液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：該文根據(jù)某型民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了一套用于采集和分析液壓系統(tǒng)相關(guān)測(cè)試參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)備，文中對(duì)該數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行了說(shuō)明，介紹了其硬件組成、軟件架構(gòu)功能及若干關(guān)鍵技術(shù)。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效滿足液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng) 地面模擬試驗(yàn) 數(shù)據(jù)采集與分析 試驗(yàn)設(shè)備

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0087-03

1 功能概述

任何一款民用飛機(jī)的研制，從設(shè)備到系統(tǒng)集成再到全機(jī)，都需要經(jīng)過(guò)一整套復(fù)雜而周密的試驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試，而測(cè)試數(shù)據(jù)是支撐整個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證體系的原始依據(jù)。液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)屬于系統(tǒng)綜合級(jí)試驗(yàn)室臺(tái)架設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，是民用飛機(jī)需求驗(yàn)證體系中一個(gè)重要的組成部分[1]。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)采系統(tǒng)”）則是試驗(yàn)中用于采集和分析被試系統(tǒng)中相關(guān)測(cè)試參數(shù)的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備[2]，也是液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中心。它以硬件集成和數(shù)采軟件開發(fā)為核心，旨在完成試驗(yàn)中液壓壓力信號(hào)、流量信號(hào)、溫度信號(hào)、機(jī)械量信號(hào)（踏力、角位移、線位移等）、電壓電流信號(hào)、離散信號(hào)和ARINC429總線信號(hào)的采集、顯示、記錄，并對(duì)事后數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析和判斷。

2 技術(shù)要求

液壓數(shù)采系統(tǒng)的主要功能及指標(biāo)要求如下：

（1）完成液壓系統(tǒng)加裝傳感器信號(hào)（如壓力、流量、溫度、力、位移、電壓、電流等）的采集、顯示、數(shù)據(jù)保存。

（2）系統(tǒng)應(yīng)滿足各采集通道的精度要求。

（3）可根據(jù)信號(hào)類型分別設(shè)置不同的采樣速率。

（4）應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性要求，具有實(shí)時(shí)通訊、實(shí)時(shí)處理功能。

（5）液壓系統(tǒng)機(jī)載信號(hào)（系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度、系統(tǒng)油位、離散量以及ARINC429總線）的采集通道需要做好隔離措施，避免引入干擾。

（6）系統(tǒng)應(yīng)具有多重處理系統(tǒng)保護(hù)功能和數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

（7）系統(tǒng)應(yīng)具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)事后分析處理功能。

（8）硬件必須具有可擴(kuò)展能力，滿足將來(lái)試驗(yàn)系統(tǒng)升級(jí)需要。

（9）設(shè)備整體平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）不低于6000小時(shí)。

3 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

經(jīng)過(guò)對(duì)液壓地面模擬試驗(yàn)上述技術(shù)要求分析，以下給出數(shù)采系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施。數(shù)采系統(tǒng)的硬件組成見圖1所示。它主要由機(jī)柜、電源、信號(hào)分配箱、SCXI機(jī)箱、測(cè)試終端、服務(wù)器及客戶端組成。電源、信號(hào)分配器、測(cè)試終端機(jī)服務(wù)器都安裝在機(jī)柜上。

信號(hào)分配箱是外部加裝測(cè)試傳感器、液壓及起落架系統(tǒng)傳感器和ARINC429信號(hào)與數(shù)采系統(tǒng)交聯(lián)的接口，并留有故障檢測(cè)端口。為了消除對(duì)系統(tǒng)工作的干擾，截取自系統(tǒng)的信號(hào)與數(shù)采系統(tǒng)之間采取了隔離措施。

測(cè)試終端執(zhí)行各類模擬信號(hào)與總線信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)分別發(fā)送至服務(wù)器和客戶端。部分模擬信號(hào)在經(jīng)SCXI調(diào)理機(jī)箱調(diào)理后再發(fā)送到測(cè)試終端采集。測(cè)試終端及SCXI調(diào)理機(jī)箱的配置與采集處理的信號(hào)類型對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如表1、表2所示。

服務(wù)器既承擔(dān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、資源配置和文件的存儲(chǔ)，又是系統(tǒng)指令調(diào)度與判斷的中樞環(huán)節(jié)。

客戶端是用戶與數(shù)采系統(tǒng)之間的人機(jī)接口。數(shù)采系統(tǒng)的資源配置、試驗(yàn)配置、監(jiān)控顯示以及數(shù)據(jù)分析都是在客戶端上操作完成的。

3.2 通訊接口

三套網(wǎng)絡(luò)配置將測(cè)試終端、服務(wù)器、客戶端緊密的連接起來(lái)，并以此作為與其它試驗(yàn)設(shè)備交聯(lián)數(shù)據(jù)的接口。它們分別是用于時(shí)間同步的1588網(wǎng)絡(luò)、用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的VMIC網(wǎng)絡(luò)以及用于控制命令與數(shù)據(jù)交換的千兆以太網(wǎng)。

（1）1588同步網(wǎng)絡(luò)接口。

數(shù)采系統(tǒng)采用高性能hub組建同步網(wǎng)絡(luò)，使用NI公司的1588同步模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)采系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)器和測(cè)試終端的時(shí)間同步，同步精度可以達(dá)到±210ns。數(shù)采系統(tǒng)還可以接入外部1588時(shí)鐘源或IRIG-B時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的時(shí)間同步。

（2）VMIC光纖反射內(nèi)存網(wǎng)接口。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，主要用于與其他系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交互。其數(shù)據(jù)傳輸延遲可達(dá)到微秒級(jí)，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)通訊，滿足本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸要求在1 ms內(nèi)的需求。

（3）千兆以太網(wǎng)接口。

千兆以太網(wǎng)采用星型結(jié)構(gòu)，主要用于數(shù)采系統(tǒng)內(nèi)部傳遞試驗(yàn)指令和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以與其它外部系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。

3.3 軟件架構(gòu)及功能

如圖2所示，數(shù)采系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，依據(jù)系統(tǒng)硬件組成特點(diǎn)，分為客戶端軟件、服務(wù)器軟件、和測(cè)試終端軟件。三者之間通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議傳輸指令和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。各軟件模塊功能如下：

（1）客戶端軟件。

客戶端軟件在Windows7操作系統(tǒng)下基于Labwindows/CVI 2012平臺(tái)開發(fā)。

①用戶管理：負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)管理員、普通用戶的用戶名、密碼及使用權(quán)限。

②資源管理：創(chuàng)建、編輯、保存系統(tǒng)的板卡、采集通道、總線等資源，并形成配置文件下發(fā)至終端。

③試驗(yàn)配置：參與試驗(yàn)的測(cè)試通道個(gè)數(shù)、采樣率、人員、環(huán)境條件等。

④試驗(yàn)監(jiān)控：包括實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的開始與結(jié)束的控制。兩者并行工作互不影響。

⑤數(shù)據(jù)管理：對(duì)所有歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理，包括查詢、回放、分析、處理與導(dǎo)出等。

⑥網(wǎng)絡(luò)通訊：下發(fā)開始/停止數(shù)據(jù)記錄的指令至服務(wù)器，接收來(lái)自測(cè)試終端的用于監(jiān)控顯示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）服務(wù)器軟件。

服務(wù)器選用聯(lián)想公司的IBMX3650M4，搭配windows server 2008R2操作系統(tǒng)，基于Labwindows/CVI 2012及SQL Server 2008R2開發(fā)下列功能。

①數(shù)據(jù)庫(kù)：涉及所有數(shù)采系統(tǒng)的板卡、采集通道、計(jì)算公式、傳感器、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶等的數(shù)據(jù)庫(kù)操作。

②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：用戶執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄開始操作后，將測(cè)試終端發(fā)來(lái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在服務(wù)器上。

③網(wǎng)絡(luò)通訊：接收來(lái)自測(cè)試終端的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及來(lái)自客戶端的操作指令。

（3）測(cè)試終端軟件。

測(cè)試終端軟件主要基于NI的 LabView RT開發(fā)相關(guān)功能。

①數(shù)據(jù)采集：根據(jù)用戶下發(fā)的硬件配置采集所有測(cè)試通道的數(shù)據(jù)，包括加裝傳感器信號(hào)、系統(tǒng)傳感器信號(hào)及總線ARINC429信號(hào)。

②數(shù)據(jù)計(jì)算：將采集到的傳感器輸出原始電壓（電流）信號(hào)按照用戶設(shè)置的計(jì)算公式進(jìn)行運(yùn)算，得到可用于監(jiān)控和記錄的最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

③網(wǎng)絡(luò)通訊：將試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器存儲(chǔ)，發(fā)送至客戶端用于監(jiān)控。

4 若干關(guān)鍵技術(shù)

4.1 實(shí)時(shí)性

數(shù)采系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，測(cè)試終端實(shí)時(shí)性要求1 ms。實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是數(shù)采系統(tǒng)執(zhí)行是實(shí)時(shí)的，二是網(wǎng)絡(luò)傳輸是實(shí)時(shí)的，分別由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證。即1 ms內(nèi)必須完成數(shù)據(jù)采集，并發(fā)布到實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上。

測(cè)試終端軟件配置三個(gè)線程。為滿足1 ms實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交聯(lián)，線程一采用1 ms定時(shí)器，主要為執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布程序。線程二采用200 ms定時(shí)器，執(zhí)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布程序，保證了客戶端顯示的實(shí)時(shí)性，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸3～5次/s。線程三采用1 s定時(shí)器，執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，每個(gè)1 ms實(shí)時(shí)周期內(nèi)僅占用時(shí)間小于52 us，可以留給實(shí)時(shí)任務(wù)更多的裕度，實(shí)時(shí)周期的抖動(dòng)更小，定時(shí)更穩(wěn)定。按照優(yōu)先級(jí)從高到低，線程一優(yōu)先級(jí)最高，線程二次之，線程三優(yōu)先級(jí)最低，這樣防止優(yōu)先級(jí)倒置，完全可以滿足1ms的實(shí)時(shí)交聯(lián)要求。

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，以太網(wǎng)傳輸延遲小于5 ms，以200 ms線程發(fā)送數(shù)據(jù)完全可以保證。光纖反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸延遲小于700 ns，以1 ms線程發(fā)送數(shù)據(jù)也是完全可以保證。

4.2 信號(hào)隔離

在對(duì)液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度、離散量等信號(hào)進(jìn)行截取式采集時(shí)，數(shù)采系統(tǒng)本身尤其需要加強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)，不應(yīng)數(shù)采系統(tǒng)的引入而對(duì)被試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與傳感器的正常工作造成影響，應(yīng)綜合考慮電路功能性設(shè)計(jì)、濾波、屏蔽以及接地搭接等[3]。為此，在數(shù)采系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)之間采取了如圖3所示的隔離電路。采用ISO124隔離運(yùn)算放大器，其輸入端增加一級(jí)JFET輸入運(yùn)算放大器作為緩沖放大器，可以使電路輸入阻抗大于1012。隔離運(yùn)算放大器的輸入部分，采用DC/DC電源模塊單獨(dú)供電，可以確保該路輸入信號(hào)和信號(hào)地完全隔離。ISO124隔離運(yùn)算放大器的輸出部分，統(tǒng)一供電與數(shù)據(jù)采集板卡共地。對(duì)于機(jī)載電壓類信號(hào)，隔離電路的輸出經(jīng)緩沖放大器后，直接輸入PXI控制器的AD模塊；對(duì)于離散量信號(hào)，隔離電路的輸出經(jīng)一級(jí)NPN三極管變換成24V地信號(hào)后，直接輸入測(cè)試終端的PXI-6528。

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)設(shè)備的研制是開展飛機(jī)系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)至關(guān)重要的前期準(zhǔn)備工作?；谠囼?yàn)測(cè)試需求，本文從硬件組成、軟件架構(gòu)及功能等方面，給出了數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的解決方案，并以此應(yīng)用于某型民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)，完成了對(duì)試驗(yàn)中各類加裝傳感器信號(hào)及液壓系統(tǒng)內(nèi)部截取信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的事后分析處理。

參考文獻(xiàn)

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