一种自动校准测量模块的装置

1.自动校准测量模块的装置，其特征在于包括计算机(1)和智能信号源 (2)，其中智能信号源(2)包括CPU处理器(U1)、非易失性存储器(U2)、由标 准电压源构成的标准信号源(U3)、信号选择开关(U4)、信号量度选择开关(U5) 和用于通讯及插接测量模块的接口(U6)，计算机(1)的通讯接口通过通讯及 插接测量模块的接口(U6)中的通讯端口与CPU处理器(U1)的通讯接口相连， 非易失性存储器(U2)的读写控制线与CPU处理器(U1)的控制端连接，CPU处理器 (U1)的输出控制端与信号选择开关(U4)及信号量度选择开关(U5)的控制端相 连，标准信号源(U3)的输出端与信号选择开关(U4)的输入端连接，信号选择开 关的输出端与信号量度选择开关(U5)的输入端相连，信号量度选择开关(U5)的 输出端与通讯及插接测量模块的接口(U6)中的信号端口相连，通讯及插接测 量模块的接口(U6)中的通讯端口与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的自动校准测量模块的装置，其特征在于CPU处理 器(U1)是AT89系列单片机。
3.根据权利要求1所述的自动校准测量模块的装置，其特征在于标准信号 源(U3)是电压基准器件REF102CM。
4.根据权利要求1所述的自动校准测量模块的装置，其特征在于信号选择 多路开关(U4)和量程选择多路开关(U5)分别采用MC14051。
5.根据权利要求1所述的自动校准测量模块的装置，其特征在于所说的智 能信号源(2)集装成便于被校准的测量模块接插的箱体。

                          技术领域\n本发明涉及用于自动控制系统的测量模块的自动校准装置。\n                          背景技术\n测量模块是用于将接收的自动控制现场传感器输出的各种信号(如热电偶 的电位差、热电阻的阻抗、以及标准电压、电流信号等)经过采样测量，并按照 模块的特性曲线的基准参数计算出被测信号数据结果的电路模块。\n测量模块对信号的处理都有一定的精度要求，故在生产测量模块时需要对 模块内部的基准参数进行校准，以保证测量的精度要求。\n目前在生产测量模块中，对测量模块的校准采用的是人工的方法，操作过 程大致如下：\n采用高精度的万用表监控测量标准信号源设备(如电阻箱、电子电位差计 等)，通过人工调节将某一标准的信号输出给被校准的测量模块。被校准的测量 模块采样这些信号并输出测量的结果，通过模块的特性曲线的计算公式计算出 达到标准值所需调整的数据，人工调整被校准的测量模块中的调整元件或参数， 使得被校准的测量模块输出的测量结果达到某一标准值。通过采用变换测量量 程范围内多点的标准信号数值，对整个量程的精度进行调整，使被校准测量模 块达到校准的精度要求。\n采用这种人工调整方法对模块进行校准，一般情况下，一台高精度的万用 表只能监控一个模块的校准工作，而且人工调节控制标准信号至某一标准值的 速度较慢，造成校准工作的劳动强度高却效率较低的状况。\n                          发明内容\n本发明的目的是提供一种自动校准测量模块的装置，以提高校准测量模块 的效率。\n本发明的自动校准测量模块的装置，包括计算机和智能信号源，其中智能 信号源包括CPU处理器、非易失性存储器、由标准电压源构成的标准信号源、 信号选择开关、信号量度选择开关和用于通讯及插接测量模块的接口，计算机 的通讯接口通过通讯及插接测量模块的接口中的通讯端口与CPU处理器的通讯 接口相连，非易失性存储器(U2)的读写控制线与CPU处理器的控制端连接，CPU 处理器的输出控制端与信号选择开关及信号量度选择开关的控制端相连，标准 信号源的输出端与信号选择开关的输入端连接，信号选择开关的输出端与信号 量度选择开关的输入端相连，信号量度选择开关的输出端与通讯及插接测量模 块的接口中的信号端口相连，通讯及插接测量模块的接口中的通讯端口与计算 机相连。\n该装置用于测量模块的自动校准时，将被校准的测量模块接插到接口的接 插测量模块的端口上，计算机发送控制命令给CPU处理器，并接收智能信号源 中非易失性存储器内的与输出信号对应的标准代码，由CPU处理器控制信号选 择开关和信号量度选择开关对标准信号源的输出信号进行选择，标准信号源产 生不同类型的信号输入选择开关，通过信号选择开关选择一种类型的信号输给 信号量度选择开关，经过信号量度选择开关的选择控制，将一定类型及量度的 信号输给被校准的测量模块，被校准测量模块将输入的一定类型及量度的测量 信息输给计算机，计算机通过程序对智能信号源的标准代码及被校准测量模块 返回的测量信息，按照一定的计算公式进行计算，得到校准的结果，该校准结 果通过接口中的通讯端口输到被校准测量模块中，并保存在被校准测量模块的 存储器中，达到对生产的测量模块进行自动校准之目的，以保证出产测量模块 的高精度。\n本发明的优点：\n1.本发明装置，采用智能信号源代替了普通信号发生器和数字万用表，使 测量模块的校准工作摆脱了对信号发生器的调节和对数字万用表测量读数的依 赖。\n2.用自动校准的方法代替了人工校准的方法，提高了校准测量模块的生产 效率。\n                           附图说明\n图1是本发明构成方框图。\n图2是智能信号源的一种具体电路图。\n图3是本发明的外形示意图。\n                         具体实施方式\n参照图1，本发明的自动校准测量模块的装置包括计算机1和智能信号源2， 其中智能信号源2包括CPU处理器U1、非易失性存储器U2、由标准电压源构成 的标准信号源U3、信号选择开关U4、信号量度选择开关U5和用于通讯及插接 测量模块的接口U6，计算机1的通讯接口通过接口U6中的通讯端口与CPU处理 器U1的通讯接口相连，非易失性存储器U2的读写控制线与CPU处理器U1的控 制端连接，用于储存与输出信号对应的标准代码。CPU处理器U1的输出控制端 与信号选择开关U4及信号量度选择开关U5的控制端相连，控制着输出信号及 量度的选择；标准信号源U3的输出端与信号选择开关U4的输入端连接，信号 选择开关的输出端与信号量度选择开关U5的输入端相连，信号量度选择开关U5 的输出端与接口U6中信号端口相连，将信号提供给被校准的测量模块，接口U6 中的通讯端口与计算机相连。这样，被校准测量模块返回的测量信息通过接口 U6中的通讯端口输入到计算机。而经计算机计算得到的校准结果，通过接口U6 的通讯端口又可输到被校准测量模块的存储器中。\n上述智能信号源2是一种具有通讯功能的、具有多种标准信号输出功能及 具有与输出标准信号对应的数字化的标准代码的电路。它可以通过接口U6中的 通讯接口与计算机进行通讯联络，获得计算机要求的执行动作的命令，即计算 机要求智能信号源输出一定规格的标准信号的命令。智能信号源接收到计算机 的命令后，将命令按照与计算机通讯的协议对接收到的数据进行处理，得出计 算机命令要求的输出信号的信号类型、信号量度等信息，并将与输出信号对应 的标准代码返回给计算机，取代了数字万用表对输出信号的测量值。\n标准代码是一组和输出的标准信号值对应的线性数组，用于替代经过数字 化的数字万用表测量输出信号的测量值。在本发明中，定义30000个码对应各 种信号满量程的数值，如将4-20mV标准信号中的4mV定义为0码，20mV定义 为30000码，那么每1个码＝(20-4)/30000＝0.5333uV。在4-20mV标准信 号类型中，1000个码＝4+0.5333uV×1000＝4.5333mV的信号值。其他信号 的代码计算的方法依此类推。\n图2给出的是智能信号源的一种具体电路图。CPU处理器U1是智能信号源 的核心控制部分，采用AT89系列单片机，图示实例中，CPU处理器U1采用 AT89LS8252，标准信号源U3采用精密的电压基准器件REF102CM，信号选择多 路开关U4和量程选择多路开关U5分别采用MC14051，接口U6采用BUS64。\nCPU处理器AT89LS8252的控制信号D0-D3通过光电隔离器U24，这里，光 电隔离器用TLP521-4隔离，产生CH1-CH4的控制信号，用于信号类型与量度选 择的控制。控制信号CH3、CH4连接到信号选择多路开关MC14051的通道控制端 A、B、C。控制信号CH1、CH2连接到量程选择多路开关MC14051的通道控制端A、 B、C。\n电压基准U3输出稳定的5V电压，通过精密电阻RJ1、RJ5、RJ6分压得到 一定规格要求的电压值，如5V、100mV、20mV等规格的电压。各规格的电压信 号输入到信号选择多路开关MC14051的输入端X0、X1、X2、X3，通过不同的组 合，选择输出其中的一个信号。这个输出信号(MC14051的X端)再通过精密电阻 RJ7-RJ10分压得到一定百分量的电压值，如100％、90％、50％、10％点对应的电 压值20mV、18.4mV、12mV、5.6mV等电压值，这些电压值输入到量程选择多路 开关MC14051的输入端X0、X1、X2、X3，控制选择输出其中一个量度的信号。 该输出信号经过运算放大器U15进行阻抗匹配后，输出到接口BUS64的插接测 量模块的端口AOUT1-AOUT8，将信号提供给被校准的测量模块。\n通常，将智能信号源2集装成便于被校准的测量模块3接插的箱体，见图3 所示。\n被校测量模块对智能信号源的输出信号进行采样，并将测量值通过接口 BUS64返回给计算机。通过对信号量程内的多个信号点的测量，按照输出信号的 特性曲线的公式，计算出测量模块的特性曲线的参数，将参数存在测量模块的 存储器中，作为测量模块的特性曲线在计算采样信号时的标准，完成测量模块 的校准工作。\n本发明装置在用于校准测量模块前，对于装置中的智能信号源需经过校准， 以保证智能信号源输出的标准信号的数值与对应的数字化的标准代码在信号量 程范围内的特性曲线保持一致，使得标准代码能够真实的反映输出信号值，保 证计算机得到的标准代码可以代替高精度数字万用表对输出信号的测量。\n智能信号源的校准方法如下：将计算机的RS232串口与数字万用表的RS232 串口相连接，计算机通过接口U6的通讯接口命令智能信号源输出一定标准的信 号，数字万用表的输入端接到接口U6的信号端口，对智能信号源输出的信号进 行测量，通过一定的计算公式计算出该标准输出信号对应的标准代码，将该结 果写入到智能信号源的非易失性存储器中U2。通过此方法，使得智能信号源输 出的各种标准信号各有一个精确的标准代码与之对应。\n以下通过对20mV电压信号测量模块进行校准为例，进一步描述本发明装置 的校准的过程。\n20mV的电压信号的特性曲线是一条线性的曲线，可以用公式y＝kx+b来表示， 只要确定了k、b值，就可以确定这条特性曲线。为了使得曲线拟合的精度最高， 采用了最小二乘法进行计算，需要对3个信号点进行采样，得出计算数据。\n先将被校准的测量模块插入到智能信号源的接口U6中。计算机通过控制智 能信号源的信号选择开关U4选择20mV的电压信号，20mV的电压信号经过信号 量度选择开关U5选择，分别输出标准信号的量程上的上限点S1＝18.4mV、中间 点S2＝12mV和下限点S3＝5.6mV的信号，使标准信号上限点、中间点和零点的 信号分别于计算机要求的时刻输出到智能信号源的接口U6，测量模块采样各点 的输出信号，得到对应的采样值T1、T2、T3。\n计算机从智能信号源的非易失性储存器U2中读取各个标准电压信号的数字 化标准代码值S1、S2、S3。\n得到以下方程式组：\n                    T1＝K×S1+B  ---(1)\n                    T2＝K×S2+B  ---(2)\n                    T3＝K×S3+B  ---(3)\n定义：\n    D1＝S1+S2+S3\n    D2＝S1×S1+S2×S2+S3×S3\n    D3＝T1+T2+T3\n    D4＝S1×T1+S2×T2+S3×T3\n得出K、B值的计算公式：\n    K＝(3×D4-D1×D3)/(3×D2-D1×D1)\n    B＝(D2×D3-D1×D4)/(3×D2-D1×D1)\n计算机根据最小偏差原则，根据以上公式计算出一条虚拟的测量特性曲线， 使得按照此特性曲线，在全量程内各输入信号点的最大的测量偏差达到最小。 将该曲线的关键系数写入被校准的测量模块的存储器中，达到校准测量模块的 目的。