图数据类型短文本短文本长文本短文本短文本短文本设备型号设备校准信息库通道量程电压设置精度电压回读精度电流设置精度电流回读精度恒压源效应恒流源效应恒压负载效应恒流负载效应纹波噪声图3 自校系统数据库的关系映射模型3.2校准作业阶段该阶段的主要任务是解决校准作业过程的数据交互和处理，主要包括LabVIEW主体程序与数据库、LabVIEW主体程序与被测电源、LabVIEW主体程序与直流稳定电源校准装置、LabVIEW主体程序与校准人员之间的信息交互处理。LabVIEW主体程序由44个VI功能模块组成，其中包括6 个主功能模块，9 个子功能模块和2 9 个支持功能模块。LabVIEW自动化校准系统的初始化页面如图4所示，流程结构框图如图5所示。自动校准系统初始化T6952A械校设备型号设备序列号6005430107171Q00LL图4自动化校准系统的初始化页面标准电压表标准电子负载被校直流电源设备连接系统自检自动化校准系统自检异常，请确认系统状态后，按重置按钮重新初始化或按取消按钮退出口070501-3第2 3 卷第7 期校准记录查询、生成模块校准系统系统初始化模块自检模块校准证书记录初始化模块系统单通道量程电压设置值校准实施模块校准模块电压测量值校准模块恒压负载效应校准模块恒压源效应校准模块纹波噪声校准模块不确定度计算模块图5LabVIEW主体程序的流程结构框图在数据交互和处理的过程中，如何保证LabVIEW主体程序显示界面的实时准确切换是主要技术难点之一。为解决该问题，在编程过程中灵活、综合运用了标准状态机控制技术、数组字符串函数以及循环/事件条件结构的嵌套等，确保程序的稳定运行。查询态请设备型号否否食智设备是在数据库查询序号搜索设备序列号全局起始态初始化3.3校准收尾阶段该阶段的主要任务是实现校准结果的保存和输出。其技术难点是如何将校准结果输出并制作成定制化的Excel格式的校准报告和校准证书。李征采用Excel内嵌的VBA脚本代码实现数据计算和报告格式生成，但该方法需要针对不同型号的电源制作不电子与封装系统登录模块典型LabVIEW状态机由一个While循环、一个条主模块件结构和一组移位寄存器组成,LabVIEW状态机的基子模块信息录人模块支持模块校准信息校准信息显示选择模块选择、剔除模块校准系统寻址模块系统实施校准证书、记录进度模块输出模块电流设置值校准模块电流测量值校准模块恒流源效应校准模块恒流负载效应校准模块系统通信配置模块否被校设备型号输人否启动证书是在数据库套编号搜索询证书编号否返回主页是退出态否图7 信息录入模块的程序流程同样式的证书模板。李华等采用LabVIEW提供的报表工具包实现报表生成回，但输入参数有数量限制，并不能完全满足实际使用过程中的多样化要求。为解决上述技术难点，主要采取了2 条解决措施。3.3.1校准证书和记录的模板布局设计本系统针对校准证书和记录的模板布局进行优070501-本框架结构如图6 所示。其中，While循环用来保证程序的连续运行；条件结构各种分支中的代码用来描述状态机的各种状态以及下一状态的选择；移位寄存器用来将上个状态所做的选择传递到下一次循环的选择端子。“开始”默认移位条件结构寄存器开始While循环图6 LabVIEW状态机的基本框架结构以图5中LabVIEW主体程序主功能模块之一的数据修约模块信息录入模块为例，该功能模块一共包含“起始态”、“查询态”“显示态以及“退出态”4种主要状态页面，并且在数据交互处理过程中，这4个主要状态页面会出现反复来回切换的情况。信息录入模块采用了如图6所示的LabVIEW状态机的基本框架结构，有效地解决了不同状态页面切换的技术难点。信息录入模块的程序流程如图7 所示。否是在数据库套是否查到是在程序界面显示态相关记录显宗查询信息營录信息是自动生成一条获取数据库中被校进入通道量程新增校准记型号的通道量程校准信息写人获取数据库中被校数据库型号的通道序号移位。寄存器停止晨否套到是在程庆界面相关记录显示查询信息否选择界面第2 3 卷第7 期化设计。以校准证书制作为例，证书模板布局设计如图8 所示。这种布局不同于仅按照校准项目的布局方封面Sheetl3.3.2采用ActiveX技术制作校准证书和记录在完成上述证书模板布局设计的基础上，电源自校系统采用ActiveX技术生成校准证书和校准记录。ActiveX是微软提出的一组部件对象模型（COM），主要包括Active控件、Active文档、Active自动化。ActiveX控件是一种独立的控件对象。它通过属性和方法来实现和应用程序的交互7-8 。以校准证书为例，采用ActiveX技术分成“证书模板复制”和“数据定位Excel_Application2错误输人（无错误）2类似证书模板复制，数据定位输入同样基于ActiveX技术，通过LabVIEW启动Excel自动化服务器，调用Workbooks对象，调用方法为Open，同时输人Excel表格的路径及文件名称，然后打开工作表Worksheets，分别调用Sheets对象以及Range对象，并将校准证书的相应Sheet页码、拟定位输人数据的相应单元格坐标以及拟定位输入的数据传递给LabVIEW主体程序，从而实现数据定位输入的目的，数据定位输入的ActiveX典型程序框图如图10 所示。4电源自校系统的整体实施效果基于上述技术方案，已成功研制出直流稳定电源凌勇，袁鹤龄，陆敏玉：一种基于LabVIEW开发环境的直流稳定电源自动化校准系统外观、结论页电压设置精度电压测量精度电流设置精度电流测量精度Sheet2Sheet3通道量程1源电压效应源电流效应负载电压效应负载电流效应纹波噪声Sheet3图8 证书模板布局设计输人”2 道步骤。假设某电源设备需要校准的通道量程数量为N，页面赋值：Sheetl为1,Sheet2为2,Sheetn(2nM)为2 i-3。证书模板复制的ActiveX典型程序框图如图9 所示，从赋值公式和图9 可以看出，基于ActiveX技术，通过LabVIEW启动Excel自动化服务器，打开校准证书模板，针对Sheet3页面复制N次；完成复制后，利用程序循环结构对证书各页面的页码通过i次i=0(N-1)循环实现页码赋值和证书模板复制。属性节点调用节点EeApplication.WorkbooksWorkbooksOpenVisibleFilenameUpdateLinksReadOnly证书记录模板路径FormatPasswordWriteResPasswordIgnoreReadOnlyRecommendedOriginDelimiterEditableNotifyConverterAddToMruLocalCorruptLoad图9 证书模板复制的ActiveX典型程序框图一键生成证书记录。通过市场调研，横向对比了国内较为知名的甲、乙2 家计量技术机构有关电源自动化校准系统的实现方式和应用情况，结果如表2 所示。从表2 可以看出，本系统与其他计量技术机构的电源自动化校准系统相比，在证书制作方式、应用范070501-5式，而是先将直流稳定电源拆解为独立的单一量程通道，再针对每个量程通道按照校准项目进行布局设计。第二页通道量程1属性节点WorkbookWorksheets证书记录保存路径自动化校准系统。本系统主要具备5个特点：校准信息全程可视化，可实现校准信息的实时查询和动态跟踪；校准过程个性化选择，校准量程通道以及校准项目顺序可自由选择；设备通信智能匹配，可实现通信地址自行识别以及通信串口自动配置；校准数据精准采集，单次测量数据采集6 次，异常采集数据自动剔除；证书制作规范高效，可实现校准数据自行修约，并Sheet4Sheets调用节点H-tAppliationSaveAsSaveAsFilenameFilenameFileFormatFileFormatPasswordPasswordWriteResPasswordWriteResPasswordReadOnlyRecommendedReadOnlyRecommendedCreateBackupCreateBackupQuit第2 3 卷第7 期电子与封装Excel_Application错误输人（无错误）校准报告记录存放路径输人报告源文件名称属性节点ApplicationgWorkbooksVisible回调用节点WorkbooksOpenFilenameUpdateLinksReadOnlyPasswordFormatWriteResPasswordIgnoreReadOnlyRecommendedOriginDelimiterEditableNotityConverterAddToMruLocalCorruptLoadExcel_Worksheet属性节点WorkbookWorksheets选择Shet表序号输入表格单元格坐标口调用节点+ShcctsilIndexItem调用节点RWorksheetRangeCellCel12输入字符E-Rangea屈性节点Value2xl5x图10 数据定位输入的ActiveX典型程序框图表2 不同计量技术机构的电源自动化校准系统性能对比类别系统开发平台适用电源接口类型采用LabVIEW自带证书报表证书制作方式工具，模板定制化程度不高仅适用于大功率电源，实际型应用范围号覆盖率为10%实用性一般围以及实用性等方面具备一定的优势。为进一步量化对比实施效果，专门抽选了3 台典型型号的电源设备进行测试验证，设备信息明细详见表3。表3 3 台典型型号电源设备信息明细电源型号厂商IT6952AITECHE3640AKEYSIGHTIT6332BITECH60min减少了7 4%40 min减少了7 5%16min10 min单通道单量程单通道双量程三通道单量程人工校准自动化校准（a）单台不同类别电源校准耗时对比图11人工校准与自动化校准实施数据比对5结论基于LabVIEW开发环境，本文研究开发了一种直流稳定电源自动化校准系统，通过对自动化校准各计量技术机构甲LabVIEWGPIB通道量程信息通信接口单通道单量程USB单通道双量程RS232三通道单量程USB80 min减少了7 0%24min提升2.4倍人3三通道单量程单通道双量程单通道单量程人工校准自动化校准(b）单日不同类别电源校准台（件）数对比个阶段技术难点的分析和解决，全面实现了预期目标。该电源自动化校准系统的成功研发，不仅使技术团队初步掌握了LabVIEW的编程技巧和设备测控技术，而且为后续其他领域自动化校准系统的研发奠定了基础。070501-6计量技术机构乙.NETUSB采用VBA技术生成证书,不同电源型号的证书模板需分别定制适用多款电源型号，型号覆盖率为3 0%一般针对上述型号的电源，分别采用人工和电源自校系统进行校准并出具证书。人工校准与自动化校准实施数据比对如图11所示。从图11可以看出，与人工校准相比，实施自动化校准整体耗时平均减少7 3%，单日整体工作效率平均提升2.3 倍。从2 0 2 2 年9 月起，该系统已正式开始用于本单位直流稳定电源的日常校准工作，目前已经可以覆盖本单位9 0%的电源型号，电源数量覆盖率达到9 6%，每年预计至少可以节约计量费用3 0 万元，实际运行效果令人满意。1610提升1.7 倍6本计量中心LabVIEWUSB,RS232采用ActiveX技术生成证书，同一份证书模板可以适用于不同电源型号适用多款电源型号，型号覆盖率为9 0%较好30提升2.8 倍8第2 3 卷第7 期参考文献：1全国电磁计量技术委员会.直流稳定电源校准规范：JF15972016S.中国标准出版社，2 0 1 7:2-7.2 IEEE.Standard commands for programmable instruments(SCPI)S.IEEE,1999:60-90.3王磊.精通LabVIEW8.XM.北京：电子工业出版社，2010:100-130.4陈树学.LabVIEW宝典 M.2版.北京：电子工业出版社，2017:434-451.5 李征.基于虚拟仪器的电源自动校准系统的研究 D.天津：天津大学，2 0 1 5.6李华，朱波.LabVIEW报表生成技术在机载电源测试系凌勇，袁鹤龄，陆敏玉：一种基于LabVIEW开发环境的直流稳定电源自动化校准系统.机电工程,2 0 0 6(1 2):1 0-1 2.作者简介：凌勇（1 9 7 8 一），男，安徽黄山人，硕士，高级工程师，主要研究方向为产品质量管理和计量技术。统中的应用 .电子测试，2 0 0 8(3)：4 8-5 17古萍，王亮，冯磊，等.基于LabVIEW环境的ActiveX编程实例 J.科技创新与应用，2 0 1 6(1 9)：2 3-2 5.8郑默思，周晓军.基于ActiveX的虚拟仪器报表打印方法070501-7