復合環境試驗系統的數據即時通訊方案設計與實現

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621999）

0 引言

武器裝備在服役壽命周期中，儲存、運輸、發射等不同階段，會經歷不同的溫度、加速度、振動等環境。為了模擬在其使用壽命期內所需經歷的各種環境條件，對武器裝備產品的環境適應性情況進行評價，需進行產品的地面環境試驗考核。不同于傳統單因素環境試驗，多環境條件耦合加載下的復合環境試驗對于產品的考核更加全面真實。如飛行器飛行過程中，溫度載荷與加速度載荷是同時存在的。而飛行過程中的上升、加速、飛行等不同階段，產品所需經歷的的溫度環境條件與加速度環境條件均是實時變化的，產品在不同飛行階段下的響應溫度，造成產品產生熱變形、產生熱應力，與加速度載荷作用下產品的應力以一定飛行時序實時耦合在一起，其對產品的破壞效應不同于單一溫度或加速度載荷的影響[1,2]。因此，開展溫度-加速度等復合環境試驗，能夠更充分的暴露單一載荷條件作用下所不能暴露的問題[3,4]。

目前，中國工程物理研究院、702所等單位均開展了溫度-加速度等多載荷復合環境試驗能力的建設工作[5,6]，并取得了一定進展，也發現了一些問題。如不同環境載荷系統之間的數據通訊、多載荷的協同加載控制、復合環境試驗方法研究等。本文依托某離心機設備能力建設項目，在現有離心試驗設備的基礎上，增加了一套溫度載荷控制系統，解決了傳統離心機控制系統軟件與溫度控制軟件之間的數據交互等問題，提高了加速度載荷與溫度載荷的加載的同步性。

1 研究現狀

1.1 復合試驗系統硬件結構

溫度-加速度綜合環境模擬設備是一種氣候環境與力學環境綜合的模擬設備。可以暴露單一因素環境試驗無法暴露的問題。溫度-加速度復合環境試驗系統硬件示意圖如圖1所示。考慮到離心機體積等因素，系統設計采用“離心機+溫度加載的形式”[7]。在6離心機大臂端部位置設計1溫度箱，2試驗件通過3試驗夾具與離心機大臂連接。4電源、信號線將溫度箱溫度等信息傳給5溫度控制器，溫度控制器放置在離心機7轉軸位置，離心機與溫度控制器的設備信息，通過離心機上的集流環傳給上位機8溫度監控系統以及9離心機監控系統。

圖1中，溫度控制器是固定在離心機轉軸上的，溫度傳感器的信號線于溫度控制器連接，溫度相關數據通過控制器485通訊口，占用了離心機集流環中的兩路信號環，將數據傳遞至溫度監控系統。這種方式的缺點就是需要將溫度控制器放置在離心機上，離心機的轉動對于溫度控制器也是一種考核。另外，也占據了離心機上有限的空間。但是好處是不必對現有離心機等設備進行更改，可以直接將溫度加載系統放置在離心機上進行，硬件改動成本小。

圖1 溫度-加速度復合環境試驗系統硬件示意圖

1.2 溫度-加速度控制系統數據交互設計

離心機試驗系統利用基于UDP協議，Delphi編程軟件開發的控制系統軟件控制變頻器，進而控制離心機加速度載荷。溫度控制系統下位機為島電FP23溫度控制器，其采用的是RS232串口通訊，上位機為力控組態軟件開發的監控系統。

具有一般性的，以Delphi為代表的，包括Delphi、VC等編程工具，是一種面向對象的可視化開發工具，可以從底層協議開始，直至圖形界面，其開發靈活度較高。而溫度控制系統監控軟件采用的是組態軟件編寫，其驅動程序直接從庫中調取，如果未有專門編寫的邏輯驅動等，則較難與基于Delphi編程語言編寫的離心機監控軟件進行直接的數據交互[8]。

因此，筆者利用編程語言，設計了數據中轉器，其可以與Delphi語言編寫的離心機監控軟件進行數據交互。而數據中轉器與組態軟件之間的數據交互，則依靠DDE技術實現。DDE（Dynamic Data Exchange，動態數據交換）技術是建立在Windows內部消息系統的，與語言無關的數據交換協議，可實現應用程序之間的數據動態交換[9,10]。溫度-加速度載荷數據流圖如圖2所示。

圖2 溫度-加速度復合試驗系統數據流圖

2 軟件設計與實現

2.1 數據中轉器的軟件實現

數據中轉器采用VB語言實現，與組態軟件通訊時，設定其為DDE服務器，需要進行的設置包括：窗口名設置為Datatransfer；Linkmode設置為1-Source，代表VB作為DDE服務器端，設置三個文本框，用來傳遞溫度試驗參數，分別為：文本框變量名分別為temperature指代溫度值，rate指代升溫速率，time指代升溫程序運行時間。組態軟件作為DDE客戶端，其設置包括：主題名為Datatransfer，這里與VB軟件窗口名稱保持一致，數據庫中建立三個變量，a1、a2、a3，設置DDE連接項，連接項的變量名要與VB服務器端變量名對應，分別為temperature、rate、time。

2.2 數據中轉器與離心機監控軟件的數據交互

數據中轉器的實現是利用了Winsock控件實現基于UDP協議的數據交互功能。Winsock需要設置包括：RemoteHost指代離心機監控軟件用計算機的名稱，這里填寫為IP地址udpPeerA.RemoteHost=”197.1.1.2”；RemotePort屬性指代離心機監控軟件用計算機的端口號，udpPeerA. RemotePort=1010，LocalPort屬性指代溫度組態監控軟件用計算機的端口號，udpPeerA.LocalPort=1011，溫度參數信息的發送與接受通過SendData函數實現，離心機監控軟件端計算機接收到溫度試驗參數，觸發DataArrial事件，通過GetData函數獲取溫度信息。數據中轉器中DDE與UDP相關設置如圖3所示。

圖3 數據中轉器控件設置

3 數據可靠性設計

由于UDP協議是無連接的協議，具有傳輸的不可靠性以及傳輸順序的不確定性，會造成數據堵塞和丟包。為了保證數據傳輸可靠，自定義了數據中轉器與離心機監控軟件之間數據的通訊協議。

通訊協議工作過程如圖4所示，在建立UDP連接后，數據中轉器定時向離心監控軟件發送通訊起始標志QS，數據內容，包括溫度系統運行時間、實時溫度、升溫速率、離心機動作指令（加速、保持等），校驗(采用和校驗)。數據發送至離心監控軟件后，離心監控軟件進行數據的解析，根據發送來的動作指令，進行加速或保持動作，并從溫度、升溫速率范圍等進行判斷，并對數據進行校驗，若校驗合格且溫度、溫升速率等數據合理，不向數據中轉器發送信息，否則，向數據中轉器發送CF指令，數據中轉器重新發送數據包。

圖4 數據協議工作過程示意圖

4 試驗設計及分析

4.1 試驗設計

參照GJB150A相關試驗標準，設計了試驗能力驗證試驗。在溫度-加速度復合環境試驗系統中，放置溫度傳感器，以溫度控制系統為指令發送系統，根據溫度加載情況，向離心機控制系統發送轉速調節指令。需要完成動作包括：1）溫度控制系統向離心機控制系統發送啟動指令；2）獲取離心機控制系統發送來的實時轉速指標，進行保持、加速等動作。

4.2 試驗結果及分析

試驗結果如圖5所示。先將溫度箱升溫至40℃，待溫度穩定后，溫度控制系統向離心機控制系統發出啟動信號，離心及開始轉動；離心機轉速達到40g后，反饋信號傳遞至溫度控制系統，溫度控制系統發送轉速保持信號；一定時間后，溫度控制系統再次發送提高轉速信號，離心機控制系統轉速提高至70g；達到70g后，發送轉速信號至溫度控制系統，溫度控制系統發出轉速保持指令，離心機轉速保持。

通過試驗驗證表明，溫度控制系統與離心機控制系統之間數據交互良好，滿足復合環境試驗要求。試驗技術可行，達到了試驗考核目的。從圖中可知，離心機的轉動對溫度箱內的溫度場分布產生了影響，通過試驗，獲取了不同加速度條件下溫度場的分布情況，對后續為溫度-加速度復合環境下的溫度場分布特性研究等工作的繼續開展提供了技術保障。

圖5 試驗結果曲線

5 結論

在某產品溫度-加速度復合環境試驗考核任務中，利用本文研究成果實現了溫度載荷與加速度載荷的協同加載，試驗結果表明，通過采用數據中轉器等方法，可以實現溫度載荷控制系統于離心機載荷控制系統之間的數據互聯互通，本文所進行的技術研究工作可為相關多載荷條件下的復合環境試驗系統的載荷協同控制技術提供參考；同時，通過驗證性試驗，獲得了特定加速度條件下、密閉空間內溫度場分布特性曲線，可為后續研究提供試驗手段的支持。

[1]賈普照.穩態加速度模擬試驗設備:離心機設計(7)[J].航天器環境工程,2009,26(1):86-92.

[2]方兵,沈潤杰,何聞,等.航天器元件多參數綜合可靠性環境試驗研究綜述[J].中國機械工程,2009,(22):2766-2771.

[3]黃本誠,馬有禮,著.航天器空間環境試驗技術[M].國防工業出版社,2002.

[4]Goethem D V,Jepsen R,Romero E. Vibrafuge:Re-entry and launch test simulation in a combined linear acceleration and vibration environment.The 44th AIAA aerospace sciences meeting and exhibit.2006.

[5]魯亮,王勇,胡宇鵬,等.一種加速度環境下的溫度測量方法[J].航空制造技術,2016(Z2).

[6]周桐,張志旭,任萬發,等.典型結構振動-加速度綜合環境試驗研究[J].裝備環境工程,2015,(5):50-55.

[7]王保乾.以離心機為主體的復合環境試驗設備的探討[J].環境技術,1991,(4):15-20.

[8]吉順平,陸宇平.基于UDP/IP的工業以太網絡通信協議的設計[J].信息與控制,2008,(5):560-564.

[9]魯亮,周本權.基于DDE技術的溫度試驗系統[J].現代電子技術,2014,(9):90-92.

[10]姚偉華,劉海紅.基于DDE技術的工業自動控制組態系統的設計分析[J].現代電子技術,2014,(21):113-115.