風(fēng)洞通用壓力掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

風(fēng)洞是以人工方式產(chǎn)生并控制氣流，用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體流動情況，并可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設(shè)備，它是飛行器研制工作中的一個不可缺少的組成部分，其在航空和航天工程的研究與發(fā)展中起著重要的作用[1]。風(fēng)洞中所涉及到測量參數(shù)通常包含很多，其中，壓力就是風(fēng)洞測量中的一項非常重要參數(shù)，其主要是針對風(fēng)洞總壓、靜壓、以及模型表面壓力的測量，通過這些壓力的測量可以解算出風(fēng)速、模型流動特征以及氣動外形設(shè)計等重要的風(fēng)洞試驗參數(shù)[2-3]。風(fēng)洞中的壓力目前主要是采用壓力掃描閥來進行測量，因為其具有小型化、精度高、通道數(shù)多等優(yōu)點，從而在風(fēng)洞中得到了廣泛的運用[4]。當(dāng)前，針對壓力掃描閥在風(fēng)洞中進行數(shù)據(jù)測量，還存在因風(fēng)洞不同、掃描閥類型不同以及功能需求不同等原因而重復(fù)多次的編寫壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集軟件，從而造成軟件冗余度高、工作效率低的問題[5-6]。

基于此，本文開發(fā)了一個風(fēng)洞通用壓力掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以滿足風(fēng)洞中各類壓力掃描閥的數(shù)據(jù)采集需求。系統(tǒng)軟件主要由參數(shù)設(shè)置、主界面、通道類型設(shè)置、吹風(fēng)試驗、數(shù)據(jù)查看等模塊組成，其主要具有以下幾個特點：1)基于模塊化設(shè)計，界面簡潔，操作簡單，擴展性強；2)集成了各類風(fēng)洞使用壓力掃描閥進行數(shù)據(jù)采集所需的各種功能，功能齊全；3)融合了風(fēng)洞中常用的各類壓力掃描閥，可以實現(xiàn)不同壓力掃描閥的綜合應(yīng)用，兼容性好。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由壓力掃描閥、交換機、測量上位機三大模塊組成。如圖1所示，測量上位機與各個壓力掃描閥通過網(wǎng)線連接到以太網(wǎng)交換機，以確保所有設(shè)備在一個網(wǎng)段上。當(dāng)進行吹風(fēng)試驗時，首先由引壓管將外部壓力引入到壓力掃描閥中。然后，由掃描閥內(nèi)部的壓力傳感器將接收到的外部壓力轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換完成后，各個掃描閥再通過網(wǎng)絡(luò)將壓力數(shù)據(jù)匯聚到測量上位機上。最后，再由測量上位機的數(shù)據(jù)采集軟件對壓力數(shù)據(jù)進行獲取。

圖1 壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

1.2 PSI 9116壓力掃描閥

PSI 9116是一種氣體壓力智能掃描器，其內(nèi)部集成了壓力傳感器和氣路校準(zhǔn)閥。它所采集到的數(shù)據(jù)是保證系統(tǒng)精度的工程單位EU數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過上電時讀取傳感器內(nèi)部預(yù)置的EU轉(zhuǎn)換和溫度補償系數(shù)經(jīng)過內(nèi)部計算得到的。它的網(wǎng)絡(luò)接口采用的是自適應(yīng)10/100 M以太網(wǎng)接口，使用TCP/UDP/IP協(xié)議，支持全雙工/半雙工操作[7]。PSI 9116具有16個測量通道，每個通道使用單獨的氣體壓力傳感器。它的壓力掃描精度高達±0.05%，并在校準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，溫度漂移誤差低至±0.001%FS/℃。此外，它還具備調(diào)零校準(zhǔn)方便、易于使用、易于更換等特點。

1.3 DSA 3217壓力掃描閥

DSA 3217是一個獨立的電子壓力掃描閥，可以接受16個氣動輸入，其是專門設(shè)計用于校準(zhǔn)周期長、操作簡單與精度要求高的應(yīng)用場合[8]。每個DSA 3217包含16個獨立的、溫度補償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅鳌?個A/D轉(zhuǎn)換器和1個微處理器。每個傳感器都具備超壓超溫特性，該信息存儲在EEPROM存儲器中，使模塊能夠直接輸出工程單位中的核心數(shù)據(jù)。該模塊同時支持以太網(wǎng)通信以及串口RS-232通信，但主要的通信方式是帶有MDIX自動交叉的100Base-T以太網(wǎng)端口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計平臺

C#是微軟公司設(shè)計的一種從C和C++派生出來的一種簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蠛皖愋桶踩木幊陶Z言，其主要用于開發(fā)可以運行在.NET平臺上的應(yīng)用程序[9]。C#具有語法簡單、徹底面向?qū)ο笤O(shè)計、兼容性好等突出的特點，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如：桌面應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)平臺開發(fā)、智能手機程序開發(fā)等等。

2.2 軟件設(shè)計思路

壓力掃描閥安裝連接成功后，打開數(shù)據(jù)采集軟件，在軟件上通過網(wǎng)絡(luò)連接需要使用的壓力掃描閥。連接成功后，對壓力掃描閥進行模塊參數(shù)設(shè)置，例如：采樣頻率、濾波次數(shù)、觸發(fā)模式、采集模式、時間協(xié)議等等。參數(shù)設(shè)置完成后，軟件開始實時顯示壓力掃描閥的零點值，并根據(jù)需要通過軟件對所有的壓力掃描閥進行一鍵標(biāo)定。當(dāng)需要準(zhǔn)備試驗吹風(fēng)時，首先通過軟件對各個通道的數(shù)據(jù)類型以及試驗參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置完成后進入到吹風(fēng)試驗界面，吹風(fēng)界面以圖形化實時顯示需要顯示的通道數(shù)據(jù)。當(dāng)需要進行數(shù)據(jù)采集時，通過軟件控制數(shù)據(jù)的采集與存儲。數(shù)據(jù)存儲完成后，可以根據(jù)需要通過軟件對已存儲的數(shù)據(jù)進行查看。此外，針對需要遠程控制的情況，可以通過軟件連接到遠程控制機，并由遠程控制機來控制數(shù)據(jù)的采集。

圖2 軟件設(shè)計思路

2.3 軟件組成

依據(jù)軟件的設(shè)計思路以及風(fēng)洞試驗現(xiàn)場使用的需要，對軟件進行模塊化設(shè)計，主要包括參數(shù)設(shè)置、主界面、通道類型設(shè)置、吹風(fēng)試驗以及數(shù)據(jù)查看等5大模塊。

參數(shù)設(shè)置界面主要用于對已連接到軟件的壓力掃描閥進行參數(shù)配置，如圖3所示。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

首先通過16個模塊按鈕對需要配置的模塊進行選擇，然后根據(jù)所選的壓力掃描閥選擇掃描閥類型，并根據(jù)該掃描閥的IP地址以及Port端口對其進行連接。連接成功后，對模塊參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容主要包括：1)采集頻率、通道掃描間隔及濾波次數(shù)，由于采集頻率的設(shè)置與通道掃描間隔和濾波次數(shù)直接相關(guān)，因此設(shè)置了兩種頻率計算方式，一種是根據(jù)濾波計算通道掃描間隔，即改變了頻率后根據(jù)當(dāng)前的濾波次數(shù)計算出通道掃描間隔，一種是根據(jù)掃描間隔計算濾波，即改變了頻率后根據(jù)當(dāng)前的通道掃描間隔計算出濾波次數(shù)；2)觸發(fā)模式，掃描閥的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)通常包含兩種模式，一種是內(nèi)部時鐘，即掃描閥根據(jù)設(shè)置的采集頻率使用內(nèi)部時鐘定時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，另一種是外部觸發(fā)，即掃描閥連接外部的觸發(fā)設(shè)備，通過觸發(fā)設(shè)備產(chǎn)生的觸發(fā)信號來觸發(fā)數(shù)據(jù)的采集；3)采集模式，采集模式有兩種可選，一種是根據(jù)采集頻率進行連續(xù)不斷采集的連續(xù)采集模式，一種是每次只采集一次數(shù)據(jù)的單次采集模式；4)采集類型，本軟件的數(shù)據(jù)采集類型主要分為壓力值以及各個通道的溫度值；5)壓力單位，針對壓力值可以選擇不同的壓力單位，例如：Pa、KPa、PSI等。模塊參數(shù)設(shè)置完成后，就可以將參數(shù)設(shè)置情況下發(fā)到壓力掃描閥并讓其生效，本軟件設(shè)置了兩種參數(shù)設(shè)置下發(fā)模式，一種是單次設(shè)置，即只對當(dāng)前的模塊進行參數(shù)設(shè)置，另一種是對所有已連接的模塊進行統(tǒng)一設(shè)置。

為了實現(xiàn)各個掃描閥的時間統(tǒng)一、數(shù)據(jù)同步以及數(shù)據(jù)比較，本軟件對每幀數(shù)據(jù)進行時間戳的獲取。針對支持PTP協(xié)議[10](precise time protocol，精準(zhǔn)時間協(xié)議)的掃描閥，本軟件可以對其進行PTP設(shè)置，如圖3(b)所示，獲取的時間戳即為掃描閥的硬件時間戳。針對不支持PTP協(xié)議的掃描閥，本軟件獲取的時間戳為計算機的系統(tǒng)時間戳。

吹風(fēng)試驗過程中有時需要多個系統(tǒng)同步采集以及遠程操控等，因此本軟件設(shè)置了遠程控制模式，如圖3(c)所以，首先，通過本軟件設(shè)置好遠程控制器的IP地址、Port端口以及開始采集命令等，當(dāng)需要遠程控制時，將采集控制權(quán)交于遠程控制器，遠程控制器就可以通過發(fā)送采集命令來實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)采集，當(dāng)不需要遠程控制時再轉(zhuǎn)為本地采集模式。

主界面主要用于零點顯示、零點標(biāo)定以及試驗參數(shù)設(shè)置等，如圖4所示。

圖4 主界面

掃描閥連接設(shè)置成功并開始掃描后，主界面的數(shù)據(jù)顯示控件會實時顯示各個掃描閥的零點值，各個掃描閥的零點切換通過16個模塊按鈕來實現(xiàn)。當(dāng)需要進行零點標(biāo)定時，軟件會發(fā)送零點標(biāo)定命令到各個掃描閥，掃描閥自動標(biāo)定后返回零點值到軟件，軟件再將各個掃描閥的零點值進行臨時存儲。此外，由于每次吹風(fēng)過程的試驗條件可能不同，因此本軟件還設(shè)置了吹風(fēng)試驗的參數(shù)設(shè)置與存儲，設(shè)置內(nèi)容主要包括試驗車次、大氣壓力、環(huán)境溫度、采集頻率以及采樣時間等常規(guī)參數(shù)。

通道類型設(shè)置界面主要用于對壓力掃描閥各個通道的數(shù)據(jù)類型進行設(shè)置，如圖5所示。

由于吹風(fēng)試驗過程中掃描閥各個通道的數(shù)據(jù)類型與采集位置有所不同，因此，為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)區(qū)分以及數(shù)據(jù)處理等，本軟件設(shè)置了掃描閥通道類型設(shè)置功能。即在準(zhǔn)備吹風(fēng)試驗前，先將所用到的數(shù)據(jù)類型名稱輸入到軟件中，然后對每個通道的數(shù)據(jù)類型進行選擇，這樣每次數(shù)據(jù)采集完成后保存的數(shù)據(jù)文件就能對每個通道的數(shù)據(jù)類型進行標(biāo)注。

吹風(fēng)試驗界面主要用于數(shù)據(jù)圖形顯示以及數(shù)據(jù)采集，如圖6所示。

圖6 吹風(fēng)試驗界面

當(dāng)進入吹風(fēng)試驗狀態(tài)時，吹風(fēng)試驗界面會以曲線流動的形式實時顯示掃描閥各通道的數(shù)據(jù)，圖形顯示頻率的規(guī)則為采集頻率小于10 Hz時就以采集頻率顯示，采集頻率大于10 Hz時就對數(shù)據(jù)進行抽樣顯示，顯示頻率為固定的10 Hz。此外，通過通道選擇控件還能夠?qū)π枰@示的通道數(shù)據(jù)進行任意選擇。當(dāng)需要進行數(shù)據(jù)采集時，點擊開始采集按鈕軟件就會實時的存儲掃描閥當(dāng)前獲取得到的數(shù)據(jù)，采集過程中會有進度提示，采集完成后，點擊數(shù)據(jù)保存按鈕對數(shù)據(jù)進行存儲，數(shù)據(jù)存儲的類型有CSV、TXT、Excel等多種類型可選。

數(shù)據(jù)查看界面主要用于對已存儲的數(shù)據(jù)進行查看，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查看界面

吹風(fēng)試驗結(jié)束后，為了便于數(shù)據(jù)查看以及數(shù)據(jù)校驗，因此，本軟件設(shè)置了數(shù)據(jù)查看功能。即通過軟件打開需要查看的數(shù)據(jù)，軟件就能以圖形化的形式顯示出打開的數(shù)據(jù)。同樣，通過通道選擇控件可以對需要查看的通道數(shù)據(jù)進行任意選擇。

2.4 壓力掃描閥指令

DSA 3217：

set format 0 設(shè)置數(shù)據(jù)刷新格式；

set bin 1 設(shè)置上傳數(shù)據(jù)為二進制格式(0為ASCLL格式)；

set time 3 設(shè)置時間戳格式；

set period 100 設(shè)置通道掃描間隔為100us；

set avg 4 設(shè)置濾波次數(shù)為4；

set fps 0 設(shè)置數(shù)據(jù)采集模式(0為連續(xù)采集、1為單次采集)；

set unitscan kpa 設(shè)置數(shù)據(jù)單位為Kpa；

set xscantrig 0 設(shè)置數(shù)據(jù)觸發(fā)模式(0為內(nèi)部時鐘、1為外部觸發(fā))；

calz 100 4 零點標(biāo)定(以通道掃描間隔100us，4次濾波進行標(biāo)定)；

set ptpen 0 設(shè)置ptp協(xié)議(0為關(guān)閉PTP、1為從設(shè)備、2為主設(shè)備)；

scan 開始掃描；

stop停止掃描。

PSI 9116：

c 05 1 0090 設(shè)置上傳數(shù)據(jù)的格式(數(shù)據(jù)包括壓力值與溫度值)；

w104 設(shè)置濾波次數(shù)為4；

c 00 1 ffff 1 100 8 0 設(shè)置為內(nèi)部時鐘觸發(fā)模式、掃描周期為100ms、連續(xù)采集模式；

hffff 零點標(biāo)定；

c 01 1 開始掃描；

c 02 1 停止掃描。

3 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證本系統(tǒng)的可行性，本文開展了壓力掃描閥數(shù)據(jù)測試實驗。即按照兩臺DSA 3217、兩臺PSI 9116、一臺DSA 3217和一臺PSI 9116的三種情況依次連接到本系統(tǒng)，然后，使用壓力信號源(Ruska 7250LP)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的壓力變化信號(0KP-1KP-2KP-3KP-4KP-5KP逐漸變化的信號)同時輸入到各個掃描閥的第一個通道，最后，使用本系統(tǒng)對掃描閥獲取得到的數(shù)據(jù)進行采集，第三種情況采集得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。三種情況采集完成后，計算每種情況的不同掃描閥之間的數(shù)據(jù)差異如圖9所示。

圖8 第三種情況的掃描閥采集數(shù)據(jù)

圖9 三種情況的掃描閥數(shù)據(jù)差異

由圖8可知，三種情況的壓力掃描閥之間的數(shù)據(jù)差異都比較小，分別為3.2 Pa、1.6 Pa、9.9 Pa，其中，第三種情況的數(shù)據(jù)差異比前兩種情況大是由于兩種不同掃描閥的精度不一致導(dǎo)致的。同時，由圖9可以看到第三種情況還出現(xiàn)了5次較大的波動，這是由于壓力信號產(chǎn)生較大變化時，兩種不同掃描閥的動態(tài)響應(yīng)不同而造成的。此外，三種情況的掃描閥之間的數(shù)據(jù)時間差最大值分別為5 ms、8 ms、30 ms，其中第三種情況的時間差較大是由于兩種不同掃描閥的啟動機制不一樣造成的，即掃描閥響應(yīng)啟動指令的時間不一致。綜上，本系統(tǒng)在前兩種情況下的數(shù)據(jù)差異以及數(shù)據(jù)時間差都比較小，第三種情況雖然要差一些但依然能夠滿足風(fēng)洞試驗的需要。因此，通過本實驗可以說明本系統(tǒng)具有較好的一致性與同步性，具備多個掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集的能力，能夠滿足風(fēng)洞中各類壓力掃描閥的數(shù)據(jù)采集需求。

4 結(jié)束語

本文為了滿足風(fēng)洞中的常用壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集的需求，設(shè)計了一個壓力掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；贑#對系統(tǒng)進行設(shè)計，將風(fēng)洞中常用的壓力掃描閥融合在了一個系統(tǒng)中，并根據(jù)風(fēng)洞試驗的功能需求從零點顯示與標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)查看等方面對系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，最后，通過壓力測試實驗對本系統(tǒng)進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)界面簡潔、功能齊全、同步性好并且兼容性高，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞中的各類壓力掃描閥的綜合數(shù)據(jù)采集。下一步工作是融合更多類型的壓力掃描閥在本系統(tǒng)中，并且根據(jù)風(fēng)洞試驗的需要，不斷的擴展系統(tǒng)功能。