基于以太網(wǎng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

基于以太網(wǎng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

喬社娟1，王成1，康雪娟1，王琪2

(1.西安航空學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 西安 710077；2.陜西四海測(cè)控技術(shù)有限公司 技術(shù)研發(fā)部，陜西 西安 710075)

摘要：基于我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出了一種基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制型分布式應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，著重論述了采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端之間的通信，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)；應(yīng)變測(cè)試；以太網(wǎng)

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)躺缇?1982-)，女，陜西渭南人，中級(jí)工程師，從事航空航天測(cè)控領(lǐng)域與自動(dòng)化方面的研究。

中圖分類號(hào)：V214.3+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

收稿日期：2014-12-20

基金項(xiàng)目：中國(guó)民航飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(X2012-40)

在航空測(cè)試領(lǐng)域中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度影響著飛機(jī)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在飛機(jī)測(cè)試過(guò)程中，主要通過(guò)飛機(jī)各個(gè)部位的應(yīng)變量實(shí)時(shí)反映被測(cè)系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度[1]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在整個(gè)測(cè)試領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[2]。傳統(tǒng)的單機(jī)版應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所有的數(shù)據(jù)只能在一個(gè)測(cè)試機(jī)上進(jìn)行顯示和保存，而且對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)只能在測(cè)試后進(jìn)行分析。本文著重?cái)⑹鲆蕴W(wǎng)在多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信方式。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是一款針對(duì)飛機(jī)疲勞強(qiáng)度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于實(shí)驗(yàn)人員有限，可以由一個(gè)實(shí)驗(yàn)工程師集中管理多臺(tái)計(jì)算機(jī)[3]，主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控端、測(cè)試端與以太網(wǎng)絡(luò)三個(gè)子系統(tǒng)組成，遠(yuǎn)程監(jiān)控端與測(cè)試端之間通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行連接，連接示意圖如圖1所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測(cè)試端自動(dòng)完成系統(tǒng)自檢、通道自校準(zhǔn)、通道標(biāo)定、通道配置和數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接收不同測(cè)試端測(cè)量的結(jié)果，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示、保存和分析與報(bào)表的生成。

圖1　遠(yuǎn)程控制端與測(cè)試端的網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

測(cè)試端實(shí)現(xiàn)通道配置和信號(hào)采集、調(diào)理。測(cè)試端從傳感器接收來(lái)信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、換算，并通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，減小數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中電磁干擾的影響，采用100Mbps的快速以太網(wǎng)交換機(jī)、RJ-45接口的五類屏蔽型雙絞線。

2通信方式

2.1基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

近年來(lái)以太網(wǎng)傳輸速率迅速提升，從開(kāi)始的10M到現(xiàn)在的100M、1000M、10G，速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕和傳輸延時(shí)減少，網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率下降；其次，以太網(wǎng)采用了全雙工星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和以太網(wǎng)交換技術(shù)[4]，使以太網(wǎng)交換機(jī)的各端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入輸出不再受 CSMA/CD 機(jī)制的制約，避免了沖突，同時(shí)，采用全雙工交換式以太網(wǎng)能避免因碰撞而引起的通信響應(yīng)不確定性，保障通信的實(shí)時(shí)性。

隨著系統(tǒng)集成、虛擬儀器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)向集成化、智能化、分布式的實(shí)時(shí)在線控制方向發(fā)展，通信技術(shù)成為用戶統(tǒng)一集中管理的關(guān)鍵，從而，以太網(wǎng)技術(shù)在相當(dāng)一部分的測(cè)控設(shè)備和系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的樞紐作用。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)使得局域網(wǎng)內(nèi)不同地點(diǎn)可以對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中所關(guān)注的不同測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)控與處理，采用多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。

圖2遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端通訊協(xié)議信息體組成

2.2遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端通信

本系統(tǒng)為了使總線上多個(gè)設(shè)備之間能夠正確有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議，主要由“字節(jié)數(shù)”、“頭”(本系統(tǒng)用‘XH’表示)、“C計(jì)算機(jī)名稱字節(jié)數(shù)”、“C計(jì)算機(jī)名稱”、“S計(jì)算機(jī)名稱字節(jié)數(shù)”、“S計(jì)算機(jī)名稱”、“S/C系統(tǒng)狀態(tài)”、“發(fā)送/反饋命令”、“錯(cuò)誤代碼”、“預(yù)留”、“S調(diào)理/采集信息體或C執(zhí)行結(jié)果”組成。為了提高通信端在分解多種通信協(xié)議效率，遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端采用同一種通信協(xié)議，協(xié)議信息體組成如圖2所示，其中，S表示測(cè)試端，C表示遠(yuǎn)程監(jiān)控端，同時(shí)，通信協(xié)議中帶有計(jì)算機(jī)名稱字節(jié)數(shù)使得系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)可以任意設(shè)定計(jì)算機(jī)名稱。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端主要打包和發(fā)送用戶命令與配置信息，測(cè)試端完成用戶操作，并將測(cè)試結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控端。由于遠(yuǎn)程監(jiān)控端向測(cè)試端發(fā)送命令或配置時(shí)需要確保接收端處于網(wǎng)絡(luò)連接正常且空閑狀態(tài)，測(cè)試端向遠(yuǎn)程監(jiān)控端回饋測(cè)試結(jié)果時(shí)亦須保證遠(yuǎn)程監(jiān)控端處于等待接收回饋狀態(tài)，兩端時(shí)刻都需要將自身的狀態(tài)發(fā)送給對(duì)端，所以，不論進(jìn)行空閑通信，還是正在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，兩端的任何通信數(shù)據(jù)包中必須包含自身狀態(tài)，即圖2通信協(xié)議中的“S/C系統(tǒng)狀態(tài)”，遠(yuǎn)程監(jiān)控端時(shí)刻都顯示測(cè)試端的狀態(tài)，這樣減小了誤操作。但是，對(duì)于異常情況，如，兩端任意一端出現(xiàn)異常無(wú)法進(jìn)行通信時(shí)，對(duì)端無(wú)法接收到對(duì)端狀態(tài)而進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的更新，本系統(tǒng)在處理此問(wèn)題時(shí)是根據(jù)兩次接收不到對(duì)方的信息(最長(zhǎng)2s)，自動(dòng)定義對(duì)端異常，從而進(jìn)行重新連接對(duì)端，保證兩端通信連接的實(shí)時(shí)性，遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端通信流程如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端通信流程

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)是一種長(zhǎng)期的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)[6]，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變的變化比較緩慢，但是實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，有些實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)一年才能完成，根據(jù)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)的這種長(zhǎng)期性和信號(hào)變化緩慢的特性，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端發(fā)送和接收命令采用1s時(shí)間間隔，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔根據(jù)采樣頻率有所不同，一般為1s至100ms。

2.3應(yīng)用效果/測(cè)試效果

2.3.1應(yīng)用效果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本系統(tǒng)能夠完成點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)、定時(shí)等多種疲勞實(shí)驗(yàn)，能夠完成至少10臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控端同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道來(lái)測(cè)試飛機(jī)不同部位的應(yīng)變變化情況，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)至少可達(dá)12個(gè)月，對(duì)于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中測(cè)試過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)數(shù)據(jù)的顯示問(wèn)題，采用兩種解決方法：第一種，由于是疲勞實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)的變化比較緩慢，顯示圖形中最多顯示1小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，每屏的數(shù)據(jù)量最多不超過(guò)10000個(gè)點(diǎn)，如果超過(guò)顯示時(shí)長(zhǎng)和數(shù)據(jù)量，采取先進(jìn)先出原則，只保證最近一小時(shí)的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，并且采取抽取每時(shí)刻采集的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；第二種，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果試驗(yàn)人員需要查看以前實(shí)驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù)或者本次實(shí)驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù)，可以運(yùn)行數(shù)據(jù)分析界面，直接打開(kāi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行顯示、分析和分析數(shù)據(jù)的另存為，保證了實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立性、可靠性和靈活性。測(cè)試端連續(xù)、定時(shí)、外觸發(fā)等實(shí)驗(yàn)的人機(jī)界面如圖4所示。

圖4　測(cè)試端連續(xù)、定時(shí)、外觸發(fā)等實(shí)驗(yàn)的人機(jī)界面

2.3.2溫漂測(cè)試效果

針對(duì)疲勞實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，要求測(cè)試系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，對(duì)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀的零值進(jìn)行溫漂測(cè)試，每隔20分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)8小時(shí)40分鐘，28組數(shù)據(jù)中，通道1的最大值是3με、最小值-6με、平均值是-1.11με，通道4的最大值是4με、最小值是-3με、平均值是0.26με，從總體上來(lái)說(shuō)，溫漂基本在±5με之內(nèi)。

2.3.3精度測(cè)試效果

利用SSA型標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明本系統(tǒng)測(cè)量精度高達(dá)3‰，通道2處于三線制四分之一橋時(shí)的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1通道2三線制四分之一橋精度檢測(cè)結(jié)果

序號(hào)標(biāo)稱值(με)測(cè)量值(με)FS誤差(%)120000200030.016215000149970.01831000099980.0094500049970.0165100010010.00765005010.00471001000.00280-10.0039-100-1010.00410-500-4990.00411-1000-10000.00212-5000-50010.00413-10000-100000.00114-15000-149970.01315-20000-199970.017

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)8路的靜態(tài)應(yīng)變/電壓測(cè)試系統(tǒng)，主要通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控端，根據(jù)需要進(jìn)行不同測(cè)試點(diǎn)的顯示、分析等。通過(guò)上述的應(yīng)用效果和測(cè)試效果證明，本系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性高、界面友好、易于操作；對(duì)于后續(xù)增加遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測(cè)試端留有擴(kuò)展接口，模塊之間相互獨(dú)立，方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；充分展現(xiàn)了以太網(wǎng)長(zhǎng)距離、高速率傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)；相對(duì)于傳統(tǒng)單機(jī)版的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，避免了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在同一臺(tái)機(jī)器上顯示和保存所造成的數(shù)據(jù)過(guò)于集中而無(wú)法完全顯示，甚至內(nèi)存溢出的死機(jī)問(wèn)題，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)的分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：張朋毅]

Ethernet-based Strain Test System for Aircraft Structure

QIAOShe-juan1,WANGCheng1,KANGXue-juan1,WANGQi2

(1.College of Electric Engineering, Xi'an Aeronautical University, Xi'an 710077, China;

2.Shaanxi Sunhigh Measurement and Control Technology Co., Ltd., Xi'an 710075, China)

Abstract：Based on the actual situation of Aircraft Structure fatigue test system in China and the applications of Ethernet technology in industrial areas. Ethernet-based remote control strain test system is designed. The emphasis is on using Ethernet to realize the communication between distant controlling terminals and field measuring node. The transmission reliability and real-time between command and data were verified by many experiments.

Key words：aircraft structure; strain test; Ethernet