一种直流电压校准器及客户端的制作方法

本发明涉及计算机及电子技术领域，尤其涉及一种直流电压校准器及客户端。

背景技术：

地震观测的对象是一个长期的变化过程，为了保证地震观测数据的准确可靠和量值溯源，地震行业对于地震观测仪器的校准提出了具体的要求，多个地震行业标准对相关类别地震观测仪器的校准都提出了规定。校准是指采用准确度更高的标准仪器来测试被测仪器的示值误差。要对仪器进行校准，就必须要有具备一定输出精度的标准设备，地震台站对标准设备的输出精度要求通常达到10uv量级。

很多种类的地震观测仪器是通过传感器将观测物理量(例如气压、温度、电阻率、频率等)转换为直流电压的形式进行数值输出。目前我国很多地震前兆观测台站采用直流电位差计(uj25或uj34)和饱和标准电池(bc3)作为电压标准计量设备，分别提供可调标准电压和固定标准电压，对相关地震前兆观测仪器(例如zd8m地电阻率仪)进行校准。相应的地电观测仪器校准方法如图1所示。

由于直流电位差计的工作条件易发生变化(例如辅助回路电源不稳定、可变电阻发生变化等)，所以在每次测试之前，都需要先通过饱和标准电池对其电压输出值进行归零校正，然后才能用于对地震观测仪器的校准。

饱和标准电池受工作环境温度变化等外界因素的影响较大，饱和标准电池的电动势对于温度比较敏感，其温度系数约为40uv/℃，而大部分地震观测仪器对标准设备的输出精度要求达到10uv。因此台站人员在使用饱和标准电池之前，必须要准确读取温度计的示值，并通过查表插值方式对其进行严格的温度修正，否则便会影响到饱和标准电池电动势的准确输出。

通过上述描述可以看出，现有的电压标准计量设备在校正过程对台站人员的操作有一定要求，容易引入人工测量误差，影响地电仪器观测的准确性。同时，由于地震观测台站普遍处在较为偏僻的地震断裂带监测地区，无人值守台站很多。工作人员需要定期携带相应的校准设备(即电压标准计量设备)开车赶赴无人值守台站，现场进行规定的仪器校准操作，费时又费力，十分地不便。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直流电压校准器及客户端，从而可以极大地方便工作人员完成相应的电压校准操作。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种直流电压校准器，包括恒温槽，在所述恒温槽中设置有基准源模块、程控电压输出模块及中央处理模块，其中：

基准源模块，用于输出稳定的基准电压；

程控电压输出模块，与所述基准源模块的基准电压输出端连接，用于实现直流电压的定量输出；

中央处理模块，与所述程控电压输出模块连接，用于控制所述程控电压输出模块的输出；

所述中央处理模块还与控制与显示模块连接，该控制与显示模块用于将接收到的电压校准过程中的操作指令传送给所述中央处理模块，以及将中央处理模块的电压校准过程中的输出信息显示输出。

所述中央处理模块还连接有网络接口模块，利用该网络接口模块所述中央处理模块能够获取远程终端通过网络发送来的电压校准过程中的操作指令，以及将中央处理模块的电压校准过程中的输出信息通过网络发送给远程终端。

所述的基准源模块采用lzt1000芯片实现；所述中央处理模块采用微控制器板实现，所述微控制器板内置w5100网络协议转换器；所述程控电压输出模块采用ad5791芯片实现，基准输入利用外部放大器进行检测，以及采用单位增益配置方式与输出放大器进行连接，且采用ad8675双通道放大器作为ad5791的配套器件。

所述控制与显示模块包括：led显示屏和4×4矩阵键盘。

一种直流电压校准客户端，该客户端用于与上述直流电压校准器通过网络进行通信，且该客户端包括：

网络连接模块，用于与网络建立连接，并通过网络与所述中央处理模块建立连接；

显示处理模块，用于显示所述中央处理模块通过网络发送来的电压校准过程中的输出信息；

操作控制处理模块，用于通过网络向所述中央处理模块发送电压校准过程中的操作指令。

所述的直流电压校准客户端还包括网络连接检测模块，用于对所述网络连接模块的网络连接状态进行测试。

所述的直流电压校准客户端还包括任务管理模块，用于在满足预先设置的电压校准任务执行条件时根据预先设置的输出电压值和持续输出时间自动执行所述电压校准任务，或者，根据设置的输出电压值、持续输出时间和间隔时间自动执行预先设置的多个电压校准任务。

所述电压校准任务执行条件包括：指定时间或指定时间间隔；且所述当满足预定条件时自动执行的所述电压校准任务为一个或多个。

所述显示处理模块包括：

电压输出控制界面模块，用于显示所述程控电压输出模块在电压校准过程中的电压输出值；

网络参数设置界面模块，用于设置本地网络参数，所述网络参数包括ip地址、子网掩码和网关信息。

所述的直流电压校准客户端还包括：

门限控制管理模块，用于当确定在预定时间门限值时间段内一直没有收到电压校准过程中的操作指令时，则控制停止所述程控电压输出模块的电压输出；

所述电压输出控制界面模块还用于显示所述时间门限值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种直流电压校准器及客户端，不仅具有较高的输出精度，同时还具有高稳定性、较宽工作温度范围、便于操作使用及价格相对较低的优点。其中，通过相应的客户端使得用户不必赶赴现场进行操作，能够满足诸如无人值守地震台站等特殊需求的领域。因此，本发明实施例提供的直流电压校准器可以很好地满足坐落在较为偏僻的断裂带地区且昼夜温差很大的地震台站应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术中的校准方法示意图；

图2为本发明实施例提供的校准器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的客户端的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的校准器的工作模式示意图；

图5为本发明实施例提供的中央处理模块的应用示意图；

图6a为本发明实施例中的程控电压输出模块的电路图；

图6b为本发明实施例中的基准源模块的电路图；

图7为本发明实施例中的控制与显示模块提供的显示界面示意图；

图8为本发明实施例中的控制与显示模块的键盘结构示意图；

图9为本发明实施例中的客户端的初始界面示意图；

图10为本发明实施例中的客户端的远程控制电压输出界面示意图；

图11为本发明实施例中的客户端的设置界面示意图；

图12为本发明实施例中的客户端的保存设置信息界面示意图；

图13为本发明实施例中的客户端的定时定量控制输出界面示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明中，考虑到很多地震台站都坐落在较为偏僻的断裂带地区，昼夜温差很大。故地震台站对标准设备的要求除了具有较高输出精度，还需要具有高稳定性、较宽工作温度范围及便于操作使用的特点。为此，本发明实施例提供了一种具有以下优点的直流电压校准器：

具有高输出精度、高稳定性、较宽工作温度范围及价格相对较低的优点；

针对无人值守台站的特殊需求，开发了基于网络的远程输出控制模式，方便了台站人员的使用；

针对需要逐个值去输入的重复性操作和等待特定时间进行操作的不便，开发了流程化控制输出和“定时、定量”的程序控制输出的功能。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种直流电压校准器，其具体实现结构如图2所示，可以包括恒温槽，该恒温槽中可以提供恒定的温度环境；在所述恒温槽中设置有基准源模块(即高稳定度基准源模块)、程控电压输出模块及中央处理模块，其中：

基准源模块，用于输出稳定的基准电压，例如，如图2所示输出恒定的5v直流电压作为程控电压输出模块的基准源；

程控电压输出模块，与所述基准源模块的基准电压输出端连接，用于实现直流电压的定量输出，输出电压作为地电观测仪器的标准电压；

中央处理模块，与所述程控电压输出模块连接，用于控制所述程控电压输出模块的输出，具体可以通过向程控电压输出模块发送操作指令，以控制所述程控电压输出模块的工作过程，包括是否工作及工作过程中的输出标准电压值等；

所述中央处理模块还与控制与显示模块连接，该控制与显示模块用于将接收到的电压校准过程中的操作指令传送给所述中央处理模块，以及将中央处理模块的电压校准过程中的输出信息显示输出。

具体地，参照图2所示，相应的直流电压校准器主要由高稳定度基准源模块、程控电压输出电路模块、中央处理模块、供电电源模块、控制与显示模块等部分组成。为了实现高精度可调标准电压输出，具体可以由高稳定度基准源模块输出稳定的dc+5v标准电压，在中央处理模块的控制下，由程控电压输出电路模块实现-10.0v～+10.0v的直流电压输出；为了实现减少温漂影响的高稳定输出，将高稳定度基准源模块、程控电压输出电路模块、中央处理模块放置在内部保持恒定温度的恒温槽内；图2中的供电电源模块用于提供各模块所需的dc+5v、dc±15v供电电压。

在图2中，相应的直流电压校准器的技术指标可以为：

输入电压范围：ac220v±10％；

输出电压范围：dc0～±10v；

输出电压步长：不大于5uv；

输出最大允许误差：±(0.003％输出+5uv)(20±5℃条件下)，±(0.005％输出+5uv)(0～+40℃条件下)；

工作温度范围：0～+40℃。

进一步地，为便于远程控制所述程控电压输出模块的工作过程，所述中央处理模块还可以连接有网络接口模块，利用该网络接口模块所述中央处理模块能够获取远程终端通过网络发送来的电压校准过程中的操作指令，以及将中央处理模块的电压校准过程中的输出信息通过网络发送给远程终端。

具体地，在该直流电压校准器具体实现过程中，所述的基准源模块采用lzt1000芯片实现；所述中央处理模块采用微控制器板实现，所述微控制器板内置w5100网络协议转换器；所述程控电压输出模块采用ad5791芯片实现，基准输入利用外部放大器进行检测，以及采用单位增益配置方式与输出放大器进行连接，还采用ad8675双通道放大器作为ad5791的配套器件。

在上述直流电压校准器中，所述控制与显示模块可以包括：led显示屏和4×4矩阵键盘，用于控制输出值的大小和界面显示。

在上述直流电压校准器中，若包括相应的网络接口模块，则本发明实施例还提供了一种直流电压校准客户端，其用于与直流电压校准器通过网络进行通信，以实现远程控制所述中央处理模块，进而实现远程操作电压校准过程，也就是说，通过该客户端，基于网络能够实现电压校准过程中的“定时输出、定量输出”的远程操控；具体地，该客户端如图3所示，可以包括：

网络连接模块，用于与网络建立连接，并通过网络与所述中央处理模块建立连接，以便于通过网络向所述中央处理模块发送操作指令；

显示处理模块，用于显示所述中央处理模块通过网络发送来的电压校准过程中的输出信息，便于客户端用户查看相关信息；

操作控制处理模块，用于在所述网络连接模块建立了该客户端与网络的连接后，通过网络向所述中央处理模块发送电压校准过程中的操作指令。

为保证网络连接的可靠性，该客户端还可以包括网络连接检测模块，用于对所述网络连接模块的网络连接状态进行测试，具体可以定时对网络连接状态进行测试，若网络连接状态正常，则继续待进行下一次测试，若网络连接状态异常，则尝试重新建立网络连接或通知客户端用户连接状态异常，以便于用户能够及时发现异常并进行相应的处理，进而保证电压校准过程中的操作指令等信息通过可靠地通过网络传送。

在该直流电压校准客户端中，为便于执行电压校准任务还可以包括任务管理模块，用于在满足预先设置的电压校准任务执行条件时根据预先设置的输出电压值和持续输出时间自动执行所述电压校准任务，或者，根据设置的输出电压值、持续输出时间和间隔时间自动执行预先设置的多个电压校准任务。其中，所述电压校准任务执行条件可以但不限于包括：指定时间或指定时间间隔；且所述当满足预定条件时自动执行的所述电压校准任务为一个或多个。

在上述直流电压校准客户端，所述显示处理模块具体可以包括：

电压输出控制界面模块，用于显示所述程控电压输出模块在电压校准过程中的电压输出值，具体可通过电压输出控制界面进行相应的显示；

网络参数设置界面模块，用于设置本地网络参数，所述网络参数包括ip地址、子网掩码和网关信息，具体可通过网络参数设置界面可以进行本地网络参数的设置操作；

进一步地，该直流电压校准客户端还可以包括门限控制管理模块，用于当确定在预定时间门限值时间段内一直没有收到电压校准过程中的操作指令时，则控制停止所述程控电压输出模块的电压输出；相应的，所述电压输出控制界面模块还用于显示所述时间门限值，具体可以显示所述时间门限值及其当前剩余的时间值等。

本发明实施例在具体应用过程中，相应的工作模式结构可以如图4所示，具体可以包括两种工作控制电压输出模式：

一种是本地用户通过对主机进行按键操作，即本地用户通过图2中的控制与显示模块包含的led显示屏和键盘进行操作，控制输出电压值；

另一种是远程用户通过客户端远程发送控制指令(即操作指令)，通过网络传输至主机中央控制单元(即中央处理模块)，进而控制输出电压值，从而可以采用远程操控的方法实现对无人值守台站设备进行校准操作。

因此，本发明实施例兼顾了本地控制和远程控制两种操作控制方式，在使用上更加方便、实用。

为便于对本发明的理解，下面将结合附图对本发明实施例的具体应用实现方式进行详细描述。

仍参照图2所示，本发明实施例中具体包括高稳定度基准源模块、程控电压输出电路模块、中央处理模块、恒温槽(图中未示出)、控制与显示模块、供电电源模块、客户端控制软件等部分；下面将分别对各个部分的具体实现方式进行说明：

(一)高稳定度基准源模块

在具体实现过程中，参照图6b所示，上述图2中的高稳定度基准源模块的主要器件可以采用lzt1000芯片实现。该芯片的内部集成了一个近表面齐纳基准、一个用于实现温度稳定性的加热电阻器和一个温度检测晶体管，通过采集温度传感器的测量值来控制加热器的加热电流，使得温漂系数可达0.05×10-6/℃，输出噪声约为1.2uvpp。芯片内部的齐纳管采用了深埋技术，电压稳定度可达1×10-6/年。此外，为了降低外围元件的噪声，并提高恒流控制和温度补偿精度，采用稳压管恒流驱动方式以实现低噪声；并选用低温漂、低噪声的采样电阻和差分运放等元器件。

(二)中央处理模块

中央处理模块是整个设备的处理控制单元，负责解析指令信号，控制dac(数字模拟转换器)编程输出等工作。参照图5所示，在实现过程中中央处理器可以采用ethernet微控制器板，内置w5100网络协议转换器，可以快速地实现将控制器接入互联网。微处理器(即图5中的单片机)作为中央处理模块核心器件，负责整个设备的显示、控制等工作；网络协议转换器作为通讯中介器件，负责远程客户端与本机设备的通讯中转，实现外部网络通讯与内部串口通讯的转换。

(三)程控电压输出模块

程控电压输出模块(或称程控式输出电路模块)主要实现直流电压的定量输出。为了实现5uv的输出分辨率和±10v的输出量程，电压输出模块需要一片20位以上精度的数模转换器。如图6所示，在具体实现过程中可以选择ad5791芯片作为数模转换器，该芯片是一款高精度、单通道、20位、串行输出、无缓冲电压输出的数模转换器，采用最高33v的双极性电源供电，拥有7.5v～16.5v的基准正电压和-16.5v～-2.5v的负基准电压，温漂系数为0.05uv/℃，分辨率可达1uv。为了确保ad5791能够发挥出额定性能并保持稳定，基准输入还需要利用外部放大器来进行检测。为了避免出现偏置电流失调的现象，采用单位增益配置方式与输出放大器进行连接。由于ad5791的正/负基准驱动/检测输入端都需要放置单位增益放大器，综合考虑到噪声、温度漂移和响应速度等因素，选择使用ad8675双通道放大器作为ad5791在高精度电压源中的配套器件。

(四)恒温槽

恒温槽装置采用购买的成品恒温槽，设置内部温度恒定为45℃，将高稳定度基准源模块、中央处理模块、程控式输出电路模块放置其中，以减少上述模块敏感器件受外部温度变化的影响。

(五)控制与显示模块

控制与显示模块主要由led显示屏、4×4矩阵键盘和网络接口组成，用于控制输出值和界面显示。其中，网络接口与中央处理模块连接，用于实现中央处理模块与客户端控制软件之间的网络通信。

如图7所示，led显示屏由电压输出控制界面(voltage)和网络参数设置界面(network)两部分组成，其中电压输出控制界面主要用于显示和控制本机控制直流电压输出；网络设置界面主要用于设置本机的网络参数，包括ip地址、子网掩码、网关。此外界面中还可以输出时间门限设置信息，如果到达该时间门限依然没有其它控制指令到来，就停止当前电压输出，以保证输出安全。

相应的4×4矩阵键盘的结构可以如图8所示，还可以通过键盘中的【屏幕切换】按键来切换电压输出控制界面和网络参数设置界面，以及通过【输出/停止】按键来进行相应电压值的输出/停止操作。

(六)客户端

为了实现用户对直流电压校准器的远程操控和程序化操控的需要，本发明实施例中还开发了一套客户端控制软件(简称客户端，即图3所示的直流电压校准客户端)。该客户端控制软件可以通过labview2011进行开发，其具有界面美观、操作简便等优点，例如，该客户端控制软件的初始界面可以如图9所示。

具体地，在设计开发过程中该客户端控制软件可以具备以下功能特点：

1)可自动进行网络连接状态测试，以保证网络连接的可靠性；

2)可进行远程电压值输出操作，即远程控制电压输出过程，实现远程电压校准的操作控制；

3)可动态显示当前输出电压波形图(类似于示波器)和指令信息，例如，如图10所示，显示通过远程控制电压输出界面显示输出电压；

4)可设置流程化输出，包括输出电压、持续输出时间和间隔时间(或停止时间)等；例如，如图11所示，可以在界面中的从左到右的输入框中输入设置输出电压值、持续时间和停止时间，以完成相应的流程化输出设置；进一步地，设置的信息可以保存在指定的路径下备用，相应的保存界面如图12所示；

通过该流程化输出的实现方式可以根据设置的输出电压值、持续输出时间和间隔时间自动执行预先设置的多个电压校准任务；

5)可定时、定量地设置输出工作任务，即可以指定操作指令执行的时间及执行的参数(即输出电压值)，例如，如图13所示，可以在界面中的从左到右的输入框中输入设置执行时间、电压值和持续时间等信息；同样，相应的设置信息可以通过保存按键执行保存操作；

通过该定时、定量地设置输出工作任务的处理方式可以实现在满足预先设置的电压校准任务执行条件时根据预先设置的输出电压值和持续输出时间自动执行所述电压校准任务；其中，所述电压校准任务执行条件可以包括：指定时间(即指定的执行时间)或指定时间间隔(即指定的执行间隔时间)等；且所述当满足预定条件时自动执行的所述电压校准任务为一个或多个。

通过上述针对本发明实施例的描述可以看出，本发明实施例提供了一款实现价格低廉，但性能优异、操作简便的程控式高精度直流电压校准器。其高输出精度很高，可以达到10uv量级；具有较宽工作温度范围，可以在0～+40℃环境保持输出精度；同时，其实现成本相对较低，整机硬件成本不超过4000元。该款直流电压校准器可满足地震观测台站对于直流电压类观测仪器进行校准的使用需求，同时也适用于其它相似行业的需求，具有广泛的应用前景。

进一步地，本发明实施例提供的程控式高精度直流电压校准器还具备本地控制和远程控制两种工作模式，使用户不必赶赴现场进行操作，在使用上方便、灵活，能够满足诸如无人值守台站等特殊需求的领域，具有广泛的应用前景。

另外，本发明实施例提供的程控式高精度直流电压校准器还具有流程化控制输出和“定时、定量”的程序控制输出功能，可解决大量重复性操作的问题和等待特定时间进行操作的问题，节约了时间和人工成本，具有很好的社会效益。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。