一種試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

王文龍，張少博，陳海峰

（西安航天動力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安710100）

0 引言

液體火箭發(fā)動機(jī)試車的目的之一，是為了獲取發(fā)動機(jī)的各類參數(shù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是驗(yàn)證發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)理論、研究發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)和評價(jià)發(fā)動機(jī)工作性能的重要依據(jù)。

液體火箭發(fā)動機(jī)的每次試驗(yàn)都會產(chǎn)生大量不同類型的發(fā)動機(jī)推力、流量、壓力、溫度、振動、位移等參數(shù)數(shù)據(jù)。目前使用不同的處理軟件分別進(jìn)行處理，處理效率低，同時(shí)數(shù)據(jù)采集保存的原始數(shù)據(jù)大多為二進(jìn)制碼，試車后需要將大量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定的格式進(jìn)行處理分析，并生成數(shù)據(jù)分析報(bào)告。由于需要讀取大量系數(shù)文件和傳感器零位、大氣壓力值、校驗(yàn)斜率、密度等輔助文件，對二進(jìn)制文件進(jìn)行后續(xù)處理，其過程比較繁瑣，數(shù)據(jù)量較大。針對上述問題，開發(fā)一套處理模塊清晰連貫、功能明確、運(yùn)行效率較高的試車數(shù)據(jù)處理軟件，滿足當(dāng)前繁重的試驗(yàn)任務(wù)是十分必要的。

1 硬件環(huán)境要求

綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是根據(jù)液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車技術(shù)特點(diǎn)及多類型參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)可測量應(yīng)變、壓力、溫度、位移、時(shí)統(tǒng)、階段、相位等多類型的信號，并可承擔(dān)各種不同型號試驗(yàn)的采集任務(wù)。綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理如圖1所示：

圖1 綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagramofsynthetic data acquisition system

2 系統(tǒng)需求

建立以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)，是滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用的必要條件。可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他試驗(yàn)相關(guān)的文檔和管理信息緊密聯(lián)系，大大提高數(shù)據(jù)管理效率，改變現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存在的處理類型單一、處理錯誤多、速度慢等缺點(diǎn)，同時(shí)滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速處理要求，并能夠進(jìn)行綜合分析利用。綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對編寫數(shù)據(jù)處理軟件提出了較高要求，因?yàn)閰?shù)類型多、數(shù)據(jù)量大，處理、分析、計(jì)算等方法不同，在實(shí)際編寫中要求處理軟件具有較高效率和較強(qiáng)功能。數(shù)據(jù)處理軟件是將所有參數(shù)信息、采集數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)報(bào)告的要求獲得數(shù)據(jù)結(jié)果的軟件。通過處理軟件，可以觀察采集到的毫伏數(shù)、參數(shù)值，可以分段、分時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)，可以求得不同時(shí)間段的最大值、最小值和平均值，可以將掉點(diǎn)、異常的參數(shù)進(jìn)行置空、置零處理或者修正。

3 軟件設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，火箭發(fā)動機(jī)研制試驗(yàn)領(lǐng)域也越來越多地使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟件便逐漸成為試驗(yàn)系統(tǒng)中獨(dú)立的、舉足輕重的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，甚至在一定程度上決定著試驗(yàn)的成敗。在試驗(yàn)的整個(gè)過程中，軟件的正確性、可靠性、安全性對試驗(yàn)的成敗起關(guān)鍵作用。隨著測量系統(tǒng)向著集成化、模塊化方向的不斷發(fā)展，測量軟件便逐漸形成試驗(yàn)系統(tǒng)中一個(gè)舉足輕重的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理軟件大多以VB6.0軟件編程語言為基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)與其他采集系統(tǒng)的有效集成，軟件架構(gòu)采用VB6.0軟件開發(fā)平臺。通過與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫ACCESS進(jìn)行交互處理，并按數(shù)據(jù)處理要求編寫數(shù)據(jù)處理算法，調(diào)用NI采集系統(tǒng)二進(jìn)制源文件，數(shù)據(jù)處理后輸出數(shù)據(jù)報(bào)告文件。

軟件的底層輸入是NI采集硬件采集得到的二進(jìn)制DAT數(shù)據(jù)文件和TIM時(shí)間文件，軟件信息交互通過ACCESS信息設(shè)置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)置和調(diào)用，輸出所要求的數(shù)據(jù)報(bào)告文件。

數(shù)據(jù)處理軟件的目標(biāo)是將采集系統(tǒng)采集的二進(jìn)制原碼轉(zhuǎn)換為便于分析的相應(yīng)數(shù)據(jù)格式，并按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，最后輸出數(shù)據(jù)報(bào)告文件。軟件的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 試車數(shù)據(jù)處理軟件組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Configuration ofdata processingsoftware for test

該綜合數(shù)據(jù)處理軟件整個(gè)處理功能模塊整體性強(qiáng)、功能明確、運(yùn)行效率較高。根據(jù)軟件功能要求，軟件流程依次為文件處理、數(shù)據(jù)處理、報(bào)告輸出三個(gè)部分。在文件處理模塊，主要進(jìn)行系數(shù)文件的讀取，信息設(shè)置、信息驗(yàn)證工作；在數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行時(shí)間源文件、數(shù)據(jù)源文件的調(diào)用、計(jì)算、處理；報(bào)告輸出模塊是按照輸出要求進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)告打印、存儲、顯示等輸出工作。軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理軟件流程圖Fig.3 Flowchart ofdata processingsoftware

4 關(guān)鍵技術(shù)

處理軟件首先要實(shí)現(xiàn)對參數(shù)配置信息的調(diào)用、采集數(shù)據(jù)的讀取、校驗(yàn)結(jié)果的讀取、零位數(shù)據(jù)的讀取功能，這些信息都存放于ACCESS數(shù)據(jù)庫的不同表中，利用VB接口函數(shù)選擇相應(yīng)表中所需要的數(shù)據(jù)讀入。在對數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程中，重要的一步就是對各種應(yīng)變、壓力、溫度、位移的校驗(yàn)斜率的處理，處理方法采用最小二乘法。

為了達(dá)到綜合數(shù)據(jù)處理的目的，其試車數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)要綜合考慮各測量參數(shù)，通過分析各類型參數(shù)處理計(jì)算方法，編寫相應(yīng)的處理算法，使處理軟件能廣泛地應(yīng)用于試車的各類參數(shù)。對于應(yīng)變、推力、壓力參數(shù)的校驗(yàn)主要是通過加載三遍六檔應(yīng)變值，采集系統(tǒng)采集電壓值，用最小二乘法擬合曲線，求出應(yīng)變-電壓關(guān)系系數(shù)，保證S2在0 3%以內(nèi)。否則應(yīng)查找原因重新校驗(yàn)。而后根據(jù)校驗(yàn)出來的斜率值，結(jié)合校驗(yàn)零位和實(shí)際采集到的電壓值，計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)際測量物理量數(shù)值。數(shù)據(jù)處理的最終結(jié)果是以三種方式提供的，分別是1：1毫伏數(shù)、初算、復(fù)算。1：1毫伏數(shù)：毫伏數(shù)就是將系統(tǒng)采集的二進(jìn)制原碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制碼，按照時(shí)間序列輸出。初算：使用1：1計(jì)算出的結(jié)果減去零位記錄值后乘以校準(zhǔn)斜率，得出該傳感器的設(shè)計(jì)物理量值；復(fù)算：過渡段計(jì)算方法與初算相同，平穩(wěn)段計(jì)算時(shí)通過選擇處理區(qū)間、報(bào)告文件、時(shí)間區(qū)間、處理步長、處理狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終輸出數(shù)據(jù)報(bào)告通常選用這種處理方式。數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了各類參數(shù)的處理算法。通過在綜合采集系統(tǒng)界面中配置參數(shù)信息，選擇相應(yīng)參數(shù)類型，讀取校驗(yàn)結(jié)果、零位數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)各種不同參數(shù)的數(shù)據(jù)處理。這些信息都存放于ACCESS數(shù)據(jù)庫的不同表中，利用VB接口函數(shù)選擇相應(yīng)表中所需要的數(shù)據(jù)讀入。

在上述分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對二進(jìn)制原碼的讀取，進(jìn)而進(jìn)行不同段（過渡段、平穩(wěn)段）和不同的計(jì)算方式（毫伏數(shù)、初算、復(fù)算）的數(shù)據(jù)處理、打印功能。軟件功能模塊見圖4。

圖4 軟件功能模塊Fig.4 Function modules ofsoftware

在圖4中，數(shù)據(jù)處理軟件通過轉(zhuǎn)換算法對綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的二進(jìn)制文件進(jìn)行原碼轉(zhuǎn)換，并對采集系統(tǒng)參數(shù)配置進(jìn)行校驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理采用1：1毫伏數(shù)、初算、復(fù)算三種供選擇算法，最后按照要求輸出數(shù)據(jù)報(bào)告文件。

軟件開發(fā)過程中使用先進(jìn)的開發(fā)框架理念，通過封裝數(shù)據(jù)處理算法，使用模塊化編程模式，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存放調(diào)用數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了軟件的可行性評審、軟件架構(gòu)調(diào)試、軟件測試等，實(shí)現(xiàn)了多線程技術(shù)和MFC開發(fā)實(shí)時(shí)采集、二進(jìn)制大規(guī)模源數(shù)據(jù)的讀取、各類參數(shù)處理算法實(shí)現(xiàn)、基于VB的ACCESS數(shù)據(jù)庫應(yīng)用以及軟件的容錯性設(shè)計(jì)五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，使得軟件的處理速度、可靠性、操作性得到提高。同時(shí)，功能模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，模塊之間耦合度低，可以減少模塊間的相互依賴。有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)變更時(shí)對系統(tǒng)修改的工作。

4.1 文件獲取和處理

數(shù)據(jù)主要來自大型試驗(yàn)后采集的原始二進(jìn)制文件數(shù)據(jù)和處理后的文本文件以及早期試車紙質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過軟件轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的文件格式，并且通過軟件接口導(dǎo)入至關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。為了提高數(shù)據(jù)錄入速度，提高數(shù)據(jù)庫對試車數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、一致性要求，對表層成果數(shù)據(jù)的錄入采用三種方式：

1）對零散的數(shù)據(jù)采用手工錄入方式；

2）對批量的excel格式的數(shù)據(jù)入庫采用固定格式上傳；

3） 用戶可以通過提供的模板格式上傳，也可以自定義模板上傳。

4.2 二進(jìn)制大規(guī)模源數(shù)據(jù)的讀取

試車中高速采集的數(shù)據(jù)量規(guī)模很大，如何有效、快速的提取大規(guī)模二進(jìn)制源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、讀取、顯示是數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)的一大難點(diǎn)。通常，原始數(shù)據(jù)文件是將一個(gè)采集點(diǎn)的所有參數(shù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)包順序存入。因此，在讀取時(shí)，首先要確定所讀參數(shù)的位置，位置的確定根據(jù)參數(shù)排序、所占字節(jié)數(shù)等信息確定，確定了參數(shù)位置后，采用VB提供的數(shù)據(jù)文件讀取函數(shù)，按照固定字節(jié)數(shù)讀取所需數(shù)據(jù)。

由于在數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)和時(shí)間文件是分開存放的，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要將數(shù)據(jù)文件與時(shí)間文件進(jìn)行對應(yīng)處理。通過各種方式對比，最終選擇了按照采集點(diǎn)數(shù)來確定時(shí)間位置的方法，如：使用1 000點(diǎn)/秒的采樣速率情況下，數(shù)據(jù)文件的采集點(diǎn)數(shù)達(dá)到1 000時(shí)，也正好是時(shí)間文件到達(dá)1秒的時(shí)間點(diǎn)。采集軟件中對這種對應(yīng)關(guān)系編寫了驗(yàn)證算法，通過驗(yàn)證算法可以對這種對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行識別，確保數(shù)據(jù)文件和時(shí)間文件對應(yīng)處理完全正確。

在數(shù)據(jù)讀取中，為了提高讀取速度，采用以下幾個(gè)原則：1）時(shí)間文件和數(shù)據(jù)文件分別讀取，減小文件選擇時(shí)間；2）按照數(shù)據(jù)序列格式逐字節(jié)讀取，減小字節(jié)搜索時(shí)間；3）采用最近原則取數(shù)，減小循環(huán)次數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)讀取算法的調(diào)試和減少系統(tǒng)修改的復(fù)雜度，對二進(jìn)制大規(guī)模源數(shù)據(jù)的讀取算法，采用封裝的模式，方便程序調(diào)用。通過此種模式，可以方便算法內(nèi)部的修改調(diào)整，而不影響整個(gè)處理程序的結(jié)構(gòu)。

4.3 源碼轉(zhuǎn)換功能

試車數(shù)據(jù)基本都以Word、txt這些格式在系統(tǒng)中存在，但是數(shù)據(jù)格式不盡相同，為利用既有數(shù)據(jù)，試車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供了格式轉(zhuǎn)換功能，把異種格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)通用的存儲格式，從而使原有這些試車數(shù)據(jù)文件可以被試車數(shù)據(jù)庫所訪問和利用。為了減少對原有數(shù)據(jù)文件的應(yīng)用改動，可以按照應(yīng)用的數(shù)據(jù)格式要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換，制定轉(zhuǎn)換格式功能，該功能可以靈活定義異種數(shù)據(jù)格式同試車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)格式間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)需求對數(shù)據(jù)源進(jìn)行取舍，調(diào)整數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系。建立這種從數(shù)據(jù)源格式到目標(biāo)數(shù)據(jù)格式的映射關(guān)系是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。根據(jù)上一步制定的轉(zhuǎn)換格式，相應(yīng)子系統(tǒng)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)生成轉(zhuǎn)換結(jié)果報(bào)告。使用者可以根據(jù)報(bào)告對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，審核通過后提交這批數(shù)據(jù)。

4.4 參數(shù)配置模塊

該模塊主要用于在試車準(zhǔn)備過程中所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)表格的日常維護(hù)與管理，這些表格包括：試車大綱、傳感器校驗(yàn)和安裝表格、參數(shù)通道表格、采集設(shè)備系數(shù)文件表格以及信息記錄表格等。

4.5 數(shù)據(jù)處理模塊

通過上述介紹的數(shù)據(jù)處理算法，編制相應(yīng)的參數(shù)處理軟件模塊，以便在處理數(shù)據(jù)時(shí)，通過選擇不同參數(shù)設(shè)置來處理不同類型的參數(shù)，進(jìn)而生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果文件和顯示圖表。

4.6 報(bào)表生成模塊

報(bào)表生成功能可以對試車過程中的各種數(shù)據(jù)表格進(jìn)行分類管理，以報(bào)表的試車代號和試車參數(shù)為檢索條件，從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中提取出歷次試車所有相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、匯總，分析形成規(guī)范的數(shù)據(jù)報(bào)告報(bào)表。為了精細(xì)地控制打印效果、節(jié)省打印成本，系統(tǒng)提供打印預(yù)覽和打印設(shè)置等打印控制。

4.7 軟件的數(shù)據(jù)庫管理功能

在試車數(shù)據(jù)處理、分析軟件設(shè)計(jì)中，廣泛應(yīng)用關(guān)系型庫ACCESS進(jìn)行匯總、對比、繪圖等，并且ACCESS數(shù)據(jù)庫具有較強(qiáng)的通用性，使用靈活方便。在建立ACCESS數(shù)據(jù)庫時(shí)，充分考慮數(shù)據(jù)交互的效率。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫整體架構(gòu)見圖5。

圖5 ACCESS數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖Fig.5 Configuration ofACCESSdatabase

通過VB信息設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)處理信息數(shù)據(jù)庫與通用信息、系統(tǒng)信息、校驗(yàn)信息、板卡信息的數(shù)據(jù)交互，將所有數(shù)據(jù)處理信息保存到數(shù)據(jù)處理信息數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)行時(shí)，VB與ACCESS的數(shù)據(jù)交互僅與數(shù)據(jù)處理信息數(shù)據(jù)庫有關(guān)，而與其他邏輯算法結(jié)構(gòu)無關(guān)，這樣就有效提高了數(shù)據(jù)處理程序的運(yùn)行效率。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試與試車使用，證明新的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已作為試驗(yàn)區(qū)緩應(yīng)變數(shù)據(jù)測量的主系統(tǒng)，成為其他特殊信號、小信號測量的預(yù)備系統(tǒng)，也成為關(guān)鍵參數(shù)測量的主系統(tǒng)的有效備份和補(bǔ)充，提升了試驗(yàn)區(qū)的測量系統(tǒng)能力。系統(tǒng)目前已多次成功應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集、處理、分析過程中，為試車提供了真實(shí)可信的數(shù)據(jù)結(jié)果報(bào)告，為新型號火箭發(fā)動機(jī)研制中所需要的新型測量系統(tǒng)的研發(fā)提供了有效的技術(shù)借鑒。

6 結(jié)論

基于綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的試車數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)類型、大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理、報(bào)告輸出。經(jīng)過實(shí)際試車使用，軟件運(yùn)行良好，能夠?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)按照處理要求進(jìn)行處理，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)告輸出。使液體火箭發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)報(bào)告處理質(zhì)量和效率得到提升，為液體火箭發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)報(bào)告提供了可靠的軟件支持。

[1]潘小轟.Visual Basic6.0應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,1999.

[2]張賢達(dá).信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

[3]劉文濤.Visual Basic+Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)與實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[4]張后蘇,張湛,張浩.VISUAL BASIC語言實(shí)用教程[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[5]王棟.Visual Basic程序設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[6]混平,趙政社,劉軍.水擊壓力高速采集系統(tǒng)研制[J].火箭推進(jìn),2008,34(4):59-63.

[7]趙萬明.液氧/煤油發(fā)動機(jī)試車主要參數(shù)測量方法研究[J].火箭推進(jìn),2006,32(5):55-59+68.

[8]郭霄峰,李耀華.液體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)[M].北京:宇航出版社,1991.