基于LabVIEW的艙段測(cè)控系統(tǒng)

焦崗 韓陽(yáng)

摘 要：本文描述了艙段測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，從系統(tǒng)布置、系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等全方面詳細(xì)描述了艙段測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。測(cè)控軟件采用LabVIEW進(jìn)行編寫。本文重點(diǎn)描述了軟件框架的構(gòu)建過程。在測(cè)量信號(hào)種類較多，各采集信號(hào)要求的采集速度不同，兼有并行任務(wù)的背景下，通過不斷地優(yōu)化軟件框架，解決了數(shù)據(jù)采集、控制、多任務(wù)并行等軟件問題，從而較好地完成了整個(gè)艙段測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的軟件能正常穩(wěn)定運(yùn)行，完成了采集、控制、RS422全雙工通信等任務(wù)，并通過實(shí)際試驗(yàn)過程驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW 采集 控制 RS422

Abstract： In this paper， the design requirements of cabin measurement and control system are described. The design process of cabin measurement and control system is described in detail from the aspects of system layout， system principle design， system hardware design and system software design. The measurement and control software is written in LabVIEW. It mainly focuses on the construction process of software framework. Under the background of many kinds of measurement signals， different acquisition speeds required by each acquisition signal and parallel tasks， the software problems such as data acquisition， control and multi task parallel are solved by continuously optimizing the software framework， so as to better complete the design of the whole cabin measurement and control system. The optimized software can run normally and stably， complete the tasks of acquisition， control and RS422 full duplex communication， and verify the reliability of the whole system through the actual test process.

Key Words： LabVIEW; Collect; Control; RS422

國(guó)內(nèi)民用APU【1】處于快速發(fā)展階段，研制所需的地面配套測(cè)試系統(tǒng)也隨之得到發(fā)展。本文所描述的艙段測(cè)控系統(tǒng)主要功能是對(duì)APU及其附件進(jìn)行參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)保存及事后分析，同時(shí)具備支線飛機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)模擬艙段閥門器件的控制功能，采集APU控制器總線數(shù)據(jù)【2】，對(duì)APU控制器部分信號(hào)進(jìn)行顯示，并模擬部分控制指令。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)原理

測(cè)控系統(tǒng)原理圖如圖1所示，測(cè)控系統(tǒng)需要測(cè)量的參數(shù)包括：進(jìn)氣子系統(tǒng)【3】的總溫、總壓、靜壓，排氣子系統(tǒng)的總溫、總壓、靜壓、壁溫，引氣子系統(tǒng)的總溫、總壓、靜壓、流量，安裝艙的溫度、壓力，APU本體燃燒機(jī)匣的溫度，APU附件溫度，齒輪箱、核心機(jī)、冷卻風(fēng)扇、安裝支點(diǎn)的振動(dòng)，起動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)的電流，APU燃油溫度、壓力、流量，滑油散熱器進(jìn)出口溫度。測(cè)控系統(tǒng)的控制功能設(shè)計(jì)，如上進(jìn)氣道電動(dòng)調(diào)節(jié)柵板的控制，以及引氣閥門的控制等。

2.2系統(tǒng)布置

測(cè)控系統(tǒng)主要由移動(dòng)測(cè)試柜、移動(dòng)控制柜、傳感器、供電電纜【4】、信號(hào)電纜等組成。

系統(tǒng)布置圖如圖2所示，移動(dòng)測(cè)試柜與移動(dòng)控制柜放在一起。移動(dòng)測(cè)試柜、移動(dòng)控制柜與APU模擬艙的之間布置有供電電纜（弱電）、信號(hào)電纜，供電電纜（弱電）與信號(hào)電纜分開走線，避免相互干擾。移動(dòng)測(cè)試柜與移動(dòng)控制柜之間有供電電纜連接。移動(dòng)控制柜接市電。傳感器布置于艙體及管路待測(cè)量位置。

2.2.1移動(dòng)測(cè)試柜

移動(dòng)測(cè)試柜上安裝測(cè)控計(jì)算機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、屏蔽接線盒、電荷調(diào)理器等，如圖3所示。

移動(dòng)測(cè)試柜主要功能：完成支線飛機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)模擬艙段所有傳感器的采集;將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，顯示當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài);實(shí)現(xiàn)與電子控制器的通信功能，采用 RS422全雙工總線形式【5】與電子控制器進(jìn)行通信，并解析， 顯示通信數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令，模擬部分控制狀態(tài);根據(jù)工作模式，采集轉(zhuǎn)速傳感器頻率信號(hào);模擬APU硬件功能開關(guān)：APU啟動(dòng)/停車開關(guān)、輪載設(shè)置開關(guān)、緊急停車開關(guān);模擬艙段輔助控制功能，上進(jìn)氣道電動(dòng)調(diào)節(jié)柵板;軟件分屏顯示功能，上端的顯示器顯示采集信息，下端的顯示器顯示控制功能按鈕，方便工作人員操作與觀察。

2.2.2移動(dòng)控制柜

移動(dòng)控制柜上安裝有功率分析儀、UPS電源、APU電子控制器、雙路可調(diào)電源、開關(guān)電源、斷路器、繼電器、供電端子等，如圖4所示。

移動(dòng)控制柜功能：為電子控制器提供放置空間和直流電源（雙路且（16～32）V可調(diào)）;為測(cè)控計(jì)算機(jī)及顯示器供電;給有源傳感器提供激勵(lì)信號(hào);為控制電路及電機(jī)提供電源及電路保護(hù);測(cè)量APU起動(dòng)電機(jī)電流、電壓信號(hào);測(cè)量APU發(fā)電機(jī)電流、電壓信號(hào)。

2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)采用NI公司18槽PXIE1075總線機(jī)箱【6】，完成信號(hào)采集、信號(hào)存儲(chǔ)、信號(hào)顯示、電機(jī)控制等功能。傳感器供電與控制電路分開，防止在傳感器端引入不必要的工頻干擾。傳感器供電采用線性電源供電，采集信號(hào)經(jīng)前置屏蔽接線盒后送入采集卡。控制回路采用開關(guān)電源供電，輔以繼電器進(jìn)行控制。

測(cè)控系統(tǒng)保護(hù)功能設(shè)計(jì)，在控制電路中對(duì)供電電路設(shè)有斷路器進(jìn)行過流保護(hù)，對(duì)AD口增加必要的過流保護(hù)。在系統(tǒng)中關(guān)鍵位置增加限位信號(hào)及故障信號(hào)采集裝置，在系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。對(duì)APU系統(tǒng)部分狀態(tài)通過軟件指示燈的形式進(jìn)行顯示，并通過按鈕給APU系統(tǒng)發(fā)送部分命令，如圖5所示。

3信號(hào)采集問題

3.1信號(hào)分析

測(cè)控系統(tǒng)中信號(hào)種類較多，包含：壓力信號(hào)、流量信號(hào)、電流互感器信號(hào)、電壓變送器信號(hào)、熱電阻信號(hào)、熱電偶信號(hào)、加速度傳感器信號(hào)（IEPE/PE）【7】、頻率信號(hào)、RS422總線信號(hào)。各種采集信號(hào)總計(jì)為107路。各種采集信號(hào)如何協(xié)調(diào)有序的采集是系統(tǒng)首先要解決的問題。各采集信號(hào)要求的采集速度如表1所示。軟件采用LabVIEW進(jìn)行編寫，這就要求搭建比較合理的采集結(jié)構(gòu)。

3.2串聯(lián)框架

編寫之初搭建的串聯(lián)框架模型如圖6所示。這種模型在實(shí)際使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的端口數(shù)據(jù)溢出BUG，此模型需改進(jìn)。

3.3傳統(tǒng)多VI框架

鑒于串聯(lián)框架模型的問題，將采集速率最高的加速度信號(hào)單獨(dú)采集，剩下的信號(hào)基本可同時(shí)采集，改進(jìn)后框架模型如圖7所示。VI間傳遞數(shù)據(jù)方式較多，本例中采用的是DATAsocket【8】方式。至此信號(hào)采集問題基本解決。

3.4多任務(wù)框架并入

此時(shí)，RS422數(shù)據(jù)傳輸問題還有待解決，測(cè)控系統(tǒng)中采用的是RS422全雙工通信，即采集部分可集成于普通采集模式中，但發(fā)送部分存在著命令裝幀的問題。同時(shí)還需要解決引氣閥門的控制問題，在上述框架的基礎(chǔ)上加入多任務(wù)框架，如圖8所示。

4傳感器采集電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 AI采集

AI采集包含壓力信號(hào)、流量信號(hào)、電流互感器信號(hào)、電壓變送器信號(hào)等的采集。如圖9所示，采用的是差分方式，避免了單端及參考單端方式帶入系統(tǒng)誤差。同時(shí)加入必要的信號(hào)隔離設(shè)備【9】，保護(hù)采集卡。

4.2溫度信號(hào)采集

本文中，溫度信號(hào)采集采用了兩種方式，即熱電阻采集及熱電偶采集。

熱電阻采集，如圖10所示，采用的是四線制A級(jí)精度PT100【10】，四線制避免了引線帶來的誤差。

熱電偶采集電路如圖11所示。

4.3加速度采集

由于振動(dòng)傳感器安裝位置的溫度比較高，因此采用PE（IEPE）型加速度傳感器，又因?yàn)椴煌恢玫臏囟确秶煌?，因此分別采用單軸與三軸加速度傳感器。

單軸采用傳感器、電荷放大器方式，三軸采用傳感器、信號(hào)放大器方式。

5軟件運(yùn)行效果

5.1軟件主界面

軟件主界面分為兩部分，分別在兩個(gè)顯示屏顯示，其中顯示部分如圖12所示。包含測(cè)試參數(shù)曲線顯示界面、RS422下發(fā)數(shù)據(jù)顯示界面、RS422接收數(shù)據(jù)顯示界面、系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面等4個(gè)子界面。測(cè)試參數(shù)曲線顯示界面為主要顯示界面，通過實(shí)時(shí)曲線顯示，參數(shù)列表顯示，重要參數(shù)集中顯示等方式進(jìn)行當(dāng)前系統(tǒng)信息的顯示。RS422下發(fā)及接收界面，則顯示與控制相關(guān)的命令及接收信息，以及控制器的狀態(tài)。當(dāng)前系統(tǒng)信息，則顯示的是測(cè)控系統(tǒng)本身運(yùn)行的一些參數(shù)內(nèi)核狀態(tài)。

控制部分如圖13所示?？刂撇糠纸缑姘褐骺刂瓢粹o、參數(shù)設(shè)置1、參數(shù)設(shè)置2等3個(gè)分界面。主控制按鈕界面包含：主采集控制區(qū)域、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)域、下發(fā)控制器命令區(qū)域，控制器接收命令區(qū)域、引氣閥控制區(qū)域等功能區(qū)域。

參數(shù)設(shè)置1、參數(shù)設(shè)置2則為參數(shù)設(shè)置功能區(qū)。

5.2加速度顯示界面

加速度VI的采集結(jié)果如圖14所示。包含時(shí)域信號(hào)、頻譜分布、單頻信號(hào)等功能圖表。該圖為加速度VI的靜態(tài)采集圖。

5.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果

某次試驗(yàn)的采集結(jié)果（抽引部分參數(shù)）如圖15所示。驗(yàn)證當(dāng)前的軟件框架【11】已能完成系統(tǒng)的采集任務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用LabVIEW軟件編程，在測(cè)量信號(hào)種類較多，各采集信號(hào)要求的采集速度不同，兼有并行任務(wù)的背景下，通過不斷地優(yōu)化軟件框架，解決了數(shù)據(jù)采集、控制、多任務(wù)并行等軟件問題。優(yōu)化后的軟件能正常穩(wěn)定的運(yùn)行，完成了采集、控制、通信等任務(wù)。滿足設(shè)計(jì)使用要求，完成了試驗(yàn)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉大 ，李瑜 . 民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置排液驗(yàn)證試驗(yàn)方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2016（2）：66-68.

[2] 錢惠祥 ，錢金法 . 基于CAN總線的智能康復(fù)輪椅數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2021，18（2）：72-76.

[3] 章弘， 常紅 . 輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門位置控制設(shè)計(jì)與研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2016（1）：5-9，13.

[4]白欣鵬， 張琦.試驗(yàn)機(jī)電氣改裝中常見的電纜質(zhì)量問題分析與防范措施[J].科技資訊. 2021， 19（4）：29-31.

[5]姬進(jìn).一種通用可配置RS422總線管理技術(shù)[J].電子測(cè)試，2018（3）：164-165.

[6] 張文廣 ，秦亮 .基于PXIe總線的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索. 2018，37（10）：157-161.

[7]金冉 ， 陳偉.壓電加速度傳感器Hn估計(jì)校準(zhǔn)方法[J].噪聲與振動(dòng)控制，2021，41（2）：255-260.

[8]陳樹學(xué).LabVIEW實(shí)用工具詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[9] 韓雨桐，黃晨.一種信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)及故障模式分析[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2021，29（5）：70-73，96.

[10]盧艷軍.傳感與測(cè)試技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[11]王樹杰，王寬寬.潮流能水平軸水輪機(jī)設(shè)計(jì)軟件框架設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2017，38（1）：186-193.

3347500338284