基于自動控制的遠程計量校準技術研究

徐沛　王文娟

關鍵詞：自動控制；遠程；計量校準；研究

中圖分類號：TP97 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-06-06

0 引言

遠程計量校準是借助現(xiàn)代化信息技術遠程控制或指導現(xiàn)場完成計量校準的一種工作模式[1]，其具有需求響應快、校準服務周期短、成本低等優(yōu)點。隨著客戶對計量校準時間、現(xiàn)場原位計量要求提高，計量機構迫切需要通過遠程計量校準的方式開展工作以滿足客戶需求。遠程計量校準主要有兩種實現(xiàn)方式：①用遠程傳遞標準量值，直接對儀器設備進行計量校準，這種方式應用范圍較窄，主要適合對時間、頻率等可傳遞量值的參數(shù)的校準。②通過傳遞標準器具，現(xiàn)場操作復現(xiàn)標準量值，進而對儀器設備進行計量校準，這種方式應用范圍廣，但實現(xiàn)較為復雜，對操作人員以及物流、信息流、數(shù)據流都有較高的要求。儀器自動控制技術可以降低對操作人員的要求，減少校準過程中的人工操作，消除人工帶來的誤差，提高計量校準工作的效率及質量。本文基于自動控制技術設計了一種遠程計量校準方法，綜合考慮了標準器具運輸、現(xiàn)場監(jiān)控、信息安全、校準數(shù)據利用等因素，依托我國飛速發(fā)展的高速通信網絡以及物流服務業(yè)，力求為遠程計量校準的實施提供較為完整的方案。

1 遠程計量校準的發(fā)展現(xiàn)狀

國際主要研究機構已經啟動了遠程校準研究并進行了實際應用，美國國家標準與技術研究院（NIST）在遠程時間校準、遠程頻率校準、遠程流量計校準及遠程GPS 授時校準等方面取得了大量研究成果，其中遠程便攜式標準器具、遠程校準系統(tǒng)等多項研究已經實現(xiàn)了應用。英國國家物理研究所（NPL）對頻閃計的遠程校準以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)設備進行了深入研究，并形成了研究成果。

中國計量科學研究院研究了全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）遠程時間頻率傳遞技術和時間傳遞鏈路校準技術，研制了具有國際先進水平的高準確遠程時間溯源系統(tǒng)，滿足了用戶對時間頻率的準確性、溯源性和穩(wěn)定性需求。中國計量院已經在黑龍江、新疆和貴州三個省級計量院建立了遠程試點站，安裝了遠程時間頻率校準及時間標準裝置，同時發(fā)布了JJF1206-2008頻率標準與數(shù)字時鐘的遠程校準規(guī)范。

通過對國內外遠程計量校準發(fā)展現(xiàn)狀的分析可以看出，目前國內對于遠程計量校準的應用主要集中在時間、頻率的校準領域，其他領域的應用還處在研究階段。

2 儀器遠程自動控制的設計

儀器遠程自動控制是計量實驗室的控制計算機通過網絡遠程控制客戶現(xiàn)場儀器設備，自動完成操作的過程，如圖1 所示。遠程自動控制需要解決兩個關鍵問題：一是儀器設備的控制接口、協(xié)議與LAN 接口、協(xié)議的適配，需要通過儀器接口控制器實現(xiàn)；二是計量校準的自動執(zhí)行，需要通過控制軟件實現(xiàn)。

2.1 接口控制器設計

電子測量儀器的控制接口主要為GPIB、USB、UART 等形式，無法直接接入網絡，并且不同接口的底層協(xié)議也不相同[2]，特別是GPIB 接口，需要安裝底層協(xié)議（VISA）才能實現(xiàn)儀器的控制通訊交互[3]。傳統(tǒng)的程控方案需要使用不同的線纜以及采用與接口對應的底層通訊協(xié)議，才能實現(xiàn)對儀器的控制，顯然不適合遠程控制。因此需要設計儀器接口控制器，將被控制儀器不同形式的接口轉換為LAN 接口，并將通訊協(xié)議轉換為TCP/IP 協(xié)議。接口控制器一端與被控制儀器連接，提供儀器控制需要的USB、UART、GPIB 等接口，另一端通過LAN 接口接入Internet 網絡，接收遠程計算機的控制指令操作儀器設備，并將測試數(shù)據回傳。遠程計算機與接口控制器按照TCP/IP 協(xié)議進行通訊，無需考慮設備的底層通訊協(xié)議，只需保持網絡暢通，就可以對儀器設備進行控制。

2.1.1 硬件設計

接口控制器采用“微處理器+FPGA”的設計方案，采用賽靈思的XC7K325T 型FPGA，在FPGA 內編寫不同接口協(xié)議的IP 核用于協(xié)議轉換。存儲器、定時器及不同類型的控制器由FPGA 的內部邏輯單元核提供，CPU 通過Avalon Switch Fabric 總線將存儲器、控制器等組件橋接在一起，構成接口協(xié)議轉換系統(tǒng)。接口控制器除具備硬件接口和通訊協(xié)議的轉換外，還具備接口掛載儀器設備的自動識別功能、接口掛載儀器設備的注冊功能、接口掛載儀器設備的查詢功能。接口控制器的硬件設計如圖2 所示。

2.1.2 軟件設計

接口控制器軟件在賽靈思公司的Vivado 平臺上，使用Verilog 語言開發(fā)。軟件采用層次化設計模式，分為執(zhí)行層、資源層、驅動層、數(shù)據交換層。數(shù)據交換層是接口控制器軟件的核心，基于FPGA 處理器硬件實現(xiàn)數(shù)據的運算處理；驅動層實現(xiàn)對不同接口組件的驅動，實現(xiàn)接口控制，執(zhí)行處理器與接口的通信；資源層包含GPIB、USB、UART 和LAN 組件，實現(xiàn)處理器與GPIB、USB、UART、LAN 等外設的通信；執(zhí)行層實現(xiàn)命令和數(shù)據的發(fā)送接收。接口控制器的軟件分層架構如圖3 所示。

UART 通信通過FPGA 芯片提供的UART 驅動程序，采用標準輸入/輸出流的方式實現(xiàn)。操作UART 時對其驅動讀寫數(shù)據即可。USB 通信首先由FPGA 芯片發(fā)送指令完成對ISP1362 器件的初始化，根據設備描述符完成地址的分配與配置。USB 通信采用中斷的方式，分為數(shù)據處理與中斷服務，當ISP1362 收到輸出/輸入事務時存儲數(shù)據，并觸發(fā)中斷，中斷服務程序執(zhí)行相應的操作。GPIB 通信采用中斷方式，NAT9914發(fā)出的中斷信號有發(fā)送數(shù)據事件（BO）、接收數(shù)據時間（BI）、接收數(shù)據結束事件（END）、接收GET 命令事件和接收DCAS 命令事件，這些中斷信號會觸發(fā)FPGA的中斷，進入中斷服務程序，執(zhí)行相應的操作。GPIB數(shù)據通信中斷服務流程如圖4 所示。

2.2 自動控制軟件設計

自動控制軟件的主要功能是控制標準器具及待計量儀器設備，執(zhí)行計量校準任務，完成測量數(shù)據的采集、處理，最后生成計量報告。自動控制軟件的架構分為界面層、應用層、執(zhí)行層、資源層、驅動層和數(shù)據交換層。界面層完成子系統(tǒng)運行界面以及功能應用的界面搭建。應用層提供子系統(tǒng)功能應用服務。執(zhí)行層完成功能應用的操作執(zhí)行，是應用層的具體實現(xiàn)。資源層為應用層及執(zhí)行層提供必要的資源支持，主要有校準步驟資源、儀器設備控制資源、信息管理表格資源、二次開發(fā)函數(shù)資源。驅動層實現(xiàn)對儀器設備的驅動。數(shù)據交換層連接各功能應用，完成數(shù)據跨層、跨系統(tǒng)的交互傳遞。自動控制軟件的層次結構如圖5 所示。

自動控制軟件分為信息管理、校準檢定、二次開發(fā)三個子系統(tǒng)，完成遠程計量校準中的信息管理[6]、計量任務開發(fā)、計量任務執(zhí)行、計量報告處理、數(shù)據分析等工作。信息管理子系統(tǒng)提供被測設備、標準器具、測量記錄、證書模板等信息的管理，有信息創(chuàng)建、信息展示、信息編輯、信息查詢、信息刪除等功能。校準檢定子系統(tǒng)執(zhí)行校準檢定任務相關的工作，主要功能是對校準檢定項目文件進行任務解析，生成校準檢定執(zhí)行指令序列、編輯校準檢定任務參數(shù)、配置儀器設備驅動、執(zhí)行校準檢定任務、處理證書報告等。校準檢定子系統(tǒng)中底層的儀器控制指令通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給接口控制器，由接口控制器進行協(xié)議轉換，完成儀器控制。二次開發(fā)子系統(tǒng)的主要功能是開發(fā)儀器驅動、限制規(guī)則、項目步驟、報告映射等，為檢定校準項目的開發(fā)提供資源和平臺。二次開發(fā)子系統(tǒng)可以提供多樣性的系統(tǒng)資源，輔助快速完成計量任務的開發(fā)創(chuàng)建，滿足計量要求。自動控制軟件的工作流程如圖6 所示。

3 遠程計量校準的總體方案

3.1 實施流程

遠程計量校準的實施分為標準器具傳遞、儀器遠程控制和監(jiān)控、測量數(shù)據回傳處理三個過程，包括提出計量需求、評估計量需求、發(fā)送標準器具及設備、現(xiàn)場配置、自動測量、出具報告等環(huán)節(jié)，如圖7 所示。

3.2 實施方案

根據流程，遠程計量校準的實施需要滿足兩個基本條件：一是儀器設備的遠程可控（標準器具和待計量儀器設備均可程控操作，且具有數(shù)據接口）；二是計量現(xiàn)場具有網絡接入條件，可建立遠程連接。

實施遠程計量校準需要具備可傳遞的標準器具、可控的標準器具傳遞、遠程計量過程監(jiān)控（音視頻）設備、可程控的標準器具和被計量儀器設備、現(xiàn)場輔助人員、遠程計量校準軟件、遠程網絡環(huán)境等要素。遠程計量校準的實施方案如圖8 所示，主要有以下內容：

⑴ 使用加固和可監(jiān)控的專用運輸箱，通過物流運輸?shù)姆绞絺鬟f標準器具；

⑵ 通過專用設備將儀器接口轉換為可遠程控制的LAN 接口，實現(xiàn)硬件接口和通訊協(xié)議的轉換；

⑶ 采用身份認證與數(shù)據加密處理，滿足遠程計量數(shù)據安全性的要求；

⑷ 使用自動控制軟件和監(jiān)控軟件實施并監(jiān)控遠程計量校準過程；

⑸ 對積累的計量校準數(shù)據進行分析利用。

3.3 實施關鍵環(huán)節(jié)

3.3.1 標準器運輸

遠程計量校準中，計量機構的標準器具需要通過物流運輸發(fā)送到客戶現(xiàn)場，為便于運輸并保護標準器具，需要使用保護面罩和專用運輸箱。標準器具的操作面板集合了顯示屏、按鍵、信號端口等，保護面罩能防止操作面板受損。專用運輸箱用于放置標準器具，承受運輸途中可能的顛簸、碰撞，保護標準器具。

通過設計監(jiān)控定位裝置，監(jiān)控標準器具的位置，記錄標準器具的狀態(tài)，保障物流運輸?shù)陌踩?。監(jiān)控定位裝置安裝于專用運輸箱內，由定位模塊、傳感器組、存儲單元、供電單元等部分組成。定位模塊用于對標準器具進行定位；傳感器組包含位置、位移、溫濕度等多組傳感器，用于記錄箱體內溫度濕度、傾斜、碰撞等信息。標準器具返回后，計量機構讀取監(jiān)控數(shù)據并進行分析，確保運輸過程標準器具沒有發(fā)生異常情況。監(jiān)控定位裝置的結構如圖9 所示。

3.3.2 現(xiàn)場監(jiān)控

計量校準現(xiàn)場的監(jiān)控使用帶有通話裝置的監(jiān)控攝像頭，通過遠程監(jiān)控軟件實現(xiàn)。監(jiān)控攝像頭通過LAN 接口接入網絡，遠程監(jiān)控軟件安裝于計量機構，通過網絡對客戶現(xiàn)場計量校準過程的音視頻進行全程錄制，并與測量數(shù)據一起留存，作為遠程計量校準的原始信息備案。遠程監(jiān)控軟件通過攝像頭記錄計量校準現(xiàn)場的信息，也可以傳輸音頻，對客戶進行遠程指導，以保證現(xiàn)場輔助人員正確進行設備連接。遠程監(jiān)控軟件的主要功能有遠程連接、視頻監(jiān)控、音頻通話、音視頻錄制等。監(jiān)控軟件使用流媒體技術進行音視頻數(shù)據的傳輸，可將音視頻數(shù)據連續(xù)實時地傳遞。遠程監(jiān)控軟件的服務框架如圖10 所示。

3.3.3 信息安全

接口控制器和監(jiān)控攝像頭等現(xiàn)場設備在與計量實驗室的控制計算機進行遠程連接時采用安全確認機制，以確保遠程連接過程安全有效?？刂朴嬎銠C在接收到現(xiàn)場設備的連接請求后生成連接授權碼，發(fā)送給現(xiàn)場輔助人員，現(xiàn)場人員輸入連接授權碼，由計量實驗室確認完成設備連接，遠程連接交互過程如圖11所示。

在遠程計量過程中，需要采集標準器具、計量儀器設備、測量數(shù)據、現(xiàn)場環(huán)境等信息，并通過網絡與計量實驗室進行數(shù)據交互，這些信息為敏感信息，如果泄漏將影響計量機構和企業(yè)的信息安全，因此，除控制過程中的身份認證外，還要采用成熟度較高的AES、3DES 等加密算法對遠程計量系統(tǒng)中的數(shù)據加密，確保遠程計量過程中的信息安全。

3.3.4 數(shù)據利用

目前我國對絕大多數(shù)測試儀器的校準周期只進行了建議，如何對校準周期進行科學規(guī)定和調整一直是計量科學研究的熱點[3]。遠程計量校準實施過程中會積累大量的測量數(shù)據及狀態(tài)數(shù)據，這些數(shù)據除出具證書報告外，可以借助不斷提升的計算機運算能力及數(shù)據分析算法進行大數(shù)據分析，對被校準設備的性能趨勢、標準器具的健康狀況、計量需求的預估時長、校準周期等指標進行預測。

預測方法采用按照JJF 139-2005《計量器具檢定周期確定原則和方法》進行[4]，采用基于校準參數(shù)量值的方法進行預測[5]，分析設備參數(shù)的歷史校準數(shù)據，以測量設備參數(shù)歷史校準量值及其不確定度作為研究對象，使用威布爾模型進行計算，來預測設備的測量可靠性。威布爾模型如式⑴所示。

其中，β 為形狀參數(shù)，η 為尺度參數(shù)，t 為時間，R₀為初始測量可靠性，一般為90%，R（t）為t 時刻的測量可靠性。用積累的歷史計量校準數(shù)據，通過回歸分析計算威布爾模型各個參數(shù)，計算R（t）達到可靠性下限時的時刻t，作為校準日期。同時，不斷使用新的計量校準數(shù)據更新威布爾模型參數(shù)，實現(xiàn)校準周期的動態(tài)調整。

4 結束語

本文通過應用儀器自動控制技術設計了遠程計量校準方案：①分析了國內外遠程計量校準發(fā)展現(xiàn)狀及目前存在的問題；②設計了接口控制器和自動控制軟件，實現(xiàn)了不同類型儀器設備接口、協(xié)議的適配和計量校準的自動執(zhí)行；③研究了遠程計量校準中涉及的標準器具運輸、現(xiàn)場監(jiān)控、信息安全、校準數(shù)據利用等問題，提高了遠程計量校準方案的可行性。

本文基于自動控制的遠程計量校準，實現(xiàn)了可操作性強、功能完備、操作簡便、資源豐富、自動化程度高的設計目標，適應了計量信息化的發(fā)展，滿足了客戶的需求。同時我們也看到，本文方案還需要根據實際應用情況作出優(yōu)化，接下來將從提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的角度對該方案進行完善。