動力學環境試驗數據采集系統結構及性能分析

韓曉健，羅 成，李 寧，焦安超，于 丹

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 前言

在航天器研制過程中，動力學環境模擬試驗是一個必不可少的環節，其試驗結果對于暴露航天器及其組件設計、工藝、制造和裝配中存在的缺陷和隱患，檢驗航天器經受振動環境的能力等方面起著重要的作用[1]。動力學環境試驗的數據采集、分析工作是試驗有效性評估的數值依據，是航天器產品質量保證的重要手段。動力學環境試驗數據測量具有測量通道多、數據流量大、實時性要求高、試驗時間短、試驗可靠性要求高等特點，從而對數據采集和分析處理系統提出較高的要求。

目前，在大型航天器研制中，用于動力學環境試驗數據采集和分析的系統多為國外引進產品，如比利時LMS公司的HP3565S系統、SCADASIII系統，美國并行公司的 ISTAR系統、DP公司的DP700系統以及SD公司的JAGUAR系統。這些系統都能夠滿足航天器動力學環境試驗數據采集的特殊需要，但由于硬件技術的發展水平及系統總體設計思想的不同，因此他們的產品各有千秋，特別是在硬件的總線結構、A/D板的結構和速度，以及軟件的總體設計思路及數據管理模式方面都有很多不同。研究這些產品的硬、軟件結構及優缺點，有助于了解并研究動力學環境試驗數據采集和處理系統的技術水平及未來的發展方向。

1 動力學環境試驗數據采集系統總線結構

1.1 IEEE-488標準總線結構

IEEE-488接口總線稱為通用接口總線（GPIB，General Purpose Interface Bus），它的作用是實現儀器、計算機、各種專用的儀器控制器和自動測控系統的快速雙向通信。IEEE-488 接口是一種8位數字式并行通信接口，其傳輸速率可達1 Mbit/s。GPIB使用1條傳輸線工作，其通信電纜阻抗和終端性能制約著最大數據傳輸率。IEEE-488 規定所用通信電纜的總長度必須小于20 m[2]。

1.2 VXI（VME）總線結構

1987年推出了VXI（VME bus extension for instrumentation）總線結構標準，VXI 總線是基于VME總線的擴展，其數據傳輸速率可達40 MB/s。它具有開放的標準、模塊化設計、小型便攜、對儀器功能的有力支持、靈活性強和可靠性高的特點[2]。用這樣的總線結構來進行高吞吐量的數據傳輸是非常理想的。

1.3 PCI和PXI總線

PCI（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group） 總線于1992年問世，它是一種全新的高速PC計算機總線，其數據傳輸速率可達到132 MB/s。

PXI（PCI Extension for Instrumentation ）是由美國NI公司于1987年推出的測控儀器總線標準，PXI總線是在以PCI計算機局部總線為基礎的模塊儀器結構上發展起來的。它不但具有PCI的性能和特點，適合于試驗、測量與數據采集的新型虛擬儀器體系結構，而且還是PCI總線的增強與擴展，并與現有工業標準Compact PCI兼容，在相同插件底板中提供不同廠商產品的互聯與操作。作為一種開放的儀器結構，PXI 提供了在VXI以外的另一種選擇。它具備 32/64位數據傳輸能力及分別高達132 MB/s（32位）和264 MB/s（64位）的數據傳輸速度。

1.4 LXI總線

2004年安捷倫公司和 VXI科技公司在結合了GPIB和VXI優點的基礎上，開發了基于以太網的LXI（LAN eXtension for Instrumentation）總線。它是一種適用于自動測試系統的新一代基于LAN的模塊化平臺標準。LXI結合了臺式儀器的內置測量技術和PC標準I/O連接能力，并基于插卡框架系統的模塊化和小尺寸等優點于一身。同年 9月兩公司推出 LXI接口規范并成立 LXI聯盟，LXI標準要求所有LXI設備都需要提供包括產品主要信息的網頁。該網頁必須可從標準W3C網絡瀏覽器觀看，并符合 HTML1.1 網頁4.01版標準或更高。每一臺 LXI設備必須實現IEEE 802.3（LAN）。

2 我國動力學試驗用的數據采集系統的總線結構

2.1 比利時LMS公司的HP3565S系統

1992年引進的比利時 LMS公司的 HP3565S系統可進行動力學環境試驗的振動、隨機振動、噪聲試驗的數據采集和處理，還可進行模態試驗的數據采集處理。該系統是每套80個通道。系統框圖見圖1。該系統采用IEEE-488標準總線結構，數據流是通過前端的A/D采集和處理經過IEEE-488接口傳輸到系統的硬盤。受到IEEE-488總線的速度限制，該系統傳輸速率不大于1 MB/s，這樣既限制了系統的通道數不能太多，同時由于時域數據量大，也限制了時域數據的存儲。

圖1 HP3565S系統結構圖Fig. 1 Configuration for HP3565S

2.2 美國DP公司的DP750

美國DP（Data Physics）公司的最新信號分析儀DP750使用Ethernet接口和前端機連接，這種以太網接口有很多優勢：1 GB/s傳輸速率；主機箱和前端機箱的間距最大可達100 m；通過局域網實現多個用戶連接。單個Abacus主機鋪以通過以太網連接的客戶機，攜帶便捷，是真正的便攜式儀器。盡管以太網的傳輸率很高，但 DP750并未利用此優勢，而是采用前端內置的100 GB硬盤，將大容量的時域數據以高達20 MB/s的速度存入前端硬盤（throughput硬盤），試驗后再導入到主機硬盤中。系統框架圖如圖2。

圖2 DP750系統結構圖Fig. 2 Configuration for DP750

2.3 美國并行公司的ISTAR系統

ISTAR數據采集處理系統是美國并行公司于1997年生產的，其通道數為352個，是目前國內通道數最多的一臺動力學環境試驗數據采集系統。其系統為工作站系統，總線是VME總線結構。VXI 總線數據傳輸率為40 MB/s。系統框架圖見圖3。

圖3 ISTAR系統結構圖Fig. 3 Configuration for ISTAR

2.4 自主研發的DMS-100數據采集系統

自主研發的DMS-100動力學綜合測試系統硬件平臺采用主控計算機和 VXI機箱組成測試單元的結構，其中：VXI測試總線機箱中內置一個零槽控制器，用于管理 VXI測試模塊間的協調以及同步；主控計算機通過內置于計算機的PCI 1394轉換卡、IEEE 1394總線和內置于VXI機箱的控制功能模塊（零槽控制器）與VXI 測試系統機箱連接，實現與VXI測試機箱的快速數據傳輸及通訊管理工作。IEEE 1394總線對VXI總線集成自動化測試系統進行控制和管理，目前絕大多數桌面PC都還沒有配置IEEE 1394標準總線接口，因此這種構建VXI總線集成自動化測試系統的方案中涉及到兩種接口適配器。目前桌面PC主板上最常用的標準總線就是PCI總線，所以通常IEEE 1394-VXI零槽控制器提供一塊PCI-IEEE 1394接口適配器作為附件[3]。

在測試過程中，VXI總線機箱通過A/D轉換器完成動力學響應數據的采集（同樣對于任意波形輸出，通過 D/A轉換器輸出動力學試驗需求的任意波形），所有采集數據通過VXI總線及IEEE 1394連接線實時傳送到主控計算機，由主控計算機完成數據處理分析、數據存儲、實時顯示等任務。系統框架圖見圖4。

圖4 DMS-100系統總線及結構圖Fig. 4 Configuration for DMS-100

2.5 美國SD公司的JAGUAR數據采集系統

美國SD公司的多通道數據采集系統主要由多個SD2570 系統組成，每個系統最多可達98個通道。SD2570系統的主機由SUN工作站進行實時在線數據采集和處理，其總線同 ISTAR系統，同樣是VME總線結構，所不同的是它通過前端的系統throughput硬盤將大容量的時域數據存儲，然后倒入主機硬盤。總線圖如圖5。

圖5 SD2750系統結構圖Fig. 5 Configuration for SD2750

2.6 比利時LMS公司的SCADASIII系統

比利時LMS公司2003年生產的SCADASIII數據采集系統其前端和主機通過工業標準的 SCSI接口，確保快速和準確的數據傳遞，主機和前端實際達到11 M采樣點/s。如果系統增加輔助機箱的話，由于受機箱間數據傳輸速度的影響，整個系統的傳輸率會明顯下降，1套由4個機箱組成的200通道的數據采集系統，測試其系統數據傳輸速率只有3 M采樣點/s，測試另一套由2個機箱組成的228通道的系統傳輸速率不大于6.5 M采樣點/s。系統的總線框架圖見圖6。

圖6 SCADASIII系統結構圖Fig. 6 Configuration for SCADASIII

2.7 分布集成式系統

近年來為了建立超大型多通道數據采集系統，提出了分布集成式系統的設計思想，即各個單機系統相互獨立，由主控計算機對各個單機系統進行遠程監控，主控機與單機通過以太網（1 000 MB/s帶寬）相連，實現遠程控制與分布式數據管理的工作模式。單機系統的模塊化設計思想使單機系統的擴容變成了現實，同時也克服了單一超大系統數據流傳輸的瓶頸。分布集成式系統構成見圖7。

圖7 分布集成式系統結構圖Fig. 7 Configuration for distributing and integration system

3 數據采集系統的數據處理方法

無論哪種數據采集系統，其隨機試驗數據方法和沖擊試驗沖擊響應譜的計算方法都沒有太大差異，只是在掃描正弦數據處理的方法上各有各的特點。掃描正弦數據處理主要涉及到頻率的辨識方法及響應的峰值計算方法。頻率的辨識方法主要有時間倒數法（過零法）、數字跟蹤濾波法和FFT法。響應數據的峰值計算主要有4種方法：絕對峰值法，平均值峰值法，有效值峰值法，濾波方式峰值法。

1）絕對峰值法

對正弦時域信號進行實時處理時，取每個響應信號所處理周期內采樣點數值的絕對響應峰值。處理公式為

式中：Ap為絕對峰值；ai為每個處理周期內的采樣點數值，i=1,2,…N (N為所處理周期內的采樣點數）。

2）平均值峰值法（average value）

對正弦時域信號進行實時處理時，取每個響應信號所處理周期內采樣點數值的絕對響應平均值，再換算成峰值。處理公式為

式中：Aavg為平均峰值。

3）有效值峰值法（RMS value）

對正弦時域信號進行實時處理時，取每個響應信號所處理周期內的響應數值的有效值，再換算成峰值。處理公式為

式中：ARMS為有效值峰值。

4）濾波方式峰值法（filtered value）

對正弦時域信號進行實時處理時，取每個響應信號所處理周期內的各響應點的數值，按濾波方式的處理方法獲得幅值。

假設正弦信號激勵時結構響應信號表示為y=Acos(ωt+φ)+Harmonics+Offset+Noise；或寫為y(t)=A0+A1sin(ωt+φ1)+A2sin(2ωt+φ2)+…+Ansin(n · ωt+φn) 。

幅值為

相位為

上述式中：y(t)為各采樣點數值；T為所處理的正弦信號的周期；P為信號幅值的實部；Q為信號幅值的虛部；A為信號幅值；?為信號初相位。ω= 2πf，為正弦信號頻率；t為采樣時間。

3.1 HP3565S系統的數據處理方式

HP3565S系統是基于 UNIX操作系統運行模式，該系統每套最多有80通道，可以多套組成一個系統，需要多人操作。由于受到當時硬件的限制，因此系統單通道采樣率只有12.8 kHz。系統可完成動力學環境試驗的正弦、隨機、沖擊試驗的實時數據采集和處理。

正弦數據處理中沒有時域數據的采集及存儲、后處理功能，只能在線實時處理。在線進行譜分析時，數據處理方式主要有絕對峰值法、有效值峰值法、平均值峰值法，還可在線進行傳遞函數計算等。

頻率辨識采用過零法。

在正弦數據采集過程中，每個信號的幅值以12.8 kHz進行采樣，然后基于數據處理的抽取的方法進行再采樣，目的是降低其采樣頻率，其再采樣頻率的設置如表1。

表1 HP3565S系統再采樣頻率設置方法Table 1 Method of set up resampling frequency for HP 3565S

3.2 ISTAR及DMS-100 系統的掃描正弦數據處理方式

ISTAR和DMS-100系統的硬件不同，其中：ISTAR的A/D板為32通道，16位A/D，51.2 kHz采樣頻率，系統共352通道；DMS-100 A/D板為32通道，每通道采樣率可以達到51.2 kHz，采樣位數16位，系統共128通道。

這兩套系統的掃描正弦數據處理方式是一樣的，它們的共同特點是可在線實時對掃描正弦、隨機、沖擊試驗時域數據采集并處理，還可以進行數據的后處理。在線進行譜分析時，數據處理方式有絕對峰值法、有效值峰值法、濾波方式峰值法，還可在線進行傳遞函數計算等。

掃描正弦頻率的辨識均采用過零法。在正弦數據采集過程中，其采樣率設置原則是：采樣頻率=（諧波頻率+1）×K ×最大分析頻率，系統缺省設置K = 4。一般可以遵循以上原則進行選取，也可自由選取，一般選取最高分析頻率的32倍或20倍。

幅值計算方法見公式(1) (5)。在進行幅值計算時，對每個頻率點所選取的時域數據的周期數符合表2的規律，可以根據要求選取不同的頻率。

表2 ISTAR系統掃描正弦數據處理方法Table 2 Data processing method of sine sweep for ISTAR

3.3 SD2570系統的數據處理方式

美國SD公司的SD2570系統對掃描正弦數據處理采取先利用系統前端的 throughtput硬盤在線實時存儲時域數據然后進行時域數據回放再處理的方式，每個硬盤容量達到36 GB，每套系統可擴充到 6個硬盤。其頻率是通過標準COLA信號應用過零法進行辨識。其幅值的計算見公式(1) (5)。其中濾波峰值法的詳細過程如圖8所示。

圖8 SD2750 幅值濾波計算方法示意圖Fig. 8 Estimation method of Filtered value for SD2570

3.4 SCADASIII系統的數據處理方式

SCADASIII系統基本功能主要是對掃描正弦、隨機、沖擊試驗數據可在線實時時域數據采集并處理，系統數據處理速度快。

利用該系統對掃描正弦數據處理時可進行在線實時時域數據的采集及存儲、在線頻響處理，還可以進行數據的后處理。在線進行頻響分析時，數據處理方式有：絕對峰值法、有效值峰值法、濾波方式峰值法，還可在線進行傳遞函數計算等。單通道采樣率達到204.8 kHz。

該數據采集系統利用控制系統提供的 COLA信號進行實時頻率跟蹤辨識，利用時間倒數法進行激勵信號的實時頻率辨識，采用26 MHz的計數器，它的分辨率可達38 ns，對COLA信號進行采樣，采集整周期信號，再根據整周期內采集的點數和采樣率計算一個周期的時間，頻率由一周期時間的倒數得到。

SCADASIII系統的 A/D 最高采樣率是204.8 kHz，這樣，系統通過多倍的再采樣設計，即有12個緩沖器，根據COLA信號辨識信號頻率，對響應信號進行相應的抽取，即不同頻率的響應數據的最終采樣率落到這12個緩沖器范圍內，進行幅值計算。最高緩沖器的采樣頻率等于 A/D的最高采樣頻率（204.8 kHZ），最低緩沖器的采樣頻率是204 800/211=100 Hz。每個掃描頻率的信號的幅值信號以A/D的采樣頻率204.8 kHz進行采樣，基于再采樣因子（128倍）的設計思路，每個頻率的信號又以大于等于其頻率的 128倍的原則被數字采樣，該信號落在相對應的緩沖器中[4]。隨著掃描正弦信號的頻率的變化，其采樣率也在變化，具體見圖9。

圖9 SCADASIII系統掃描正弦幅值計算示意圖Fig. 9 Estimation method of data of sine sweep for SCADASIII

4 主要性能比較

動力學環境試驗數據采集及數據處理的方法目前已成熟，但大型航天器研制的需求和要求測量的點數增加，需要大型的多通道實時數據采集和處理系統。由于系統硬件性能的限制，因此單套系統的通道數的發展受到限制，目前，單套系統的最大通道數為352通道。大型系統的通道數的發展受到限制的主要原因是系統需要具備在線實時采集時域數據并在線實時處理的能力，而大流量的數據實時存儲和傳輸受到限制。為了突破這一瓶頸，在各系統上應用了各種方式提高數據的傳輸能力或采取throughput 硬盤方式將大流量的數據灌硬盤。這樣，各系統的能力及數據存儲和管理模式各有不同，見表3。

表3 系統硬件主要性能比較Table 3 Main capabilities of each system

5 結束語

以上幾套系統的優勢各有不同，但從以上比較可以看出多通道大型數據采集系統的發展趨勢：

1）大型動力學環境試驗數據采集系統的操作平臺已從UNIX操作系統發展到了Windows操作系統；

2）隨著硬件性能提高，在線實時處理并將時域數據直接存儲到主機硬盤的方式將逐步取代中間硬盤的存儲方式；

3）以電壓/ICP的多輸入方式取代單一的電壓輸入方式；

4）以分布集成式的系統模式代替超大系統的模式，避免因超大系統出現故障而造成整個系統的癱瘓。

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[1] 柯受全. 衛星環境工程和模擬試驗（下冊）[M]. 北京:宇航出版社, 1996

[2] 何廣軍, 高育鵬. 現代測試技術[M]. 西安電子科技大學出版社, 2007-03

[3] 馮咬齊, 崔俊峰. 航天器動力學環境試驗綜合測試系統的設計思路[J]. 航天器環境工程, 2003, 20(3)

[4] LMS International. LMS test lab user manual[G]. 2002