多任務(wù)航空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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摘 要 在航空航天領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不允許為了達(dá)到測(cè)試目的，而降低在高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集中快速響應(yīng)及實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性等方面的性能。而多通道的應(yīng)用則能夠滿足現(xiàn)在測(cè)試系統(tǒng)的要求。測(cè)量對(duì)象的尺寸和結(jié)構(gòu)要求相關(guān)數(shù)據(jù)采集在集中設(shè)置或者在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)分散布局，實(shí)際應(yīng)用中以上方面都需要調(diào)整設(shè)置。相同的測(cè)量能力可使多參數(shù)集成化測(cè)量，今后還將實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)測(cè)量。在LAN-XI理念的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠明顯地增強(qiáng)系統(tǒng)的功能，同時(shí)減小系統(tǒng)對(duì)測(cè)量儀器及附件的需求量。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套允許多任務(wù)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)包括眾多高新技術(shù)應(yīng)用，諸如精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的靈活性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集；多任務(wù)；集成化測(cè)量

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）189-0070-03

在表面噪聲的交叉測(cè)量中，使用大量基于地面的測(cè)量儀器可以精簡測(cè)量流程。對(duì)于立體測(cè)試，即使測(cè)量步驟所花費(fèi)的時(shí)間對(duì)整個(gè)測(cè)試不起決定性作用，但是隨著相關(guān)部門對(duì)測(cè)試時(shí)間要求越來越嚴(yán)格，因此減少測(cè)量花費(fèi)的時(shí)間仍然是至關(guān)重要的。B &K的LAN-XI噪聲及振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用幾種高新技術(shù)能夠完成高難度高要求的航空測(cè)試工作。機(jī)載測(cè)試是航空測(cè)試工作的重要組成部分，是獲取機(jī)載飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要手段[1]。

自適應(yīng)系統(tǒng)拓?fù)鋵W(xué)：使用相同的硬件就可以實(shí)現(xiàn)不同類型參數(shù)的測(cè)量，而且可大量減少調(diào)整時(shí)間。測(cè)試對(duì)象有限時(shí)間：統(tǒng)一的寬動(dòng)態(tài)輸入范圍可以降低對(duì)測(cè)試輸入范圍的要求，使測(cè)試達(dá)到準(zhǔn)確實(shí)時(shí)性。減少步驟時(shí)間及花費(fèi)：利用分布在前后端的六類以太網(wǎng)電纜，可以減少昂貴龐大的模擬電纜的使用長度。更容易達(dá)到相關(guān)目標(biāo)：降低了系統(tǒng)的測(cè)量不確定性。但是在機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)傳輸抗干擾性差和高采樣率傳輸距離受限等問題[2-3]。

1 飛機(jī)噪聲和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求

在每項(xiàng)試驗(yàn)中飛機(jī)噪聲和振動(dòng)測(cè)量的計(jì)劃編制、設(shè)計(jì)及實(shí)施過程都有很大的不同。包括試驗(yàn)對(duì)象自身的特性、試驗(yàn)環(huán)境和具體試驗(yàn)進(jìn)行條件等很多因素都要考慮。另外，高質(zhì)量數(shù)據(jù)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得，并使相關(guān)費(fèi)用降至最低。

1.1 測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)

通常噪聲和振動(dòng)測(cè)量范圍從幾個(gè)通道到幾百個(gè)通道，因此通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具備范圍廣、模塊化，易于重新配置等特點(diǎn)?，F(xiàn)在帶多通道測(cè)量功能的相同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有望在今后被分成多個(gè)子系統(tǒng)，作為不同用途的小范圍測(cè)量，方便使用且不會(huì)影響測(cè)量精度，還可以節(jié)約成本。

一般來講，我們盡可能把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊放置在靠近測(cè)試對(duì)象的地方，這樣有利于縮短模擬量信號(hào)傳輸線的長度。除了能夠減少昂貴的高質(zhì)量傳輸電纜的花費(fèi)及降低由于電纜材質(zhì)所帶來的測(cè)量誤差風(fēng)險(xiǎn)的重要意義外，它還可以降低由電纜傳輸所帶來的測(cè)量噪聲。

對(duì)于大測(cè)試項(xiàng)目而言，要求小的測(cè)量前端或者獨(dú)立模塊可以方便的安裝在飛機(jī)各部位，而且要求所有的測(cè)試通道之間能夠精確同步。然而許多傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)既不能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量也不能保證獨(dú)立測(cè)量前端間的采樣同步。現(xiàn)在一些采集系統(tǒng)已經(jīng)采用多種基于電纜的同步技術(shù)來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立前端間的采樣同步，這就使得測(cè)試系統(tǒng)的電纜數(shù)有所增加。

1.2 測(cè)試環(huán)境

航空噪聲和振動(dòng)測(cè)量粗略地分為實(shí)地測(cè)量，試驗(yàn)室測(cè)量和測(cè)試單元測(cè)量。實(shí)地測(cè)量經(jīng)常是在苛刻條件下進(jìn)行的，這對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的魯棒性提出了更高要求。另外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具備重量輕，體積小，便于攜帶，低功耗，具有電池供電選擇及分布式前端的可能性。

具有單框架或多框架系統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在已有的試驗(yàn)室或test cell中得到了應(yīng)用。因此長距離電纜帶來的缺點(diǎn)先前已經(jīng)談到了。在相同的測(cè)試環(huán)境下，分布式前端的使用能夠明顯的減少電纜長度。圖1顯示了在各個(gè)測(cè)量單元的連接面板與操作間之間使用長距離連接線的傳統(tǒng)測(cè)試單元的配置。

1.3 時(shí)間和成本控制

受制于嚴(yán)格的時(shí)間和成本的限制，噪聲及振動(dòng)測(cè)量往往不能重新測(cè)量。用快速安全，簡易的方式去計(jì)劃安排實(shí)施測(cè)量，并得到重要可靠測(cè)量結(jié)果尤其重要。

通過在系統(tǒng)中使用即插即用功能性器件能夠明顯地簡化系統(tǒng)。理想的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠方便的與傳感器連接，而且也能與PC連接，打開數(shù)據(jù)采集軟件，點(diǎn)擊開始，就能得到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。因此，測(cè)量范圍必須盡量的小。

然而，由于嚴(yán)格的時(shí)間限制，任何時(shí)候都存在設(shè)置和測(cè)量誤差的隱患。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人工智能反饋功能可以快速容易地發(fā)現(xiàn)和糾正這些潛在的誤差。從每個(gè)前置模塊的每個(gè)通道中可以獲得系統(tǒng)的識(shí)別、校準(zhǔn)、條件、超載及測(cè)量狀態(tài)等信息。

2 LAN-XI的技術(shù)

LAN-XI概念的核心技術(shù)是精確時(shí)間協(xié)議（PTP），以太網(wǎng)供電（PoE），Req-X。

2.1 精確時(shí)間協(xié)議（PTP）

對(duì)于一般的測(cè)量來說，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器放置在接近離傳感器的地方有許多優(yōu)點(diǎn)，可以降低成本和減小干擾。顯然，由于在多個(gè)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘漂移，這要求系統(tǒng)中的所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間擁有良好的時(shí)間同步性。LAN-XI使用了一項(xiàng)新技術(shù)，它能夠確保通過應(yīng)用相同的局域網(wǎng)連接傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，保持信號(hào)采樣的時(shí)間同步。這一技術(shù)可以簡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電纜而且可以保證長距離測(cè)量的采樣同步，同時(shí)可以消除電纜和開關(guān)帶來的延時(shí)。

每個(gè)LAN-XI模塊中12條大容量的模擬電纜到一個(gè)貓上的6條以太網(wǎng)電纜的轉(zhuǎn)換能夠極大地減少測(cè)試的設(shè)置時(shí)間?？梢允顾秒娎|減少到6或12根，這也減少了電纜集束的直徑。

相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參見IEEE-1588-2002標(biāo)準(zhǔn)所制定的PTP規(guī)定，它在2008年3月有了新的升級(jí)版本，具體參見IEEE-1588-2008標(biāo)準(zhǔn)。PTP可以使在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的PTP設(shè)備間達(dá)到精確同步，如通過使用硬件產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)亞微秒級(jí)的精確同步。PTP同步給模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種新的技術(shù)可能，即在不同位置實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。僅根據(jù)局域網(wǎng)連接的需求，因此模塊位置可以靠近實(shí)際的測(cè)量點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)6類電纜傳輸距離可達(dá)100m或者單模式光纖可達(dá)15km。

使用LAN-XI測(cè)量通道X的帶寬幾乎是無限制的。同樣的測(cè)試系統(tǒng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)從2到多于1000個(gè)通道的測(cè)量。

2.2 以太網(wǎng)供電

使模數(shù)轉(zhuǎn)換器靠近傳感器的另一個(gè)難點(diǎn)就是供電。以太網(wǎng)供電技術(shù)是通過可以傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)和PTP的同樣的6類局域網(wǎng)電纜（任何獨(dú)立電纜可長達(dá)100m）給分布式模塊供電。這種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參見IEEE8023af-2003及IEEE802.3-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的更新。

2.3 PTP和PoE——單線操作

在LAN-XI中結(jié)合使用PTP和PoE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概念使人們有可能大大減少前端設(shè)置和布線帶來的費(fèi)用。因此分布式系統(tǒng)可以顯著減少傳感器電纜長度，并使用相同的LAN電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)采樣同步和供電。如圖2（與圖1比較）。它的好處是明顯的，包括可以減少噪聲和電纜費(fèi)用，設(shè)置更快，維護(hù)更容易，設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)和測(cè)量誤差更小，便宜的LAN開關(guān)可以代替昂貴的配線架，而且不需要增加額外的電源插座。

2.4 REq-X技術(shù)

更加精確地測(cè)量減少了測(cè)量的不確定性。更少的不確定性使得測(cè)量值更接近控制的限度和不變的途徑。盡管很難量化這種益處但這是重要的。

以前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用一個(gè)簡單的單一的校準(zhǔn)值貫穿整個(gè)傳感器的測(cè)量范圍。這種過度簡化帶來的測(cè)量不確定性可以通過修正傳感器頻率反饋輕松移除。

REQ-X技術(shù)通過使用傳感器的校準(zhǔn)頻率響應(yīng)反轉(zhuǎn)的逆脈沖反饋修正傳感器的時(shí)間信號(hào)，具體見GATE ETAL。如圖3所示：幅度和相位也都被實(shí)時(shí)修正。

從聲學(xué)上講，通過修正麥克風(fēng)對(duì)于聲源、擋風(fēng)玻璃和柵極引出帽的入射角度來進(jìn)一步降低測(cè)量的不確定性。

3 LAN-XI的硬件

3.1 模塊化機(jī)箱/框架

在一些有很多獨(dú)立模塊的應(yīng)用中，并沒有理想的系統(tǒng)拓?fù)?。?duì)于便攜式系統(tǒng)和一些實(shí)驗(yàn)裝置來說，將所有的通道集成到一個(gè)或多個(gè)框架和機(jī)箱上是很便利的。

在一個(gè)分布式系統(tǒng)中，增加或者減少相同的LAN-XI模塊的隨機(jī)性很強(qiáng)的。

不同尺寸的框架可以達(dá)到這個(gè)目的。一個(gè)C型框架能夠承載5個(gè)模塊（60個(gè)通道），而一個(gè)D型框架可以承載11個(gè)模塊（132個(gè)通道）。同一個(gè)系統(tǒng)可以使用多種框架結(jié)構(gòu)和獨(dú)立模塊。同時(shí)，PTP用來保持不同模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的時(shí)鐘

同步。

LAN-XI框架也能支持電池組或者由主電源（AC）供電，或一個(gè)寬范圍的直流電壓供電（10-32V）。當(dāng)配一個(gè)電池和外部電源同時(shí)供電時(shí)，機(jī)箱會(huì)由外部電源進(jìn)行運(yùn)作，但如果有任何中斷出現(xiàn)的話，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成電池

供電。

3.2 可交互式前面板

連接器和適配器總是在測(cè)試中遇到實(shí)際的挑戰(zhàn)。除了額外組件的花費(fèi)外，在測(cè)試系統(tǒng)中減少使用適配器也將減少一些故障點(diǎn)。集成交互面板的LAN-XI模塊能夠讓操作者決定使用哪種類型的電纜以及使傳感器具有更好的互換性。常用的連接器像BNC、擴(kuò)音器和直流加速度計(jì)的7針LEMO以及多針連接器是可以使用的而且能輕松互換。因此允許操作員按照要求采用多達(dá)12通道的噪聲和振動(dòng)輸入的組合來調(diào)整設(shè)置。

4 結(jié)論

LAN-XI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)使航空試驗(yàn)更加容易。它的優(yōu)點(diǎn)如下形式實(shí)現(xiàn)：時(shí)間——?dú)w功于即插即用功能的設(shè)置和實(shí)際測(cè)試功能?；ㄙM(fèi)——主要通過節(jié)約時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，也通過系統(tǒng)的靈活性和節(jié)約電纜來實(shí)現(xiàn)。精度——降低測(cè)量的不確定性，使得測(cè)量噪聲值更加接近絕對(duì)

限度。

參考文獻(xiàn)

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