基于PXI總線的旋轉(zhuǎn)試驗臺綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

秦 強，吳志剛，鄧細鳳，白 莉

(中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

在某個旋轉(zhuǎn)試驗臺的試驗中，需要同時測量旋轉(zhuǎn)件(如槳葉)上的載荷、天平載荷、臺架振動以及關(guān)鍵部件的溫度等參數(shù)。由于被測參數(shù)的類型不同，其對應(yīng)的傳感器和輸出的信號也有較大差異，因此試驗臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要能夠同時采集各種類型的信號［1］。針對這種測試需求，本文闡述了一種基于PXI總線開發(fā)的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計背景

旋轉(zhuǎn)試驗臺設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速低于2400rpm，試驗中可能安裝的最大槳葉數(shù)為5片，而試驗臺和試驗件距離測試間的距離為30～35m，因而試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標需要充分考慮以下幾個方面:

1)采集旋轉(zhuǎn)信號的采樣頻率

在采集信號時，為了保證信號的波形較平滑，一般需要信號的每個周期內(nèi)至少有10個采樣點，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集旋轉(zhuǎn)信號的采樣頻率(fs)至少應(yīng)當為旋轉(zhuǎn)信號的最高頻率(fmax)的10倍，考慮最高轉(zhuǎn)速為2400rpm，槳葉最多為5片，采集旋轉(zhuǎn)信號的采樣頻率計算方法為:fs=fmax×10=2400rpm/60×5×10=2000Hz。由此可知，當采樣頻率為2kHz時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足試驗臺旋轉(zhuǎn)信號的采集需求。

2)采集振動信號的采樣頻率

試驗臺架振動往往要分析到轉(zhuǎn)速頻率的10階以上，而信號的每個周期內(nèi)至少應(yīng)該有10個采樣點，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集振動信號的采樣頻率應(yīng)至少為:fs=2400 rpm/60×10×10=4000Hz。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集振動信號的采樣頻率為4kHz時可滿足試驗的采集需求。

3)測試信號的長距離傳輸

如果把數(shù)據(jù)采集器安裝在測試間的話，試驗臺被測參數(shù)的信號傳輸?shù)綔y試間的采集器要經(jīng)過30m以上的長線，很容易造成長線傳輸引起的信號損失以及信號線之間的干擾和串擾。避免出現(xiàn)這種情況的一種有效做法就是把采集器安裝得盡可能接近試驗現(xiàn)場和被測參數(shù)，再通過長距離通訊途徑將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y試間的電腦上。

綜合上述因素可以得出旋轉(zhuǎn)試驗臺的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求，它應(yīng)當滿足2kHz的旋轉(zhuǎn)信號采樣頻率、4kHz的振動信號采樣頻率以及采集器與電腦的長距離通訊等要求。此外，在通常的測試情況下，天平載荷的采樣頻率一般為1kHz，溫度等緩變信號的采樣頻率一般為100Hz。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

在進行旋轉(zhuǎn)試驗臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計之前，首先應(yīng)當根據(jù)試驗需求確定系統(tǒng)所要完成的數(shù)據(jù)采集任務(wù)和性能指標，其次，應(yīng)當在滿足性能指標的前提下，盡可能地提高系統(tǒng)的性價比［2］。

根據(jù)試驗臺使用的傳感器，各類試驗測試參數(shù)采集形式如下:旋轉(zhuǎn)參數(shù)以應(yīng)變信號的形式采集，臺架振動參數(shù)以振動信號的形式采集，其余的參數(shù)以電壓信號的形式采集。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計指標

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求如下:

1)24通道應(yīng)變信號同步采集，采樣頻率為2kHz，16位A/D轉(zhuǎn)換;

2)16通道振動信號同步采集，采樣頻率為4kHz，24位A/D轉(zhuǎn)換;

3)8通道電壓信號同步采集，采樣頻率為1kHz，16位A/D轉(zhuǎn)換;

4)8通道電壓信號同步采集，采樣頻率為100Hz，16位A/D轉(zhuǎn)換;

5)采集器可以和電腦進行30～35m的長距離通訊。

2.2 系統(tǒng)硬件方案

本文的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是PXI總線技術(shù)，由于PXI總線模塊的體積優(yōu)勢，允許PXI系統(tǒng)把不同類型的采集模塊組合在一起構(gòu)成功能強大的測試系統(tǒng)，因此PXI設(shè)備適用于開發(fā)旋轉(zhuǎn)試驗臺的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此外，由于PXI的優(yōu)良定時總線結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)時鐘和觸發(fā)信號傳遞都在內(nèi)部完成，使得外部連線大大減少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將非常簡潔［2］。

2.2.1 系統(tǒng)采集模塊

考慮到采集應(yīng)滿足的采樣頻率和分辨率、PXI總線結(jié)構(gòu)以及性價比等因素，本文選擇了NI PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡作為電壓信號和應(yīng)變信號的采集模塊，如圖1所示。該卡擁有8個模擬輸入通道(本文采用差分接入方式)，采樣率為333kS/s，分辨率為16bit，滿足系統(tǒng)指標的要求。

NI PXI－6052E采集卡可以通過數(shù)據(jù)采集電纜連接調(diào)理模塊或接線端子:采集電壓信號時，信號進入NI SCB－68接線端子;采集應(yīng)變信號時，信號進入NI SCXI－1520應(yīng)變調(diào)理器與其套件(NI SCXI－1001十二槽調(diào)理器機箱、NI SCXI－1349調(diào)理器機箱背板適配器、NI SCXI－1314調(diào)理器接線盒)。其中每個NI SCXI－1520應(yīng)變調(diào)理器對應(yīng)一塊NI PXI－6052E采集卡，而調(diào)理器擁有8路同步采樣模擬輸入通道，因此根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，需要2塊NI PXI－6052E采集卡采集電壓信號，3塊PXI－6052E采集卡采集應(yīng)變信號。

對于振動信號的采集模塊，本文選擇了NI PXI－4472B動態(tài)信號采集卡，如圖2所示。該卡擁有8通道單端模擬輸入，可測加速度(振動)、電壓類型的信號，采樣率為 102.4kS/s，分辨率為 24bit，滿足系統(tǒng)指標的要求。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，需要2塊NI PXI－4472B動態(tài)信號采集卡。

圖1 NI PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡

圖2 NI PXI－4472B動態(tài)信號采集卡

2.2.2 系統(tǒng)采集器機箱及其與計算機的連接

本文選擇的采集器機箱為NI PXI－1042，如圖3所示。這是一款性價比頗高的PXI機箱，該機箱共有8槽，內(nèi)置10MHz參考時鐘、PXI觸發(fā)總線、星型觸發(fā)和局部總線。

圖3 NI PXI－1042機箱

采集器機箱與電腦的連接采用 NI PXIPCI8336套件，該套件通過MXI－4在高帶寬連接上實施PCI－PCI橋路，實現(xiàn)了從PCI計算機對PXI系統(tǒng)的遠程控制，無需額外編程，PXI系統(tǒng)就可以像安裝在計算機中的PCI板卡一樣直接使用。套件包括計算機端和采集器端的PXI－8336控制卡以及連接的MXI－4光纖線纜。光纖線纜最長可達200m，通過光纖連接的數(shù)據(jù)傳輸峰值速率達132MB/s，NI PXI－1042機箱的最大系統(tǒng)帶寬也是132MB/s，而采集系統(tǒng)的吞吐量指標以系統(tǒng)最高的采樣頻率和分辨率計算為:吞吐量=56通道×4000Hz×24bit=5.376Mbit，因而可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求。

2.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與信號傳輸

2.3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。NI PXI－1042機箱由插在1槽的NI PXI－8336控制卡，插在2槽和3槽的NI PXI－4472B動態(tài)信號采集卡以及插在4槽到8槽的5塊NI PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡組成，系統(tǒng)在完成采樣時鐘、觸發(fā)和相關(guān)同步信號的產(chǎn)生和分配后，進行三種信號類型共56通道的數(shù)據(jù)采集。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 采集信號的傳輸

前端信號進入采集模塊的途徑分別是:電壓信號使用差分接法接入NI SCB－68接線端子，然后通過數(shù)據(jù)采集電纜傳輸給NI PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡;應(yīng)變信號接入NI SCXI－1314調(diào)理器接線盒，通過NI SCXI－1520應(yīng)變調(diào)理器調(diào)理后通過NI SCXI－1349調(diào)理器機箱背板適配器和數(shù)據(jù)采集電纜傳輸給NI PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡，其中NI SCXI－1520應(yīng)變調(diào)理器使用的工作模式是并行模式，每個調(diào)理器都需要配備各自的機箱背板適配器和數(shù)據(jù)采集電纜，并獨立地連接一塊PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡，其設(shè)置如圖5所示;振動信號通過振動采集用的同軸電纜直接接入NI PXI－4472B動態(tài)信號采集卡。

圖5 NI SCXI－1520和PXI－6052E的連接配置

2.3.3 同步采集方案

在本文的系統(tǒng)中，進行信號采集，振動信號之間需要嚴格同步，電壓信號之間和應(yīng)變信號之間也需要同時進行各自的同步采集。

振動信號的同步采集方案為:一塊NI PXI－4472B作為主設(shè)備插在PXI機箱的2號槽，另一塊NI PXI－4472B作為從設(shè)備插在 PXI機箱的3號槽，主設(shè)備的采樣時鐘時基(Sample Clock Timebase)通過2號槽的星型觸發(fā)總線路由到從設(shè)備，作為它的采樣時鐘時基，主設(shè)備的同步脈沖(Sync Pulse)通過PXI觸發(fā)總線路由到從設(shè)備，主設(shè)備的觸發(fā)信號(Start Trigger)也通過PXI觸發(fā)總線路由到從設(shè)備，通過以上步驟，將兩塊卡的采樣時鐘相位對齊，在相同時刻觸發(fā)采集，實現(xiàn)振動信號的同步采集。這種同步方式的同步精度可以達到幾個納秒，完全可以滿足振動測量的同步要求。

對于電壓信號和應(yīng)變信號的采集，本文選用的是多路分時A/D轉(zhuǎn)換的NI PXI－6052E采集卡，它不能像NI PXI－4472B那樣接收外部采樣時鐘時基，但是它可以接收外部采樣時鐘(Sample Clock)，因此將主設(shè)備(2號槽的NI PXI－4472B)的采樣時鐘通過PXI觸發(fā)總線路由傳到各塊NI PXI－6052E采集卡，同樣，也將主設(shè)備的觸發(fā)信號(Start Trigger)通過 PXI觸發(fā)總線路由傳到各塊 NI PXI－6052E采集卡，通過這種方式來實現(xiàn)應(yīng)變、電壓信號與振動的同時采集，并保證電壓信號之間的同步采集、應(yīng)變信號之間的同步采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)平臺

本文選用的軟件開發(fā)平臺是LabVIEW及其驅(qū)動程序的用戶接口MAX(Measurement＆Automation Explorer)，LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instrument Company，簡稱NI)推出的一種基于G語言(Graphics Language，圖形化編程語言)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，MAX可以為用戶提供對硬件的各種設(shè)置和測試。所有的LabVIEW應(yīng)用程序都被稱為 VI(虛擬儀器)［3］。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計

本文中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序開發(fā)的主要原理是通過一個生產(chǎn)者－消費者算法結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同時和連續(xù)采集，并且對不同的采集模塊進行各自的同步。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集流程

如圖6所示為LabVIEW軟件中數(shù)據(jù)采集的設(shè)計流程，流程由以下部分組成:DAQmx創(chuàng)建通道、DAQmx定時、DAQmx開始觸發(fā)、DAQmx開始任務(wù)、DAQmx讀取、DAQmx清除任務(wù)等，共6個VI。

圖6 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集流程

DAQmx創(chuàng)建通道用于為任務(wù)新建虛擬通道，它是一個多態(tài)的VI，可以針對不同類型的被測信號(如電壓信號、應(yīng)變信號、振動信號)創(chuàng)建不同類型的虛擬通道，并將它們加入不同的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

DAQmx定時和DAQmx開始觸發(fā)分別為任務(wù)的定時和觸發(fā)，采樣數(shù)和采樣率在DAQmx定時中進行設(shè)置，觸發(fā)方式和觸發(fā)類型在DAQmx開始觸發(fā)中進行設(shè)置;DAQmx開始任務(wù)用于啟動任務(wù)開始采集數(shù)據(jù);DAQmx讀取負責讀取采集到的數(shù)據(jù)并將其放入內(nèi)存中，它是一個多態(tài)的VI，可以選擇單通道/多通道、單采樣點/多采樣點等不同讀取方式，本文使用的是多通道多采樣點的2維數(shù)組讀取方式，即每塊采集卡采集數(shù)據(jù)的讀取結(jié)果均為以通道、采樣點為坐標形式的2維數(shù)組;DAQmx清除任務(wù)則是在采集結(jié)束后清除任務(wù)。

由于試驗需要進行連續(xù)采集，因此采集任務(wù)需要放在LabVIEW中的循環(huán)結(jié)構(gòu)里反復(fù)執(zhí)行，出于優(yōu)化程序的考慮，本文只將DAQmx讀取放入了循環(huán)結(jié)構(gòu)，其余VI均在循環(huán)結(jié)構(gòu)外執(zhí)行。

3.2.2 生產(chǎn)者 －消費者結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時進行實時的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，這就意味著數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理同時都要在循環(huán)結(jié)構(gòu)中執(zhí)行，將它們都放入同一個循環(huán)結(jié)構(gòu)中是不妥的，因為那會延長循環(huán)結(jié)構(gòu)里每一幀的運行時間，導(dǎo)致程序的運行速度受到影響。由于LabVIEW中的隊列結(jié)構(gòu)可以在多個循環(huán)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此一個生產(chǎn)者－消費者算法結(jié)構(gòu)可以解決系統(tǒng)的需要，如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)者－消費者算法結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)者－消費者算法結(jié)構(gòu)是由前面的生產(chǎn)者和后面的消費者兩個循環(huán)組成的，生產(chǎn)者循環(huán)從采集模塊中采集數(shù)據(jù)，并將其傳遞至一個排隊結(jié)構(gòu)，消費者循環(huán)從隊列結(jié)構(gòu)中取得數(shù)據(jù)并將其進行處理，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)同時采集和處理數(shù)據(jù)。

3.2.3 采集同步的程序?qū)崿F(xiàn)

在綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序中，每個采集模塊都要建立一個獨立的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因而程序需要針對所有采集任務(wù)進行同步。本文使用了Get Terminal Name with Device Prefix模塊和DAQmx定時屬性節(jié)點來實現(xiàn)采集任務(wù)的同步。Get Terminal Name with Device Prefix模塊的作用是接收采集任務(wù)和本地接線端名，然后輸出帶設(shè)備前綴的接線端。在本文的程序中，它負責將主設(shè)備的采樣時鐘時基、同步脈沖、觸發(fā)信號以及采樣時鐘輸出給其它設(shè)備的采集任務(wù)，DAQmx定時屬性節(jié)點是一個多態(tài)的屬性節(jié)點，它接入Get Terminal Name with Device Prefix模塊輸出的接線端，產(chǎn)生采樣時鐘時基源和同步脈沖源傳輸給從設(shè)備的NI PXI－4472B采集卡，并產(chǎn)生采樣時鐘源傳輸給NI PXI－6052E采集卡，其程序框圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)開發(fā)完成后進行了測試驗證，測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠正確測量應(yīng)變、電壓、振動等信號，可以按照設(shè)定的采樣率進行采集、顯示和存盤。

對于系統(tǒng)同步性能，分兩種情況進行了測試:一種是同種信號(振動與振動、應(yīng)變與應(yīng)變、電壓與電壓)之間的同步情況;另一種則是振動信號和應(yīng)變、電壓信號之間的同步情況。

圖8 實現(xiàn)同步的程序框圖

對于同種信號之間的同步測試，采用一路正弦信號同時接入同類型的兩塊采集卡的某一個測試通道，正弦信號的頻率從10Hz直到100Hz，分別進行測試，在整個測試過程中兩個通道所測試的信號相互間的同步非常好。圖9、圖10分別是50Hz正弦信號下的兩振動通道測量波形和100Hz正弦信號下的兩應(yīng)變通道測量波形，可以看出，兩個同種信號的同步效果非常理想。

圖9 50Hz信號的振動－振動同步測量

圖10 100Hz信號的應(yīng)變－應(yīng)變同步測量

對于振動信號與電壓、應(yīng)變信號之間的同步，測試時采用一路正弦信號同時接入一個振動、一個應(yīng)變和一個電壓采集通道，正弦信號的頻率從10Hz直到100Hz，分別進行測試。通過測試可以發(fā)現(xiàn)，振動信號與應(yīng)變、電壓信號之間同步差別非常大。圖11是20Hz的三個信號波形，從圖中可以看出，它們之間的相位差甚至達到了幾乎180°。

圖11 20Hz信號的振動－應(yīng)變－電壓同步測量

導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是本文的系統(tǒng)采集應(yīng)變信號和電壓信號的采集模塊(NI PXI－6052E多功能數(shù)據(jù)采集卡)不同于采集振動信號的采集模塊(NI PXI－4472B動態(tài)信號采集卡)，前者是所有模擬輸入通道共享A/D轉(zhuǎn)換器分時進行A/D轉(zhuǎn)換，而后者是各通道獨立進行A/D轉(zhuǎn)換，它們的采樣時鐘相位之間沒有進行嚴格同步，因而此現(xiàn)象是由于采集設(shè)備硬件的局限造成的。目前不同類型信號的同步采集對于旋轉(zhuǎn)試驗臺的試驗測試并不是必須的，因此并不影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常功能。如果將來的試驗測試在這方面有需求的話，可以通過升級硬件(比如全部使用動態(tài)信號采集卡)來實現(xiàn)不同類型信號的同步采集。

5 結(jié)論

本文闡述了一種針對旋轉(zhuǎn)試驗臺試驗，基于PXI總線開發(fā)的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，該系統(tǒng)經(jīng)試驗臺調(diào)試驗證，證明可以滿足旋轉(zhuǎn)試驗臺全臺多種信號類型參數(shù)的綜合數(shù)據(jù)采集，并且實現(xiàn)了采集設(shè)備和控制電腦的長距離通訊，使采集設(shè)備得以接近被測參數(shù)，避免了長線傳輸引起的信號損失以及信號線之間的干擾和串擾。本文的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了同種類型信號的同步采集，但在不同種類型信號采集的同步方面還存在不足，未來通過對采集模塊硬件的升級可以對其進行改進。

［1］陳德軍.基于PXI總線的旋轉(zhuǎn)試驗臺綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)，2005(5).

［2］秦爽.多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2009.

［3］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.