LXI總線在某核心機(jī)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳利 吳玉葉 譚雨晨 羅丹

摘要：針對(duì)某核心機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試參數(shù)種類多、數(shù)量大、測(cè)點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)同步要求高等測(cè)試難點(diǎn)，基于LXI總線為該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分利用了LXI總線分布式架構(gòu)、同步觸發(fā)功能等特點(diǎn)。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采樣率達(dá)到50 Hz，該指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同行業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件水平相當(dāng)，數(shù)據(jù)同步精度達(dá)25 μs，可推廣應(yīng)用到其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

關(guān)鍵詞：LXI總線;核心機(jī)試驗(yàn)臺(tái);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0? ? 引言

核心機(jī)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，包含發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)承受壓力最大、溫度最高和轉(zhuǎn)速最高的零部件。核心機(jī)試驗(yàn)是研制過程的重要階段，通過試驗(yàn)和測(cè)試，可深入認(rèn)識(shí)核心機(jī)規(guī)律，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性并修正設(shè)計(jì)[1]。試驗(yàn)要求的測(cè)量參數(shù)數(shù)量多，種類復(fù)雜，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)要求高，本文基于LXI總線的優(yōu)良特性，設(shè)計(jì)了一套適合上千通道、高采樣率、同步精度高的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1? ? 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試需求

核心機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求測(cè)量的參數(shù)達(dá)數(shù)百上千個(gè)，且種類繁雜、測(cè)點(diǎn)分散，要求系統(tǒng)根據(jù)測(cè)點(diǎn)分布合理放置測(cè)試設(shè)備。試驗(yàn)中的參數(shù)變化迅速，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集速率不低于50 Hz、同步精度不少于20 ms。試驗(yàn)過程中對(duì)系統(tǒng)可靠性要求高，要求軟件具有較好的容錯(cuò)和恢復(fù)能力，在某個(gè)硬件設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，軟件能繼續(xù)正常采集，且可在硬件恢復(fù)之后，自動(dòng)恢復(fù)采集。

2? ? LXI總線簡(jiǎn)介

LXI總線技術(shù)基于LAN結(jié)構(gòu)，采用分布式架構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)等通信等特點(diǎn)，可用于構(gòu)建功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)分布式測(cè)試系統(tǒng)[2]。LXI儀器提供三種同步觸發(fā)機(jī)制：軟件觸發(fā)、IEEE 1588時(shí)鐘同步觸發(fā)和觸發(fā)總線觸發(fā)，三種方式的同步精度依次遞增。

3? ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

本文基于LXI總線技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由EX1200機(jī)箱、EX10XXA系列模塊、PSI9116壓力測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集/監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)等組成，滿足試驗(yàn)中各類信號(hào)測(cè)量需求。

核心機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)點(diǎn)集中在試驗(yàn)間，為減少線纜連接，將測(cè)量氣壓的壓力測(cè)量模塊集中安裝在壓力測(cè)試機(jī)柜中，測(cè)量溫度、轉(zhuǎn)速、液壓等信號(hào)的模塊安裝在數(shù)采測(cè)試機(jī)柜中，壓力測(cè)試機(jī)柜和數(shù)采測(cè)試機(jī)柜均放置在試驗(yàn)間。數(shù)據(jù)采集/監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)都安裝在操縱間，分布在試驗(yàn)間和操縱間的設(shè)備、計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線連接起來，構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

系統(tǒng)采用硬件觸發(fā)來保證數(shù)據(jù)同步，即所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用一個(gè)外部觸發(fā)源，同一時(shí)刻接收觸發(fā)信號(hào)，采集的時(shí)間間隔由外部觸發(fā)信號(hào)統(tǒng)一控制。

4? ? 數(shù)據(jù)采集處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理軟件是系統(tǒng)的管理和調(diào)度中心，軟件的主要任務(wù)有系統(tǒng)配置、控制硬件、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示等。若采用通常的軟件設(shè)計(jì)方法，程序繁瑣、維護(hù)困難且不易于擴(kuò)展，故采用模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法[3]。根據(jù)軟件功能，設(shè)計(jì)五大功能模塊：主控制模塊、硬件接口模塊、業(yè)務(wù)邏輯模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)庫模塊，模塊組成如圖2所示。

各模塊描述如下：

（1）主控制模塊：整個(gè)軟件核心，對(duì)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)、分析等進(jìn)行管理和統(tǒng)一調(diào)度，與用戶進(jìn)行人機(jī)交互。

（2）硬件接口模塊：與硬件匹配，負(fù)責(zé)連接硬件、配置硬件、采集數(shù)據(jù)并解析、關(guān)閉設(shè)備。根據(jù)不同硬件類型，每類硬件單獨(dú)設(shè)計(jì)程序，構(gòu)成一個(gè)組件。

（3）業(yè)務(wù)邏輯模塊：實(shí)現(xiàn)軟件所有業(yè)務(wù)功能，如軟件配置、開始采集、數(shù)據(jù)回放、系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)報(bào)表等。

（4）顯示模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的多功能顯示及顯示參數(shù)配置，包括全數(shù)據(jù)界面、曲線界面、虛擬儀表界面、核心機(jī)狀態(tài)顯示等。

（5）數(shù)據(jù)庫模塊：負(fù)責(zé)試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)表導(dǎo)出以及數(shù)據(jù)庫備份和還原功能。

軟件對(duì)每個(gè)功能模塊的任務(wù)進(jìn)行二次分解，細(xì)分成多個(gè)功能組件，各個(gè)組件單獨(dú)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，并提供標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。

5? ? 軟硬件調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行軟硬件集成及聯(lián)合調(diào)試。根據(jù)硬件線纜連接情況在數(shù)據(jù)采集處理軟件中進(jìn)行通道配置，采樣率設(shè)置為50 Hz，軟件運(yùn)行期間，向電壓、熱電偶、頻率等通道輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，軟件界面上顯示測(cè)量值，結(jié)果表明測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)一致。當(dāng)信號(hào)源輸入改變時(shí)，測(cè)量值也迅速變化，表明系統(tǒng)能實(shí)時(shí)響應(yīng)輸入變化。為測(cè)試同步觸發(fā)精度，取出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行12 h內(nèi)EX10XXA、EX1538模塊的時(shí)間戳（由秒、納秒兩部分）構(gòu)成，表示模塊的絕對(duì)時(shí)間，部分時(shí)間戳如表1所示。

系統(tǒng)采集的第一包數(shù)據(jù)，各模塊時(shí)間戳中秒部分完全相同，納秒部分最大值和最小值分別為：192 093 862和192 076 040，兩者之間的差值為17.822 μs。對(duì)后續(xù)兩包數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔進(jìn)行分析，EX10XXA、EX1538模塊的間隔均為20 ms，嚴(yán)格按照50 Hz速率同步更新。為確定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步精度，對(duì)12 h每包數(shù)據(jù)的時(shí)間戳進(jìn)行分析，同一包數(shù)據(jù)納秒部分的最大值和最小值分別為：612 097 046和612 072 240，時(shí)間差異為24.806 μs。由此表明，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行采樣率達(dá)到50 Hz，數(shù)據(jù)同步精度高，達(dá)到25 μs。

6? ? 結(jié)語

本文基于LXI總線構(gòu)建了分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用靈活的軟硬件架構(gòu)、先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備以及自主設(shè)計(jì)的測(cè)試軟件，較好地滿足了核心機(jī)各項(xiàng)測(cè)試需求。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)在50 Hz運(yùn)行，數(shù)據(jù)同步精度達(dá)25 μs，采樣指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)外同行業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件同等水平，具有較高的工程技術(shù)推廣及應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張寶誠(chéng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2] 李正榮.基于LXI總線的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（7）：39-41.

[3] 溫昱.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

收稿日期：2020-05-18

作者簡(jiǎn)介：陳利（1989—），女，四川南充人，碩士研究生，工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。