液壓系統地面模擬試驗數據采集與分析系統的設計與實現

摘 要：該文根據某型民用飛機液壓系統地面模擬試驗需求，設計了一套用于采集和分析液壓系統相關測試參數的試驗設備，文中對該數據采集與分析系統的技術要求進行了說明，介紹了其硬件組成、軟件架構功能及若干關鍵技術。使用結果表明，該系統能夠有效滿足液壓系統地面模擬試驗的測試要求。

關鍵詞：液壓系統 地面模擬試驗 數據采集與分析 試驗設備

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0087-03

1 功能概述

任何一款民用飛機的研制，從設備到系統集成再到全機，都需要經過一整套復雜而周密的試驗項目來檢驗測試，而測試數據是支撐整個試驗驗證體系的原始依據。液壓系統地面模擬試驗屬于系統綜合級試驗室臺架設計驗證試驗，是民用飛機需求驗證體系中一個重要的組成部分[1]。數據采集與分析系統（以下簡稱“數采系統”）則是試驗中用于采集和分析被試系統中相關測試參數的關鍵試驗設備[2]，也是液壓系統地面模擬試驗的數據中心。它以硬件集成和數采軟件開發為核心，旨在完成試驗中液壓壓力信號、流量信號、溫度信號、機械量信號（踏力、角位移、線位移等）、電壓電流信號、離散信號和ARINC429總線信號的采集、顯示、記錄，并對事后數據進行管理、分析和判斷。

2 技術要求

液壓數采系統的主要功能及指標要求如下：

（1）完成液壓系統加裝傳感器信號（如壓力、流量、溫度、力、位移、電壓、電流等）的采集、顯示、數據保存。

（2）系統應滿足各采集通道的精度要求。

（3）可根據信號類型分別設置不同的采樣速率。

（4）應滿足實時性要求，具有實時通訊、實時處理功能。

（5）液壓系統機載信號（系統壓力、系統溫度、系統油位、離散量以及ARINC429總線）的采集通道需要做好隔離措施，避免引入干擾。

（6）系統應具有多重處理系統保護功能和數據保護功能。

（7）系統應具有試驗數據事后分析處理功能。

（8）硬件必須具有可擴展能力，滿足將來試驗系統升級需要。

（9）設備整體平均無故障時間（MTBF）不低于6000小時。

3 數據采集與分析系統設計

3.1 硬件組成

經過對液壓地面模擬試驗上述技術要求分析，以下給出數采系統的方案設計和實施。數采系統的硬件組成見圖1所示。它主要由機柜、電源、信號分配箱、SCXI機箱、測試終端、服務器及客戶端組成。電源、信號分配器、測試終端機服務器都安裝在機柜上。

信號分配箱是外部加裝測試傳感器、液壓及起落架系統傳感器和ARINC429信號與數采系統交聯的接口，并留有故障檢測端口。為了消除對系統工作的干擾，截取自系統的信號與數采系統之間采取了隔離措施。

測試終端執行各類模擬信號與總線信號的數據采集，并將數據分別發送至服務器和客戶端。部分模擬信號在經SCXI調理機箱調理后再發送到測試終端采集。測試終端及SCXI調理機箱的配置與采集處理的信號類型對應關系分別如表1、表2所示。

服務器既承擔試驗數據、資源配置和文件的存儲，又是系統指令調度與判斷的中樞環節。

客戶端是用戶與數采系統之間的人機接口。數采系統的資源配置、試驗配置、監控顯示以及數據分析都是在客戶端上操作完成的。

3.2 通訊接口

三套網絡配置將測試終端、服務器、客戶端緊密的連接起來，并以此作為與其它試驗設備交聯數據的接口。它們分別是用于時間同步的1588網絡、用于實時數據交換的VMIC網絡以及用于控制命令與數據交換的千兆以太網。

（1）1588同步網絡接口。

數采系統采用高性能hub組建同步網絡，使用NI公司的1588同步模塊，實現數采系統內部服務器和測試終端的時間同步，同步精度可以達到±210ns。數采系統還可以接入外部1588時鐘源或IRIG-B時鐘源，實現與外部系統的時間同步。

（2）VMIC光纖反射內存網接口。

反射內存網絡拓撲結構采用星型結構，主要用于與其他系統進行實時數據的交互。其數據傳輸延遲可達到微秒級，能夠達到實時通訊，滿足本系統與其他系統之間數據實時傳輸要求在1 ms內的需求。

（3）千兆以太網接口。

千兆以太網采用星型結構，主要用于數采系統內部傳遞試驗指令和試驗數據，也可以與其它外部系統進行網絡通訊。

3.3 軟件架構及功能

如圖2所示，數采系統軟件采用模塊化設計，依據系統硬件組成特點，分為客戶端軟件、服務器軟件、和測試終端軟件。三者之間通過TCP/IP網絡通訊協議傳輸指令和試驗數據。各軟件模塊功能如下：

（1）客戶端軟件。

客戶端軟件在Windows7操作系統下基于Labwindows/CVI 2012平臺開發。

①用戶管理：負責管理系統管理員、普通用戶的用戶名、密碼及使用權限。

②資源管理：創建、編輯、保存系統的板卡、采集通道、總線等資源，并形成配置文件下發至終端。

③試驗配置：參與試驗的測試通道個數、采樣率、人員、環境條件等。

④試驗監控：包括實時顯示試驗數據和試驗數據記錄的開始與結束的控制。兩者并行工作互不影響。

⑤數據管理：對所有歷史試驗數據的管理，包括查詢、回放、分析、處理與導出等。

⑥網絡通訊：下發開始/停止數據記錄的指令至服務器，接收來自測試終端的用于監控顯示的試驗數據。

（2）服務器軟件。

服務器選用聯想公司的IBMX3650M4，搭配windows server 2008R2操作系統，基于Labwindows/CVI 2012及SQL Server 2008R2開發下列功能。

①數據庫：涉及所有數采系統的板卡、采集通道、計算公式、傳感器、試驗數據、用戶等的數據庫操作。

②數據存儲：用戶執行數據記錄開始操作后，將測試終端發來的試驗數據實時存儲在服務器上。

③網絡通訊：接收來自測試終端的試驗數據以及來自客戶端的操作指令。

（3）測試終端軟件。

測試終端軟件主要基于NI的 LabView RT開發相關功能。

①數據采集：根據用戶下發的硬件配置采集所有測試通道的數據，包括加裝傳感器信號、系統傳感器信號及總線ARINC429信號。

②數據計算：將采集到的傳感器輸出原始電壓（電流）信號按照用戶設置的計算公式進行運算，得到可用于監控和記錄的最終試驗數據。

③網絡通訊：將試驗數據發送至服務器存儲，發送至客戶端用于監控。

4 若干關鍵技術

4.1 實時性

數采系統采用分布式網絡結構，測試終端實時性要求1 ms。實時性體現在兩個方面，一是數采系統執行是實時的，二是網絡傳輸是實時的，分別由實時操作系統和實時網絡來保證。即1 ms內必須完成數據采集，并發布到實時網絡上。

測試終端軟件配置三個線程。為滿足1 ms實時數據交聯，線程一采用1 ms定時器，主要為執行數據采集、數據計算、光纖反射內存網數據發布程序。線程二采用200 ms定時器，執行以太網數據發布程序，保證了客戶端顯示的實時性，以太網數據傳輸3～5次/s。線程三采用1 s定時器，執行數據存儲程序，每個1 ms實時周期內僅占用時間小于52 us，可以留給實時任務更多的裕度，實時周期的抖動更小，定時更穩定。按照優先級從高到低，線程一優先級最高，線程二次之，線程三優先級最低，這樣防止優先級倒置，完全可以滿足1ms的實時交聯要求。

網絡傳輸的實時性，以太網傳輸延遲小于5 ms，以200 ms線程發送數據完全可以保證。光纖反射內存網數據傳輸延遲小于700 ns，以1 ms線程發送數據也是完全可以保證。

4.2 信號隔離

在對液壓系統的系統壓力、系統溫度、離散量等信號進行截取式采集時，數采系統本身尤其需要加強抗干擾設計，不應數采系統的引入而對被試系統計算機與傳感器的正常工作造成影響，應綜合考慮電路功能性設計、濾波、屏蔽以及接地搭接等[3]。為此，在數采系統與液壓系統之間采取了如圖3所示的隔離電路。采用ISO124隔離運算放大器，其輸入端增加一級JFET輸入運算放大器作為緩沖放大器，可以使電路輸入阻抗大于1012。隔離運算放大器的輸入部分，采用DC/DC電源模塊單獨供電，可以確保該路輸入信號和信號地完全隔離。ISO124隔離運算放大器的輸出部分，統一供電與數據采集板卡共地。對于機載電壓類信號，隔離電路的輸出經緩沖放大器后，直接輸入PXI控制器的AD模塊；對于離散量信號，隔離電路的輸出經一級NPN三極管變換成24V地信號后，直接輸入測試終端的PXI-6528。

5 結語

試驗設備的研制是開展飛機系統地面模擬試驗至關重要的前期準備工作。基于試驗測試需求，本文從硬件組成、軟件架構及功能等方面，給出了數據采集與分析系統的解決方案，并以此應用于某型民用飛機液壓系統地面模擬試驗，完成了對試驗中各類加裝傳感器信號及液壓系統內部截取信號的采集、顯示、存儲以及試驗數據的事后分析處理。

參考文獻

[1]《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊16-電氣系統設計[M].北京：航空工業出版社，2000.

[2]蔡暢，戚文軍，農登，等.數據采集系統設計[J].現代電子技術，2012，35（1）：157-159.

[3]孟令軍，李柱，于麗娜，等.一種隔離型數據采集方法[J].計算機應用，2011（7）：64-67.