關(guān)于多通道同步數(shù)據(jù)采集的探討

梁志國,劉淵,尹肖,孫浩琳,張大治

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 計量與校準技術(shù)重點實驗室,北京 100095)

0 引言

多通道數(shù)據(jù)采集,在工程應(yīng)用中有多種不同的表述方式,如針對多傳感器不同物理量測量特征的“多變量綜合測量”、體現(xiàn)同一被測系統(tǒng)復雜條件下不同指標特征的“多參量綜合測量”、側(cè)重同一物理對象不同參數(shù)的“多參數(shù)綜合測量”,以及復雜系統(tǒng)多物理量綜合測量、復雜環(huán)境多參量綜合測量等,均屬于同一事情的不同表征方式。本文后續(xù)討論,將不再對它們進行區(qū)分,視為等同。

多通道同步采集特指數(shù)據(jù)采集中各個通道采樣時刻完全相同的采樣方式,也稱為多通道同時采集。包括等間隔采樣狀態(tài)和非等間隔采樣狀態(tài)。它往往與多通道動態(tài)信號采集測量密不可分。此時,多需要構(gòu)建不同通道信號的同步、正交、固定延遲等技術(shù)條件,并進行條件判定。

盡管有些靜態(tài)多變量測量系統(tǒng)也使用多通道同步采集方式,由于信號平穩(wěn)且沒有變化,其同步采集優(yōu)勢并不明顯,僅僅在出現(xiàn)異?；蚬收蠒r,用于追蹤分析故障狀況,才顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢。

工程實踐表明,需要多通道同步采集的場合,實際上是指需要在各個通道的不同傳感器測量點處實現(xiàn)同時采樣,并非是指在采集系統(tǒng)本身的端口處實現(xiàn)同時采樣,兩者具有明確差異。由于通道放大器、信號調(diào)理器等的存在且參數(shù)存在差異,使得它們的含義并不相同。在系統(tǒng)本身端口處各個通道的同步,并不能保證它們在不同傳感器測量點處實現(xiàn)同時采樣。因此,多通道同步采集問題,既包含設(shè)備設(shè)計、制造問題,也包括設(shè)備使用、標定、修正、補償問題。缺少了這些環(huán)節(jié),即使是進行了多通道同步采集的設(shè)計和制造,也并不能獲得真正的多通道同步采集結(jié)果。這也正是本文后續(xù)所要討論的核心問題。

1 多變量動態(tài)測量

動態(tài)測量問題,一直被認為是時變量值波形的采樣測量問題[1]。其關(guān)注的是量值隨時間的變化情況,以及量值波形是否真實,失真是否足夠小。實際上,這僅僅是針對單物理量值的測量思路,僅是動態(tài)測量中的一個特例。多數(shù)情況下的動態(tài)測量,人們需要關(guān)注的均為多個物理量值的群體行為。它們變化多端,包括有規(guī)律變化和無規(guī)律變化,已知規(guī)律變化和未知規(guī)律變化。即使是按照同一規(guī)律變化,也涉及到規(guī)律出現(xiàn)的先后時序問題。由此,體現(xiàn)出多通道同步數(shù)據(jù)采集在動態(tài)測量中的意義和價值。

俄國科學家B.A.格拉諾夫斯基曾說,動態(tài)是矢量[2],本質(zhì)含義便是多維空間的矢量問題,其完整表征應(yīng)體現(xiàn)出如何表征其矢量特性。對于單物理量變化規(guī)律而言,不僅是量值波形的變化規(guī)律,也包括其規(guī)律對應(yīng)的時間刻度;對于多物理量值的群體變化行為而言,除了各自的時序變化規(guī)律外,其時間刻度的統(tǒng)一一致和先后時序關(guān)系,也是矢量特性的重要表述特征。

以最簡單的正弦交流電壓u(t)為例,其時域表示為

其矢量表述式為

式中:A為電壓幅度;f為電壓頻率;φ為電壓波形的初始相位;t為時間變量;為電壓的矢量幅度;j為復數(shù)算子符號。

將其加載到阻抗為Z的無源器件之上,通過的電流i(t)可表述為

其矢量表述式為:

式中:i為電流幅度;φ+θ為電流波形的初始相位;為電流的矢量幅度。

式中:Δτ為延遲時間。

當θ=0時,阻抗為純電阻,電壓和電流同相;

當θ=π/2時,阻抗為純電容,電壓落后電流π/2相位;

當θ=-π/2時,阻抗為純電感,電壓超前電流π/2相位。

相位差θ對應(yīng)的是延遲時間Δτ,延遲時間Δτ符號的不同,體現(xiàn)出的是阻性、容性、感性等截然不同的電路特性。矢量特性在這里與時間延遲特性擁有完全等價的關(guān)系,其表征方式不同,表面上的含義有差別,但本質(zhì)上是一致的。

復雜條件下的動態(tài)測量,一直是動態(tài)測量中的難點[3]。但條件復雜程度,因不同問題而有所不同。以航空發(fā)動機為例[4],問題有:①多元激勵特征,如轉(zhuǎn)子不平衡、對中偏離、氣動、熱變形、機械松動等不同激勵;②復雜工況特征,如高溫、高速、高加速度、變化負荷、飛行起降、爬升、俯沖等各種復雜工況組合方式;③復雜振動響應(yīng)特征,如幅值、相位、頻率、模態(tài)、瞬變多頻、寬頻率范圍、非線性、復雜路徑、強噪聲下的微弱信號等響應(yīng)特征。

這類問題的解決方式多被稱為多參量綜合測量,是指以不同被測對象的關(guān)聯(lián)性綜合表征為目的的多參量測量活動。

綜合測量中的多個參量相互依存、互為條件,一些參量存在相互關(guān)聯(lián)和耦合特性。它們的關(guān)聯(lián)特征、條件性特征、耦合性特征等在完整表征物理對象不同量值的群體行為時必不可少。從量值種類來說,包括不同的物理量,如幾何量、熱學量、力學量、電磁量、聲學量、光學量、電子學量、化學量、電離輻射量、生物學量等;也包括同一物理量的不同參量方式,如幅度、頻率、相位、諧波、噪聲等。

最常見的多參量綜合測量為被測物理量與對其有影響的環(huán)境參量的多參數(shù)群體綜合測量[5-6]。環(huán)境參量包括:環(huán)境溫度、濕度、壓力、震動、沖擊、電磁環(huán)境干擾、聲環(huán)境干擾、光環(huán)境干擾、大氣粉塵干擾等。

渦輪風扇發(fā)動機整機試車中[7-8],每次試驗都需要記錄燃油質(zhì)量流量、發(fā)動機噴管面積、進氣流量管流通截面面積、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機燃氣溫度、空氣流場、大氣環(huán)境溫度、濕度、試車臺架變形、試車臺架推力、試車臺架振動、發(fā)動機噪音水平、發(fā)動機開機特性等多種過程量值及其變化過程,以綜合表征其總體性能,并深入分析每一參量對總體性能的貢獻規(guī)律。每個類型的參量都需要記錄采集多個測量點位的參數(shù)量值及其變化過程。不同類型的參量、不同測量點位參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián),對評價航空發(fā)動機的性能均有影響。而發(fā)動機整機試車特性的評估就是一個多參量群體綜合測量結(jié)果,即在多通道同步測量的基礎(chǔ)上,綜合分析處理與表述的結(jié)果。

機載大氣數(shù)據(jù)計算機所測量的大氣數(shù)據(jù)參量[9],包括飛行高度、指示空速、真空速、馬赫數(shù)、升降速度、空速變化率、大氣總溫、大氣靜溫,以及迎角、側(cè)滑角等飛行控制參數(shù),具有同步相關(guān)性及因果性,直接影響飛行安全。機載大氣數(shù)據(jù)計算機系統(tǒng)的多參數(shù)綜合測量,需要在多參數(shù)同步測量基礎(chǔ)上進行綜合分析處理與表征。

多參數(shù)綜合測量的表述并非一成不變,伴隨著對被測對象要求的深入,其綜合表征方式,呈現(xiàn)逐步深化和完善的特點。

完整表述正弦波需要幅度、頻率、初始相位、直流分量四個參數(shù),使用各種手段獲取上述四個參數(shù)以表征正弦波,稱為正弦波四參數(shù)綜合測量[10-11]。實際工作中,除上述四個參數(shù)外,還需要表征其失真特性,即失真度。若進一步細化,則需要表征其噪聲失真、諧波失真、次諧波失真、雜波失真、抖動失真、殘余調(diào)制失真、頻譜特性等,以便對所測量的正弦波進行系統(tǒng)性綜合表征。

多參數(shù)綜合測量中,由于它們的群體關(guān)聯(lián)性、因果性、互補性等因素,使得到底選取多少參量作為被測對象,以及如何以最小的工作量獲得最全面的被測對象信息,成為人們關(guān)注的目標。

在沒有特別明確結(jié)論的前提下,一種被稱為“全域”數(shù)據(jù)采集的概念被提出[12],它是指在不十分清楚各量影響機理、關(guān)聯(lián)性、因果性、時序性等群體規(guī)律特征的前提下,對可能影響被測對象的全部物理量值進行全息同步采集存儲,以便能夠通過后續(xù)深入分析處理,尋找出被測各個物理量之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和規(guī)律。

多通道數(shù)據(jù)采集的結(jié)果形式,是多個采集通道的數(shù)據(jù)序列集合。每一通道的數(shù)據(jù)序列均屬于數(shù)據(jù)域信息,以具有時序坐標的幅度信息呈現(xiàn),可以看作是一個二維矢量;多個通道的矢量集合構(gòu)成一種數(shù)據(jù)域的矢量空間,用以表征被測量的多變量群體。由于組成矢量空間的各個矢量并不相互獨立,因此由它們構(gòu)成的矢量空間并不是正交空間。

多變量波形測量問題,是一種將多個時變物理量波形通過多通道數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化成包含完整群體信息的狀態(tài)空間問題。這是一個矢量空間。由此可見,對表征該空間準確性的各個不同通道的時序統(tǒng)一和一致的重要性,以及多通道同步數(shù)據(jù)采集的意義和價值。

實際上,高速、高精度、高動態(tài)范圍、多通道同步采集,是多變量群體測量的基本手段。本文后續(xù)內(nèi)容,將主要針對多通道同步數(shù)據(jù)采集問題進行討論。

2 同步采集技術(shù)及問題

人們很早就意識到了多通道同步數(shù)據(jù)采集的重要性和價值,并采取了相應(yīng)的技術(shù)措施[13-15]。使用同一采樣時鐘是基本技術(shù)手段,而采樣保持器芯片,其作用之一,就是可以從硬件上確保其同步采樣在多通道共用同一A/D轉(zhuǎn)換器情況下仍然能夠得以實現(xiàn)。所有這些措施,都是為保證各個測量通道在儀器輸入端面T1-T2面上的同時采樣狀態(tài)。多通道共用同一A/D的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

圖1中,傳感器1～傳感器m是為適應(yīng)不同的被測物理量由使用者所額外配置,作用是將各個被測物理量信號轉(zhuǎn)換為成比例變化的電信號。信號調(diào)理器為適應(yīng)傳感器輸出信號和后續(xù)數(shù)據(jù)采集通道性能相匹配所由用戶額外配置的,主要用于信號的平移、濾波、放大等變換。它們均不屬于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標準配置,而是可選擇配件。由于用戶選擇和設(shè)置的自由性,不可避免地造成了時間延遲的差異性。

虛線框內(nèi)所表述部分,為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及板卡通常所攜帶的標準配置部分。通道1～通道m(xù)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的m個采集通道。

通常的多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其同步界面為圖1所示的T1-T2面。從技術(shù)邏輯上能夠保證采樣保持器輸入端界面的時刻統(tǒng)一和一致。

當T1-T2面同步后,由于信號調(diào)理器之間時間延遲的差異性,不同采集通道的通道放大器延遲[16]、引線長度延遲、不同傳感器的延遲等均有差異,不能保證在傳感器輸出端面D1-D2面也同步,更無法保證傳感器測量端面C1-C2面上的同步特性。而傳感器測量端面C1-C2面上的同步特性才是多變量數(shù)據(jù)采集同步的真正要求。

因此,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)儀器輸入端面T1-T2面上的時間“同步”并不能保證各個不同傳感器輸入端面C1-C2面上的采樣時刻統(tǒng)一和一致,而不同傳感器輸入端面C1-C2面上的采集時刻統(tǒng)一一致才是多通道同步數(shù)據(jù)采集的最初目的。這也是到目前為止,多數(shù)多通道同步數(shù)據(jù)采集過程中存在的主要問題。而該問題,在微波器件測量中很早就得到關(guān)注,并以測量端面調(diào)整和校準方式予以了先期補償和修正[17]。而在同步數(shù)據(jù)采集中,卻鮮有提及。

由此可見,真正實現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵,并不主要在于是否采取了多通道同時采樣保持技術(shù)策略,更為關(guān)鍵的是:要在此措施基礎(chǔ)上,對不同通道間的延遲時間差進行校準和標定[18],并在實際的采集序列的時刻確定中,予以補償和修正[19-20]。

在用戶的觀念中,多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),不同通道采集數(shù)據(jù)序列,其相同序號的采集數(shù)據(jù)對應(yīng)的采集時刻應(yīng)該是相同的,而實際上,由于不同通道的物理路徑延遲的不同,導致它們并不相同。

通道間延遲時間差的校準和標定,即將不同測量通道相同序號的采樣點對應(yīng)時刻的差異定量表征出來。通道間延遲的補償和修正就是通過技術(shù)手段使得不同通道相同序號的采樣點的采集時刻達到相同,進而實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集的效果。

毫無疑問,在不同通道需要進行同時采樣的應(yīng)用場合,例如上述第1節(jié)所述的各種不同的多變量動態(tài)測量場合,均需要進行通道間延遲的校準、補償和修正。

對于發(fā)動機而言,其燃油流量、轉(zhuǎn)速、推力、效率等參數(shù)均應(yīng)存在確定的關(guān)系,各個參數(shù)采樣時刻之間的刻度差異將導致對于發(fā)動機性能評估的誤差,進而影響其性能的使用和特性的掌握。

對于機載大氣數(shù)據(jù)計算機而言,其飛行高度、指示空速、真空速、馬赫數(shù)、升降速度、空速變化率、大氣總溫、大氣靜溫,以及迎角、側(cè)滑角等飛行控制參數(shù)均應(yīng)是同步測量的結(jié)果,若飛行姿態(tài)變化中的各種高度、速度參數(shù)與迎角、側(cè)滑角之間存在時間差,或者它們與發(fā)動機推力等參數(shù)之間存在時間差異,導致的后果無疑是災(zāi)難性的,飛行控制將無法達到安全和最優(yōu),極易發(fā)生空難。

另外,在需要進行正交測量的場合,如各種信號的正交解調(diào)、正交變換等,也需要進行通道間延遲的補償和修正。另外,在需要兩個通道之間存在固定時間延遲、固定相位差等情況下,也需要進行通道間延遲的修正和補償。

經(jīng)過通道延遲的補償修正后,所有共用A/D的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以及共用采樣時鐘的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),均可以實現(xiàn)在傳感器輸入端面C1-C2面上的多通道同步采集。

3 通道間延遲時間差

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間延遲時間差被從眾多指標中單獨拿出來,并被冠以矢量特性[21-22],主要是因為,多通道采集時序的統(tǒng)一和一致是不同通道數(shù)據(jù)序列構(gòu)成矢量空間的基礎(chǔ)和前提,而通道間延遲時間差直接影響多維矢量空間的復現(xiàn)和表征。

到目前為止,通道間延遲時間差最好的評價方法依然是正弦波擬合法[18],是國家規(guī)范采用的標準方法[23-24];其它方法包括直接測量法和三角波直線擬合法。直接測量法由于受時間抽樣間隔誤差影響,只適合大延遲測量,不能實現(xiàn)小于一個采樣間隔的時間差的測量;三角波直線擬合法雖然可實現(xiàn)小延遲的測量,但易受局部噪聲及幅度量化誤差的影響,不易獲得高精度結(jié)果。

正弦波擬合法與相位差測量方法在本質(zhì)上是一致的。其優(yōu)越性表現(xiàn)為:①既可用大時間差測量,也可用于小時間差測量,不受采樣間隔的影響,沒有原理方法誤差;②時間差可為正值、負值和0值,具有良好的適應(yīng)性;③可以設(shè)定不同通道上的任意兩點作為同步界面進行評估和修正,能對不同通道引線路徑不一致、信號調(diào)理、濾波、放大等環(huán)節(jié)造成的時間延遲差異統(tǒng)一進行評估,進行整體補償和修正,將不同通道的同步界面直接拓展到傳感器的輸出端面D1-D2面;在各個傳感器自身延遲特性已知的情況下,將同步測量界面直接拓展到各傳感器的輸入端面C1-C2面上,實現(xiàn)真正物理意義上的多通道同步采集與測量;④降低了對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步特性的要求,使得在儀器輸入端實現(xiàn)不同通道同時采集變得不再重要。

4 討論

綜上所述,本文主要針對多通道同步數(shù)據(jù)采集中的問題,提出一種基于多通道同步采集基礎(chǔ)的多變量群體綜合測量的矢量空間表征思想,其核心是將處于變化過程中的多變量綜合測量,視為針對一個被測對象的整體測量,被測對象類似一個完整的生命體,其不同變量僅僅是該生命體在不同方面的表現(xiàn)形式,其不同變量之間的測量時刻點均應(yīng)統(tǒng)一和一致。在此前提下,各個不同變量之間的相互時序關(guān)系、因果關(guān)系、耦合關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系等才能精確無誤地展現(xiàn)出來,也才能真正體現(xiàn)出多變量綜合的意圖。否則,多變量之間如何“綜合”?它與不“綜合”的差異如何體現(xiàn)?均無法說清楚。

在該思想的基礎(chǔ)上,提出一種將測量同步界面提前到傳感器的輸入端,以實現(xiàn)真正被測物理量值測量序列的時間尺度的統(tǒng)一和一致的技術(shù)方式,而不是僅僅在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)儀器端子面T1-T2面上的同步采集,使得同步采集測量的結(jié)果更加契合本源的意義和要求。

針對不同通道物理路徑上不同時間延遲的估算、補償和修正,提出了以最終實現(xiàn)各個通道測量時刻點統(tǒng)一一致為目標的整體解決思路。其中可見,真實的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同通道間的延遲時間差最為重要,它的精確測量與估算,是解決多通道同步采樣問題的基礎(chǔ)。當然,不同通道的采樣時基的統(tǒng)一和一致是其基礎(chǔ)和前提。

本文所述工作,僅僅是多變量綜合測量的基礎(chǔ)和前提,針對變量之間的耦合、因果、時序等更加深入的關(guān)系,并未涉及,需要在此基礎(chǔ)上進行深入分析和處理,方能予以逐漸解決。

5 結(jié)論

針對動態(tài)測量中多物理量值的綜合測量及表征問題,提出一種多變量群體效應(yīng)分析與表征的矢量空間思想,并分析了其對多變量同步數(shù)據(jù)采集的客觀需求,以及目前仍然存在的同步問題。針對多通道數(shù)據(jù)采集同步問題,討論了以通道間延遲時間差進行路徑延遲差異的標定、補償、修正方法,為多通道同步數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)展現(xiàn)了一種切實可行的技術(shù)途徑,可在實際工作中拓展應(yīng)用,以解決多通道同步采集的各類同步問題。