基于LabVIEW的顫振激勵信號生成與測試系統(tǒng)研究

冉景洪，趙 玲，季 辰，劉子強(qiáng)

（中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074）

基于LabVIEW的顫振激勵信號生成與測試系統(tǒng)研究

冉景洪，趙 玲，季 辰，劉子強(qiáng)

（中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074）

基于NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，結(jié)合跨音速風(fēng)洞顫振試驗特點，用LabVIEW語言為顫振試驗設(shè)計了一套激勵信號生成與多通道同步動態(tài)信號采集系統(tǒng)。設(shè)計的系統(tǒng)成功實現(xiàn)了新型IEPE傳感器和傳統(tǒng)電荷式傳感器兼容、加速度信號與應(yīng)變信號同步采集、激勵信號生成與多通道數(shù)據(jù)采集同步、直接內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)無限時存盤、信號實時顯示等方面的功能。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)設(shè)計方案完全滿足顫振試驗數(shù)據(jù)采集的要求，獲得良好的測試結(jié)果，在多功能同步采集系統(tǒng)設(shè)計方面取得了技術(shù)性應(yīng)用成果。

顫振試驗；信號生成；數(shù)據(jù)采集；風(fēng)洞試驗；LabVIEW語言

1 引 言

氣動彈性問題的研究對設(shè)計高性能飛行器有著舉足輕重的作用。特別是近空間高超音速飛行器，它有廣闊的飛行包線，并對結(jié)構(gòu)重量有著嚴(yán)格的限制，大量使用超輕質(zhì)、高強(qiáng)韌材料，因而機(jī)體整體和部件的柔性變形不可忽略。它還需要經(jīng)歷長時間氣動加熱的影響，一方面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能變化，另一方面氣動加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)振動和氣動彈性特性都會產(chǎn)生復(fù)雜的影響[1-2]?；谶@些原因，氣動彈性研究特別是顫振、抖振和發(fā)散現(xiàn)象的研究就顯得更加重要。

眾所周知，理論分析、試驗探索和數(shù)值計算三種研究手段中，試驗分析是獲得新型結(jié)構(gòu)特性和氣動性能的最可靠的手段?？紤]到風(fēng)洞試驗流動速度高、干擾大、試驗空間小、顫振現(xiàn)象發(fā)生時間不確定等因素的存在，一套性能優(yōu)異、功能齊全的數(shù)采系統(tǒng)必然也就成了試驗研究中必不可少的工具。

氣動彈性試驗特別是顫振試驗需要測量的參數(shù)比較多，通常要求在具備生成激勵信號功能的同時，還要能夠同步地采集力、多通道的加速度以及應(yīng)變信號。為了捕捉顫振現(xiàn)象發(fā)生時的響應(yīng)特性，還要求數(shù)采系統(tǒng)能夠不限時間地連續(xù)采集和存儲，并實時顯示與監(jiān)測分析，這對硬件定時的高速采集、數(shù)據(jù)存儲的可靠性都提出了很高的要求。該文針對氣動彈性研究中的顫振試驗用LabVIEW語言為相應(yīng)的硬件設(shè)備設(shè)計了一套激勵信號生成與多通道同步的動態(tài)信號采集系統(tǒng)，經(jīng)試驗驗證該設(shè)計方案滿足試驗要求。

2 顫振試驗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求

（1）顫振試驗常需要對模型輸入激勵信號，故數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)須具備信號生成功能，將生成的信號通過功放后輸入激振器激勵模型振動。

（2）試驗中必須記錄下激振器傳給模型的激勵力。因此，要能夠采集力信號。與此同時，模型的振動響應(yīng)將以加速度和應(yīng)變的形式輸出，數(shù)采系統(tǒng)還要能夠同時采集快速響應(yīng)的加速度信號和緩慢變化的應(yīng)變信號。

（3）數(shù)據(jù)分析理論要求激勵源、力、加速度和應(yīng)變信號同步采集，且因試驗中可能同時使用或在不同實驗室用分別使用傳統(tǒng)電荷式和新型IEPE兩種加速度傳感器，還要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備兼容帶激勵電流測量和不帶激勵電流的測量這兩個功能。

（4）為捕捉顫振現(xiàn)象發(fā)生時刻的響應(yīng)特性，數(shù)據(jù)采集必須能夠?qū)崟r記錄整個非定常的試驗過程，包括所有物理量變化過程和時間同步，即要實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的無限時高速流盤，并實時同步地顯示流動參數(shù)變化情況，以便監(jiān)測之用。

（5）由于試驗中流速較高，風(fēng)洞振動和環(huán)境干擾比較大，因此要求系統(tǒng)具備較高的抗干擾能力。

3 試驗硬件設(shè)備

激振器（含功放）1臺、ENDEVCO牌IEPE力傳感器1只及IEPE加速度傳感器2只、BK牌電荷式加速度傳感器及電荷放大器1套、已貼好2路全橋應(yīng)變橋的機(jī)翼模型、NI公司PXI-1042機(jī)箱1臺、PXI-8106嵌入式控制器1塊、PXI-4461信號生成與快信號采集卡1塊、PXI-4462快信號采集卡1塊、PXI-4220應(yīng)變信號采集卡2塊，具體連接情況如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備連接示意圖

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

因PXI構(gòu)架采用了PC技術(shù)，保持了PC總線技術(shù)的優(yōu)點。同時，NI公司的PXI平臺堅固耐用[3]。因此，設(shè)計方案采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計原則，建立了一套基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)描述如下：

4.1 任意波形信號的生成

顫振試驗有時需對模型進(jìn)行激振，常用的有正弦、脈沖和隨機(jī)白噪聲等激勵信號，LabVIEW語言都有這些信號的庫函數(shù)[4]。該文調(diào)用LabVIEW動態(tài)鏈接庫中的模塊Waveform Buffer Generation.vi子VI來實現(xiàn)信號生成。其工作原理如下：先基于PXI-4461采集卡Buffer（板卡內(nèi)存而非計算機(jī)內(nèi)存）的最大尺寸以數(shù)據(jù)個數(shù)的形式定義一個合適的使用空間Samples Per Buffer后，結(jié)合物理概念定義這個Buffer內(nèi)全部數(shù)據(jù)是多少個周期即Cycles Per Buffer，同時給幅值、相位或白噪聲相關(guān)參數(shù)等賦值；程序運行后先生成Samples Per Buffer個數(shù)據(jù)存入板卡Buffer后，由板件硬件時鐘按指定速率發(fā)給DA轉(zhuǎn)換器，從而生成指定波形的激勵信號，見圖2。

圖2 信號生成模塊的程序框圖

4.2 電荷式傳感器與IEPE傳感器的兼容

電荷式加速度傳感器在使用過程中產(chǎn)生的電荷需經(jīng)專門的電荷放大器后才能輸出電壓；而IEPE傳感器則是一種自帶集成電路芯片的新型傳感器，可在恒流激勵下感應(yīng)加速度后直接輸出電壓。LabVIEW語言根據(jù)這一原理分別為它們設(shè)計了不同的庫函數(shù)，故使用兩者在同一系統(tǒng)中測量加速度時需區(qū)別對待。

該文設(shè)計兼容性時用LabVIEW的Case選擇結(jié)構(gòu)在所有通道上都加入了選擇按鈕，要求指明輸入信號的傳感器類型。具體設(shè)計時對每塊多通道采集卡的獨立功能建一個任務(wù)，用數(shù)組的一個元素（簇）描述一個通道，該簇可記錄每通道的信息，比如輸入數(shù)值或輸入屬性等，循環(huán)執(zhí)行即可形成一個數(shù)組，與任務(wù)對應(yīng)。用戶在前面板界面上滑動水平滾動條指定通道（對應(yīng)一個簇元素），再根據(jù)傳感器實際連接情況指定輸入信號類型后（DSA Input Type）就可調(diào)用LabVIEW的不同庫函數(shù)來驅(qū)動硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，從而就可以在采集中同時使用兩種傳感器了，如圖 3（a）～圖 3（d）所示。

4.3 信號生成與多通道信號采集的同步

獲取同步信號是物理研究的基礎(chǔ)，也是衡量數(shù)采系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。采樣頻率、時鐘和觸發(fā)源都相同是同步采集的基礎(chǔ)，分3種情況：

圖3 電荷式傳感器與IEPE傳感器的兼容方案

（1）信號生成與數(shù)采同步。PXI-4461是一塊既能生成信號，又能采集動態(tài)信號的高性能采集卡。該文將兩個功能各自指定一個Task后，在共享時基和觸發(fā)源的情況下指定相同的采樣率就實現(xiàn)了生成與采集同步。

（2）快變化信號采集卡之間同步。PXI-4461和4462屬同系列板卡，都使用過采樣時鐘原理進(jìn)行工作，每塊板卡各有一個時鐘系統(tǒng)，故需將兩種板卡共享同一時基和同一觸發(fā)源后，再指定相同采樣率才能實現(xiàn)同步采集。注意，只能用PXI-4462作主卡插入機(jī)箱的Slot2插槽，即共享4462的時基和觸發(fā)源，反之則不行。因PXI-4461的時基在輸出到信號生成和采集兩個Task后就沒有多余線路將時基輸出到PXI總線用于共享了；而PXI-4462作主卡后，其時基除了輸出到自身信號采集Task后，還有條線路可路由到PXI總線上供其他板卡共享。

（3）快變信號采集卡與緩變信號采集卡之間的同步。PXI-4461和4462兩塊快信號采集卡使用的是過采樣時鐘，必須共享時基來實現(xiàn)同步；而PXI-4220應(yīng)變信號采集卡使用的是采樣時鐘，則只能共享時基分頻實現(xiàn)同步。

該文選PXI-4462作主卡，取其觸發(fā)源供所有板卡使用，并將其時基輸?shù)絇XI總線上供PXI-4461使用，再將其采樣時鐘共享給PXI-4220，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計同步的程序框圖

圖4中①是將PXI4462的采樣時鐘（時基分頻）路由給PXI-4220；②是將PXI4462的時基路由給PXI-4461的信號生成Task和信號采集Task，這兩者結(jié)合保證了整個數(shù)采系統(tǒng)使用同一時鐘；③是將PXI4462的同步觸發(fā)源路由給其他所有板卡，再指定相同的采樣率即實現(xiàn)了所有板卡同步。

4.4 無限時大量數(shù)據(jù)高速流盤技術(shù)

由于PXI-4461和PXI-4462都是最高采樣率為204.8KS/s、24位精度的高性能采集卡，若10個通道同時使用數(shù)據(jù)流量將達(dá)到至少3Mb/s。且顫振現(xiàn)象發(fā)生的時刻還不能確定，故數(shù)采系統(tǒng)必須使用流盤技術(shù)才能做到無限時大量數(shù)據(jù)存盤[5]。

基于PXI-4461/4462和PXI-4220都支持的DMA（Direct Memory Access）數(shù)據(jù)傳輸方式，直接將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)內(nèi)存后，借助循環(huán)緩存技術(shù)（雙緩存技術(shù)Double-buffering）實現(xiàn)高速流盤。即通過定義隊列在計算機(jī)內(nèi)存中開辟一塊空間[6]，容量大小定為所有通道一起工作時其采樣率×通道數(shù)的兩倍。一方面各板卡的ADC在“生產(chǎn)者-消費者”模式的“生產(chǎn)者”環(huán)節(jié)中采集數(shù)據(jù)后，以DMA方式將數(shù)據(jù)傳到隊列中，一次讀取的采樣數(shù)為一倍采樣率×通道數(shù)的大??；另一方面計算機(jī)在程序控制下同時從“消費者”環(huán)節(jié)中以二進(jìn)制形式將數(shù)據(jù)存入硬盤，以保證程序不停地從ADC中將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，且一個不漏地將數(shù)據(jù)從隊列中取走并存入到硬盤里，詳細(xì)實現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5中①是將所有通道采集到數(shù)據(jù)組成數(shù)組后以DMA的方式送入隊列；同時從②將數(shù)據(jù)從隊列中讀出來以二進(jìn)制的方式寫入硬盤。

圖5 高速流盤技術(shù)及實時顯示的程序框圖

4.5 動態(tài)信號數(shù)據(jù)實時顯示與監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)的試驗中只能通過觀察模型或示波器監(jiān)視響應(yīng)情況，但當(dāng)前的數(shù)采系統(tǒng)支持信號實時顯示功能，可用于監(jiān)測試驗狀態(tài)變化動向，LabVIEW語言中的Waveform Chart（波形圖表）就是專門為動態(tài)信號數(shù)據(jù)實時顯示而設(shè)計的。

該文將ADC采集的數(shù)據(jù)流引一條分支進(jìn)波形圖表來進(jìn)行監(jiān)測[7]，起到和示波器完全相同的作用，優(yōu)點是大大簡化整個試驗設(shè)備，程序框圖如圖5中位置③處所示。

4.6 采集系統(tǒng)抗干擾處理技術(shù)

低干擾、高信噪比的信號無疑是所有研究試驗都期待的結(jié)果，但大干擾和高噪在實際工作中總是不可避免的問題，關(guān)鍵問題在于如何盡可能地降低干擾，提高信噪比。該文設(shè)計的方案中從如下兩個方面進(jìn)行：

（1）設(shè)低通濾波器。對于PXI-4220這兩塊慢信號采集卡，在設(shè)計過程中通過屬性節(jié)點保證采集任務(wù)啟動時打開其低通濾波功能，其調(diào)用方式如圖6所示。

（2）提高采樣頻率。對于PXI-4461/4462這兩塊快點信號采集卡，本身自帶的抗混疊濾波功能會在數(shù)據(jù)采集啟動時自動打開。除此以外，將采樣頻率設(shè)定為所關(guān)心信號成份頻率的5倍以上便可盡可能減少由于采樣率過低而導(dǎo)致的誤差[8]。由于顫振試驗所關(guān)心頻率通常在2 000Hz以下，最可能引發(fā)顫振現(xiàn)象的頻率在500Hz以下，所以這樣處理導(dǎo)致采集系統(tǒng)引入的高頻干擾對顫振試驗數(shù)據(jù)的要求和結(jié)果影響不是很大。

5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

基于上述關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合程序設(shè)計中的模塊化原則，充分考慮操作員誤操作容錯處理和采集參數(shù)最優(yōu)化選擇等因素后[9]，開發(fā)出了一套與硬件緊密結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件，其主體構(gòu)架如圖7所示。

圖7 SGADSAS軟件主體構(gòu)架圖

除所有信號全部同步以外，其主要功能如下：

5.1 任意波形的信號生成

用戶可定義物理頻率（Desired Frequency）、波形類型、幅值、是否疊加白噪聲、白噪聲類型等信號生成參數(shù)和期待的數(shù)據(jù)采集采樣率（點/s），然后指定用PXI-4461的ai0還是ai1通道輸出信號。Samples Per Buffer和Cycles Per Buffer在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后由程序根據(jù)信號的物理頻率和期待采集數(shù)據(jù)的采樣率進(jìn)行自動優(yōu)化選擇，其重要關(guān)系式如下：

波形所含點數(shù)：Samples Per Cycle=Samples Per Buffer÷Cycles Per Buffer

系統(tǒng)實際采樣率：Resulting Sample Clock Rate=Desired Frequency×Samples Per Cycle

注意，系統(tǒng)實際采樣率是在考慮激勵信號生成與響應(yīng)信號數(shù)據(jù)采集同步時特針對該系統(tǒng)作優(yōu)化設(shè)計情況下的特殊參數(shù)，與期待采樣率可能相同，也可能不同，但絕不是定義物理硬件采樣率的公式。

5.2 力信號采集與加速度信號采集

PXI-4461和4462兩塊板卡的6個通道可采集6路信號力或加速度信號，且兼容電荷式傳感器和IEPE式傳感器，其最高采樣速率為每通道208KS/s。

5.3 應(yīng)變信號采集

兩塊PXI-4220緩變信號采集卡一共可以采集4路應(yīng)變橋（全、半或1/4橋均可），在開啟同步保持的情況下同時使用4個通道采集數(shù)據(jù)，其最高采樣率為每通道66KS/s。若每塊板卡只啟用1個通道采集數(shù)據(jù)時其最高采樣率增加為每通道100KS/s。當(dāng)PXI-4461、PXI-4462、兩塊PXI-4220共4塊板卡同時使用時，系統(tǒng)最高采樣率取決于最慢板卡的情況，即由PXI-4220決定，為每通道66KS/s。

5.4 實時顯示動態(tài)信號變化情況

設(shè)計的軟件能夠分為力信號、加速度信號和應(yīng)變信號3個波形圖表單獨顯示各種不同類型的信號。

5.5 數(shù)據(jù)無限時大流量流盤

在硬盤有空間的情況下，數(shù)采系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)直接存入硬盤的功能，從而打破了內(nèi)存容量的限制。理論上只要硬盤夠大，就可以永遠(yuǎn)采集數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

運用設(shè)計的SGADSAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在風(fēng)洞里對NACA0012機(jī)翼模型進(jìn)行了顫振試驗，試驗過程中4塊板卡全部啟用，在生成激勵信號的同時同步采集了力信號、加速度信號和應(yīng)變信號。

硬件系統(tǒng)工作正常表明，所設(shè)計的軟件能夠正常驅(qū)動硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。從同步通道測量同一標(biāo)準(zhǔn)信號的結(jié)果分析得知，測量結(jié)果誤差小于0.000001，速變信號采集通道嚴(yán)格同步，細(xì)微的差別是由于采集板卡24位精度及信號強(qiáng)度方面的原因所致。用所有通道對同一模型振動數(shù)據(jù)的采集分析結(jié)果表明，沒有相位差且系統(tǒng)具有較高的測量準(zhǔn)確度和較強(qiáng)的抗干擾能力，可直接服務(wù)于顫振試驗數(shù)據(jù)采集工作，達(dá)到了預(yù)期的目的和設(shè)計要求。

相比傳統(tǒng)數(shù)采設(shè)備采集時間有限制，只能借助于示波器監(jiān)測響應(yīng)變化趨勢，且儀器數(shù)量較多的情況，該設(shè)計方案大大地簡化了研究人員的操作強(qiáng)度和勞動量，是數(shù)據(jù)采集在顫振試驗設(shè)備方面的一次重要技術(shù)應(yīng)用。

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Design of excitation signal generation and data acquisition system for flutter test based on LabVIEW

RAN Jing-hong，ZHAO Ling，JI Chen，LIU Zi-qiang
（China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China）

Based on the characteristics of flutter test in wind tunnel and NI DAQ equipments，a dynamic synchronous data acquisition（DAQ）system with excitation signal generation was designed for flutter test based on LabVIEW.The system can realized several functions，such as compatibility for IEPE transducer and traditional charge transducer，synchronous data acquisition of acceleration signal and strain signal， synchronous signal generation and DAQ， direct memory access，unlimited data streaming as well as dynamic signal real-time display.The validation test showed that the designed system could meet the requirements of flutter test and it was a successful technique application of signal generation and multi-channel dynamic DAQ for flutter test in wind tunnel.

flutter test；signal generation；data acquisition；wind tunnel test；LabVIEW

TP311.52；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0084-05

2010-02-09；

2010-04-28

冉景洪（1980-），男，貴州思南縣人，工程師，碩士，主要從事低雷諾數(shù)流動和氣動彈性研究。