動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能分析

韓曉健，羅 成，李 寧，焦安超，于 丹

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 前言

在航天器研制過程中，動力學(xué)環(huán)境模擬試驗是一個必不可少的環(huán)節(jié)，其試驗結(jié)果對于暴露航天器及其組件設(shè)計、工藝、制造和裝配中存在的缺陷和隱患，檢驗航天器經(jīng)受振動環(huán)境的能力等方面起著重要的作用[1]。動力學(xué)環(huán)境試驗的數(shù)據(jù)采集、分析工作是試驗有效性評估的數(shù)值依據(jù)，是航天器產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段。動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)測量具有測量通道多、數(shù)據(jù)流量大、實時性要求高、試驗時間短、試驗可靠性要求高等特點，從而對數(shù)據(jù)采集和分析處理系統(tǒng)提出較高的要求。

目前，在大型航天器研制中，用于動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集和分析的系統(tǒng)多為國外引進(jìn)產(chǎn)品，如比利時LMS公司的HP3565S系統(tǒng)、SCADASIII系統(tǒng)，美國并行公司的 ISTAR系統(tǒng)、DP公司的DP700系統(tǒng)以及SD公司的JAGUAR系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都能夠滿足航天器動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集的特殊需要，但由于硬件技術(shù)的發(fā)展水平及系統(tǒng)總體設(shè)計思想的不同，因此他們的產(chǎn)品各有千秋，特別是在硬件的總線結(jié)構(gòu)、A/D板的結(jié)構(gòu)和速度，以及軟件的總體設(shè)計思路及數(shù)據(jù)管理模式方面都有很多不同。研究這些產(chǎn)品的硬、軟件結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點，有助于了解并研究動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的技術(shù)水平及未來的發(fā)展方向。

1 動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)

1.1 IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)

IEEE-488接口總線稱為通用接口總線（GPIB，General Purpose Interface Bus），它的作用是實現(xiàn)儀器、計算機、各種專用的儀器控制器和自動測控系統(tǒng)的快速雙向通信。IEEE-488 接口是一種8位數(shù)字式并行通信接口，其傳輸速率可達(dá)1 Mbit/s。GPIB使用1條傳輸線工作，其通信電纜阻抗和終端性能制約著最大數(shù)據(jù)傳輸率。IEEE-488 規(guī)定所用通信電纜的總長度必須小于20 m[2]。

1.2 VXI（VME）總線結(jié)構(gòu)

1987年推出了VXI（VME bus extension for instrumentation）總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，VXI 總線是基于VME總線的擴展，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)40 MB/s。它具有開放的標(biāo)準(zhǔn)、模塊化設(shè)計、小型便攜、對儀器功能的有力支持、靈活性強和可靠性高的特點[2]。用這樣的總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行高吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸是非常理想的。

1.3 PCI和PXI總線

PCI（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group） 總線于1992年問世，它是一種全新的高速PC計算機總線，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到132 MB/s。

PXI（PCI Extension for Instrumentation ）是由美國NI公司于1987年推出的測控儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，PXI總線是在以PCI計算機局部總線為基礎(chǔ)的模塊儀器結(jié)構(gòu)上發(fā)展起來的。它不但具有PCI的性能和特點，適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集的新型虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)，而且還是PCI總線的增強與擴展，并與現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Compact PCI兼容，在相同插件底板中提供不同廠商產(chǎn)品的互聯(lián)與操作。作為一種開放的儀器結(jié)構(gòu)，PXI 提供了在VXI以外的另一種選擇。它具備 32/64位數(shù)據(jù)傳輸能力及分別高達(dá)132 MB/s（32位）和264 MB/s（64位）的數(shù)據(jù)傳輸速度。

1.4 LXI總線

2004年安捷倫公司和 VXI科技公司在結(jié)合了GPIB和VXI優(yōu)點的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于以太網(wǎng)的LXI（LAN eXtension for Instrumentation）總線。它是一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代基于LAN的模塊化平臺標(biāo)準(zhǔn)。LXI結(jié)合了臺式儀器的內(nèi)置測量技術(shù)和PC標(biāo)準(zhǔn)I/O連接能力，并基于插卡框架系統(tǒng)的模塊化和小尺寸等優(yōu)點于一身。同年 9月兩公司推出 LXI接口規(guī)范并成立 LXI聯(lián)盟，LXI標(biāo)準(zhǔn)要求所有LXI設(shè)備都需要提供包括產(chǎn)品主要信息的網(wǎng)頁。該網(wǎng)頁必須可從標(biāo)準(zhǔn)W3C網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀看，并符合 HTML1.1 網(wǎng)頁4.01版標(biāo)準(zhǔn)或更高。每一臺 LXI設(shè)備必須實現(xiàn)IEEE 802.3（LAN）。

2 我國動力學(xué)試驗用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)

2.1 比利時LMS公司的HP3565S系統(tǒng)

1992年引進(jìn)的比利時 LMS公司的 HP3565S系統(tǒng)可進(jìn)行動力學(xué)環(huán)境試驗的振動、隨機振動、噪聲試驗的數(shù)據(jù)采集和處理，還可進(jìn)行模態(tài)試驗的數(shù)據(jù)采集處理。該系統(tǒng)是每套80個通道。系統(tǒng)框圖見圖1。該系統(tǒng)采用IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)流是通過前端的A/D采集和處理經(jīng)過IEEE-488接口傳輸?shù)较到y(tǒng)的硬盤。受到IEEE-488總線的速度限制，該系統(tǒng)傳輸速率不大于1 MB/s，這樣既限制了系統(tǒng)的通道數(shù)不能太多，同時由于時域數(shù)據(jù)量大，也限制了時域數(shù)據(jù)的存儲。

圖1 HP3565S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Configuration for HP3565S

2.2 美國DP公司的DP750

美國DP（Data Physics）公司的最新信號分析儀DP750使用Ethernet接口和前端機連接，這種以太網(wǎng)接口有很多優(yōu)勢：1 GB/s傳輸速率；主機箱和前端機箱的間距最大可達(dá)100 m；通過局域網(wǎng)實現(xiàn)多個用戶連接。單個Abacus主機鋪以通過以太網(wǎng)連接的客戶機，攜帶便捷，是真正的便攜式儀器。盡管以太網(wǎng)的傳輸率很高，但 DP750并未利用此優(yōu)勢，而是采用前端內(nèi)置的100 GB硬盤，將大容量的時域數(shù)據(jù)以高達(dá)20 MB/s的速度存入前端硬盤（throughput硬盤），試驗后再導(dǎo)入到主機硬盤中。系統(tǒng)框架圖如圖2。

圖2 DP750系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Configuration for DP750

2.3 美國并行公司的ISTAR系統(tǒng)

ISTAR數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是美國并行公司于1997年生產(chǎn)的，其通道數(shù)為352個，是目前國內(nèi)通道數(shù)最多的一臺動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其系統(tǒng)為工作站系統(tǒng)，總線是VME總線結(jié)構(gòu)。VXI 總線數(shù)據(jù)傳輸率為40 MB/s。系統(tǒng)框架圖見圖3。

圖3 ISTAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Configuration for ISTAR

2.4 自主研發(fā)的DMS-100數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

自主研發(fā)的DMS-100動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)硬件平臺采用主控計算機和 VXI機箱組成測試單元的結(jié)構(gòu)，其中：VXI測試總線機箱中內(nèi)置一個零槽控制器，用于管理 VXI測試模塊間的協(xié)調(diào)以及同步；主控計算機通過內(nèi)置于計算機的PCI 1394轉(zhuǎn)換卡、IEEE 1394總線和內(nèi)置于VXI機箱的控制功能模塊（零槽控制器）與VXI 測試系統(tǒng)機箱連接，實現(xiàn)與VXI測試機箱的快速數(shù)據(jù)傳輸及通訊管理工作。IEEE 1394總線對VXI總線集成自動化測試系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，目前絕大多數(shù)桌面PC都還沒有配置IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)總線接口，因此這種構(gòu)建VXI總線集成自動化測試系統(tǒng)的方案中涉及到兩種接口適配器。目前桌面PC主板上最常用的標(biāo)準(zhǔn)總線就是PCI總線，所以通常IEEE 1394-VXI零槽控制器提供一塊PCI-IEEE 1394接口適配器作為附件[3]。

在測試過程中，VXI總線機箱通過A/D轉(zhuǎn)換器完成動力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集（同樣對于任意波形輸出，通過 D/A轉(zhuǎn)換器輸出動力學(xué)試驗需求的任意波形），所有采集數(shù)據(jù)通過VXI總線及IEEE 1394連接線實時傳送到主控計算機，由主控計算機完成數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲、實時顯示等任務(wù)。系統(tǒng)框架圖見圖4。

圖4 DMS-100系統(tǒng)總線及結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Configuration for DMS-100

2.5 美國SD公司的JAGUAR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

美國SD公司的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由多個SD2570 系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)最多可達(dá)98個通道。SD2570系統(tǒng)的主機由SUN工作站進(jìn)行實時在線數(shù)據(jù)采集和處理，其總線同 ISTAR系統(tǒng)，同樣是VME總線結(jié)構(gòu)，所不同的是它通過前端的系統(tǒng)throughput硬盤將大容量的時域數(shù)據(jù)存儲，然后倒入主機硬盤?？偩€圖如圖5。

圖5 SD2750系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Configuration for SD2750

2.6 比利時LMS公司的SCADASIII系統(tǒng)

比利時LMS公司2003年生產(chǎn)的SCADASIII數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其前端和主機通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SCSI接口，確?？焖俸蜏?zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞，主機和前端實際達(dá)到11 M采樣點/s。如果系統(tǒng)增加輔助機箱的話，由于受機箱間數(shù)據(jù)傳輸速度的影響，整個系統(tǒng)的傳輸率會明顯下降，1套由4個機箱組成的200通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試其系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率只有3 M采樣點/s，測試另一套由2個機箱組成的228通道的系統(tǒng)傳輸速率不大于6.5 M采樣點/s。系統(tǒng)的總線框架圖見圖6。

圖6 SCADASIII系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Configuration for SCADASIII

2.7 分布集成式系統(tǒng)

近年來為了建立超大型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出了分布集成式系統(tǒng)的設(shè)計思想，即各個單機系統(tǒng)相互獨立，由主控計算機對各個單機系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，主控機與單機通過以太網(wǎng)（1 000 MB/s帶寬）相連，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與分布式數(shù)據(jù)管理的工作模式。單機系統(tǒng)的模塊化設(shè)計思想使單機系統(tǒng)的擴容變成了現(xiàn)實，同時也克服了單一超大系統(tǒng)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i。分布集成式系統(tǒng)構(gòu)成見圖7。

圖7 分布集成式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 7 Configuration for distributing and integration system

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法

無論哪種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其隨機試驗數(shù)據(jù)方法和沖擊試驗沖擊響應(yīng)譜的計算方法都沒有太大差異，只是在掃描正弦數(shù)據(jù)處理的方法上各有各的特點。掃描正弦數(shù)據(jù)處理主要涉及到頻率的辨識方法及響應(yīng)的峰值計算方法。頻率的辨識方法主要有時間倒數(shù)法（過零法）、數(shù)字跟蹤濾波法和FFT法。響應(yīng)數(shù)據(jù)的峰值計算主要有4種方法：絕對峰值法，平均值峰值法，有效值峰值法，濾波方式峰值法。

1）絕對峰值法

對正弦時域信號進(jìn)行實時處理時，取每個響應(yīng)信號所處理周期內(nèi)采樣點數(shù)值的絕對響應(yīng)峰值。處理公式為

式中：Ap為絕對峰值；ai為每個處理周期內(nèi)的采樣點數(shù)值，i=1,2,…N (N為所處理周期內(nèi)的采樣點數(shù)）。

2）平均值峰值法（average value）

對正弦時域信號進(jìn)行實時處理時，取每個響應(yīng)信號所處理周期內(nèi)采樣點數(shù)值的絕對響應(yīng)平均值，再換算成峰值。處理公式為

式中：Aavg為平均峰值。

3）有效值峰值法（RMS value）

對正弦時域信號進(jìn)行實時處理時，取每個響應(yīng)信號所處理周期內(nèi)的響應(yīng)數(shù)值的有效值，再換算成峰值。處理公式為

式中：ARMS為有效值峰值。

4）濾波方式峰值法（filtered value）

對正弦時域信號進(jìn)行實時處理時，取每個響應(yīng)信號所處理周期內(nèi)的各響應(yīng)點的數(shù)值，按濾波方式的處理方法獲得幅值。

假設(shè)正弦信號激勵時結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號表示為y=Acos(ωt+φ)+Harmonics+Offset+Noise；或?qū)憺閥(t)=A0+A1sin(ωt+φ1)+A2sin(2ωt+φ2)+…+Ansin(n · ωt+φn) 。

幅值為

相位為

上述式中：y(t)為各采樣點數(shù)值；T為所處理的正弦信號的周期；P為信號幅值的實部；Q為信號幅值的虛部；A為信號幅值；?為信號初相位。ω= 2πf，為正弦信號頻率；t為采樣時間。

3.1 HP3565S系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式

HP3565S系統(tǒng)是基于 UNIX操作系統(tǒng)運行模式，該系統(tǒng)每套最多有80通道，可以多套組成一個系統(tǒng)，需要多人操作。由于受到當(dāng)時硬件的限制，因此系統(tǒng)單通道采樣率只有12.8 kHz。系統(tǒng)可完成動力學(xué)環(huán)境試驗的正弦、隨機、沖擊試驗的實時數(shù)據(jù)采集和處理。

正弦數(shù)據(jù)處理中沒有時域數(shù)據(jù)的采集及存儲、后處理功能，只能在線實時處理。在線進(jìn)行譜分析時，數(shù)據(jù)處理方式主要有絕對峰值法、有效值峰值法、平均值峰值法，還可在線進(jìn)行傳遞函數(shù)計算等。

頻率辨識采用過零法。

在正弦數(shù)據(jù)采集過程中，每個信號的幅值以12.8 kHz進(jìn)行采樣，然后基于數(shù)據(jù)處理的抽取的方法進(jìn)行再采樣，目的是降低其采樣頻率，其再采樣頻率的設(shè)置如表1。

表1 HP3565S系統(tǒng)再采樣頻率設(shè)置方法Table 1 Method of set up resampling frequency for HP 3565S

3.2 ISTAR及DMS-100 系統(tǒng)的掃描正弦數(shù)據(jù)處理方式

ISTAR和DMS-100系統(tǒng)的硬件不同，其中：ISTAR的A/D板為32通道，16位A/D，51.2 kHz采樣頻率，系統(tǒng)共352通道；DMS-100 A/D板為32通道，每通道采樣率可以達(dá)到51.2 kHz，采樣位數(shù)16位，系統(tǒng)共128通道。

這兩套系統(tǒng)的掃描正弦數(shù)據(jù)處理方式是一樣的，它們的共同特點是可在線實時對掃描正弦、隨機、沖擊試驗時域數(shù)據(jù)采集并處理，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理。在線進(jìn)行譜分析時，數(shù)據(jù)處理方式有絕對峰值法、有效值峰值法、濾波方式峰值法，還可在線進(jìn)行傳遞函數(shù)計算等。

掃描正弦頻率的辨識均采用過零法。在正弦數(shù)據(jù)采集過程中，其采樣率設(shè)置原則是：采樣頻率=（諧波頻率+1）×K ×最大分析頻率，系統(tǒng)缺省設(shè)置K = 4。一般可以遵循以上原則進(jìn)行選取，也可自由選取，一般選取最高分析頻率的32倍或20倍。

幅值計算方法見公式(1) (5)。在進(jìn)行幅值計算時，對每個頻率點所選取的時域數(shù)據(jù)的周期數(shù)符合表2的規(guī)律，可以根據(jù)要求選取不同的頻率。

表2 ISTAR系統(tǒng)掃描正弦數(shù)據(jù)處理方法Table 2 Data processing method of sine sweep for ISTAR

3.3 SD2570系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式

美國SD公司的SD2570系統(tǒng)對掃描正弦數(shù)據(jù)處理采取先利用系統(tǒng)前端的 throughtput硬盤在線實時存儲時域數(shù)據(jù)然后進(jìn)行時域數(shù)據(jù)回放再處理的方式，每個硬盤容量達(dá)到36 GB，每套系統(tǒng)可擴充到 6個硬盤。其頻率是通過標(biāo)準(zhǔn)COLA信號應(yīng)用過零法進(jìn)行辨識。其幅值的計算見公式(1) (5)。其中濾波峰值法的詳細(xì)過程如圖8所示。

圖8 SD2750 幅值濾波計算方法示意圖Fig. 8 Estimation method of Filtered value for SD2570

3.4 SCADASIII系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式

SCADASIII系統(tǒng)基本功能主要是對掃描正弦、隨機、沖擊試驗數(shù)據(jù)可在線實時時域數(shù)據(jù)采集并處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度快。

利用該系統(tǒng)對掃描正弦數(shù)據(jù)處理時可進(jìn)行在線實時時域數(shù)據(jù)的采集及存儲、在線頻響處理，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理。在線進(jìn)行頻響分析時，數(shù)據(jù)處理方式有：絕對峰值法、有效值峰值法、濾波方式峰值法，還可在線進(jìn)行傳遞函數(shù)計算等。單通道采樣率達(dá)到204.8 kHz。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用控制系統(tǒng)提供的 COLA信號進(jìn)行實時頻率跟蹤辨識，利用時間倒數(shù)法進(jìn)行激勵信號的實時頻率辨識，采用26 MHz的計數(shù)器，它的分辨率可達(dá)38 ns，對COLA信號進(jìn)行采樣，采集整周期信號，再根據(jù)整周期內(nèi)采集的點數(shù)和采樣率計算一個周期的時間，頻率由一周期時間的倒數(shù)得到。

SCADASIII系統(tǒng)的 A/D 最高采樣率是204.8 kHz，這樣，系統(tǒng)通過多倍的再采樣設(shè)計，即有12個緩沖器，根據(jù)COLA信號辨識信號頻率，對響應(yīng)信號進(jìn)行相應(yīng)的抽取，即不同頻率的響應(yīng)數(shù)據(jù)的最終采樣率落到這12個緩沖器范圍內(nèi)，進(jìn)行幅值計算。最高緩沖器的采樣頻率等于 A/D的最高采樣頻率（204.8 kHZ），最低緩沖器的采樣頻率是204 800/211=100 Hz。每個掃描頻率的信號的幅值信號以A/D的采樣頻率204.8 kHz進(jìn)行采樣，基于再采樣因子（128倍）的設(shè)計思路，每個頻率的信號又以大于等于其頻率的 128倍的原則被數(shù)字采樣，該信號落在相對應(yīng)的緩沖器中[4]。隨著掃描正弦信號的頻率的變化，其采樣率也在變化，具體見圖9。

圖9 SCADASIII系統(tǒng)掃描正弦幅值計算示意圖Fig. 9 Estimation method of data of sine sweep for SCADASIII

4 主要性能比較

動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理的方法目前已成熟，但大型航天器研制的需求和要求測量的點數(shù)增加，需要大型的多通道實時數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。由于系統(tǒng)硬件性能的限制，因此單套系統(tǒng)的通道數(shù)的發(fā)展受到限制，目前，單套系統(tǒng)的最大通道數(shù)為352通道。大型系統(tǒng)的通道數(shù)的發(fā)展受到限制的主要原因是系統(tǒng)需要具備在線實時采集時域數(shù)據(jù)并在線實時處理的能力，而大流量的數(shù)據(jù)實時存儲和傳輸受到限制。為了突破這一瓶頸，在各系統(tǒng)上應(yīng)用了各種方式提高數(shù)據(jù)的傳輸能力或采取throughput 硬盤方式將大流量的數(shù)據(jù)灌硬盤。這樣，各系統(tǒng)的能力及數(shù)據(jù)存儲和管理模式各有不同，見表3。

表3 系統(tǒng)硬件主要性能比較Table 3 Main capabilities of each system

5 結(jié)束語

以上幾套系統(tǒng)的優(yōu)勢各有不同，但從以上比較可以看出多通道大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：

1）大型動力學(xué)環(huán)境試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作平臺已從UNIX操作系統(tǒng)發(fā)展到了Windows操作系統(tǒng)；

2）隨著硬件性能提高，在線實時處理并將時域數(shù)據(jù)直接存儲到主機硬盤的方式將逐步取代中間硬盤的存儲方式；

3）以電壓/ICP的多輸入方式取代單一的電壓輸入方式；

4）以分布集成式的系統(tǒng)模式代替超大系統(tǒng)的模式，避免因超大系統(tǒng)出現(xiàn)故障而造成整個系統(tǒng)的癱瘓。

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